Das globale Windsystem I: Nord-Süd: Unterschied zwischen den Versionen

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Wir haben uns in der letzten Woche mit der Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erde beschäftigt. In der Woche zuvor haben wir uns mit einem lokalen Wind-System beschäftigt.
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Wir haben uns in der letzten Woche mit der Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erde beschäftigt. In der Woche zuvor haben wir uns mit einem lokalen Wind-System beschäftigt. <br />
 
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Lässt sich das Prinzip des Seewindes auf globale Maßstäbe übertragen?
 
  
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Wie sähe ein Wind-System aus, wenn wir davon ausgehen, dass sich das Prinzip des See-Windes auf einen globalen Maßstab übertragen ließe?
Wie sähe ein Wind-System aus, wenn wir davon ausgehen, dass sich das Prinzip des See-Windes auf einen globalen Maßstab übertragen ließe?<br />
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Welche Konsequenzen hätte das für das Klima in Deutschland?
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Eine Windkarte der mittleren Breiten zeigt jedoch ein anderes Bild. Der Wind weht überwiegend aus süd-westlichen Richtungen.
 
Eine Windkarte der mittleren Breiten zeigt jedoch ein anderes Bild. Der Wind weht überwiegend aus süd-westlichen Richtungen.
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Die Ursache für die von der Theorie abweichenden Luftströmungen ist in 2 Schritten zu verstehen, der erste Schritt ist dabei die Luftbewegung in Nord-Süd-Richtung.
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Die Ursache für die von der Theorie abweichenden Luftströmungen ist bei genauerer Betrachtung zu verstehen.
  
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==Die globale Zirkulation==
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Die globale Zirkulation, (auch planetare oder atmosphärische Zirkulation genannt), bezeichnet atmosphärische Zirkulationssysteme, die große Teile des Erdballs umfassen und dadurch die Wetterdynamik der Erdatmosphäre bestimmen. Tatsächlich handelt es sich dabei eher um eine großskalige Modellvorstellung, da ein umfassendes Gesamtverständnis durch die meteorologische Forschung noch nicht erreicht wurde.
  
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Wesentliche Energiequelle für die Bewegung der Luftmassen ist die Sonne, die den äquatornahen Regionen der Erde viel Energie pro Fläche zuführt, den polaren Regionen wenig. Für den Zeitpunkt der Tag-und-Nacht-Gleiche, ergibt sich für die Nordhalbkugel folgende Situation:  
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===Die ITC===
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Die ITC (innertropische Konvergenzzone) ist eine den Erdball umfassende Tiefdruckrinne am Äquator, in der die Passatwinde von Norden und Süden zusammenströmen (konvergieren). Da die horizontale Luftbewegung hier in eine vertikale Luftbewegung übergeht herrscht hier häufig Flaute (Windstille).
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Die ITC ist vom Zenitalstand der Sonne abhängig. Sie wandert daher im Laufe des Jahres und verschiebt dadurch auch die anderen Bereiche des Windsystems
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===Die Hadley-Zelle===
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Beim Aufsteigen kühlt die feuchtwarme Luft mit zunehmender Höhe ab. Am oberen Ende der Troposphäre in etwa 16 Kilometer Höhe, strömt sie wegen des vergleichsweise hohen Luftdrucks in Richtung Norden. Dabei kühlt die Luft weiter ab, gewinnt so an Dichte und verliert dadurch an Höhe. Durch die herabfallenden Luftmassen erhöht sich in Bodennähe der Luftdruck, es bildet sich der subtropische Hochdruckgürtel, der sich im Mittel bei etwa 30°N befindet. Von hier aus folgt die Luft dem Druckgefälle und strömt zurück in den Bereich des Zenitalstands der Sonne. So bildet sich ein großräumiger Luftkreislauf, der als Hadley-Zelle bezeichnet wird.
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===Die Polare Zelle===
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Am Pol bildet sich wegen der niedrigen Lufttemperaturen ein stabiles Hochdruck-Gebiet. Polare Luftmassen, die den Polarkreis erreichen, haben sich so weit erwärmt, dass sie aufsteigen. Auch die Polarzelle besteht aus einem Kreislauf mit entsprechender Gegenströmung in der Höhe. Auf dem Weg zum Pol kühlt die Luft immer weiter ab und sinkt durch die zunehmende Dichte ab. Diese absinkenden Luftmassen werden durch ein Druckgefälle in Richtung des Äquators beschleunigt. Dieses Druckgefälle wird auch als Druck-Gradient bezeichnet, die beschleunigende Kraft dementsprechend als Gradientkraft.
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===Ferrel-Zelle===
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Zwischen den beiden gleichläufigen Systemen Hadley- und Polarzelle, passt ein drittes, gegenläufiges System; ähnlich dem Ineinandergreifen von Zahnrädern. Dort wird in Bodennähe warme Luft polwärts verlagert. Diese Zelle ist die instabilste; auf rund 60° bis 70° geographischer Breite trifft die feuchtwarme, subtropische Luft auf kalte, polare Luftmassen. Hier entstehen viele Turbulenzen. Die äquatorseitige Grenze liegt bei rund 35° Breite.
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Die Ferrel-Zelle wird maßgeblich durch die Gradientkraft angetrieben, die vom subtropischen Hochdruckgürtel zur subpolaren Tiefdruckrinne wirkt.
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In der Höhe bildet sich ebenfalls ein Ausgleichswind, so dass auch die Ferrel-Zelle einen geschlossen Luftstrom bildet.
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'''Eine verfeinertes Modell der globalen Zirkulation'''
  
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===Die Hadley-Zelle===
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Karte 1: Verfeinertes Modell der globalen Zirkulation.<br />
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* Erläutere die Entstehung der Hadley-Zelle!
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Der wichtigste Antrieb der Zirkulation ist die sogenannte Hadley-Zelle. Sie wird durch die intensive Sonneneinstrahlung in Äquatornähe angetrieben.
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'''Eine verfeinertes Modell der globalen Zirkulation'''
  
[[File:ITC (nn).PNG|thumb|right|430px|Die Hadley-Zelle wird durch aufsteigende Luftmassen angetrieben.]]
 
Für den Fall, dass die Sonne am Äquator im Zenit steht ergibt sich für die Nordhalbkugel folgende Situation: <br />
 
Beim Aufsteigen kühlt die Luft mit zunehmender Höhe ab. Am oberen Ende der Troposphäre in etwa 16 Kilometer Höhe, strömt sie wegen des vergleichsweise hohen Luftdrucks in Richtung Norden. Dabei kühlt die Luft weiter ab, gewinnt so an Dichte und verliert an Höhe. Durch die herabströmenden Luftmassen erhöht sich in Bodennähe der Luftdruck, es bildet sich der subtropische Hochdruckgürtel, der sich im Mittel bei etwa 30°N befindet. Von hier aus folgt die Luft dem Druckgefälle und strömt zurück in die äquatornahe Tiefdruckrinne, im Bereich des Zenitalstands der Sonne, zurück. Die dort aus nördlichen und aus südlichen Richtungen zusammentreffenden Luftmassen bilden die Innertropische Konvergenzzone (ITC). So bildet sich ein großräumiger Luftkreislauf, der als Hadley-Zelle bezeichnet wird.<br />
 
Die ITC folgt im Laufe des Jahres Zenitalstand der Sonne, die Hadley-Zelle verschiebt sich dem entsprechend mit.
 
  
  
===Die Polare Zelle===
 
Am Pol bildet sich wegen der niedrigen Lufttemperaturen ein stabiles Hochdruck-Gebiet. Weiter südlich erwärmt sich die Luft schneller. Die warme Luft steigt auf, bis sie den Rand der Troposphäre erreicht, die in Polnähe nur eine Höhe von ca. 8 km besitzt. Die Luft breitet sich aufgrund des vergleichsweise hohen Luftdrucks nach norden und Süden aus. Auf dem Weg zum Pol kühlt die Luft immer weiter ab und sinkt durch eine höhere Dichte ab. Diese absinkenden polaren Luftmassen werden durch ein Druckgefälle südwärts beschleunigt. Dieses Druckgefälle wird als Druck-Gradient bezeichnet, die beschleunigende Kraft dem entsprechend als Gradientkraft.
 
  
===Ferrel-Zelle===
 
Die Ferrel-Zelle wird durch die Gradientkraft angetrieben, die vom subtropischen Hochdruckgürtel zur subpolaren Tiefdruckrinne wirkt. Sie ist weniger stabil als die Hadley-Zelle oder die Polare Zelle. <br />
 
In der Höhe bildet sich ebenfalls ein Ausgleichswind, so dass auch die Ferrel-Zelle (zumindest theoretisch) einen geschlossen Luftstrom bildet.
 
  
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Es gibt ein gutes [http://youtu.be/k8C2m78sAmc Video], das die Entstehung der drei wichtigen Zellen erläutert.
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Die Schüler können
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* die Entstehung der Hadley-Zelle erläutern
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* die Entstehung der Polarzelle erläutern
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* die Ferrel-Zelle beschreiben
 +
* die Gradientkraft beschreiben

Aktuelle Version vom 3. November 2013, 22:32 Uhr


Wie hängen die Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erde mit der Entstehung von Winden zusammen?

Inhaltsverzeichnis

Vorlauf: Test

Kurzer Test zum Inhalt der vergangenen Stunde.

Einstieg

ein Windflüchter

Wir haben uns in der letzten Woche mit der Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erde beschäftigt. In der Woche zuvor haben wir uns mit einem lokalen Wind-System beschäftigt.

Wie hängen diese beiden Phänomene zusammen?

Lässt sich das Prinzip des Seewindes auf globale Maßstäbe übertragen?

Erarbeitung

Klima, das

beschreibt die für einen Raum typischen Zustände der Atmosphäre. Es werden jeweils Mittel- und Extremwerte für Zeiträume von 30 Jahren erfasst. Dabei werden unter anderem Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit sowie Windgeschwindigkeit und -richtung gemessen.

Wie sähe ein Wind-System aus, wenn wir davon ausgehen, dass sich das Prinzip des See-Windes auf einen globalen Maßstab übertragen ließe?


Nuvola Stift.png   Aufgabe

Welche Folgen hätte das für das Klima in Deutschland?
Aus welcher Richtung müsste demnach hier in Deutschland der Wind hauptsächlich wehen?

Eine Windkarte der mittleren Breiten zeigt jedoch ein anderes Bild. Der Wind weht überwiegend aus süd-westlichen Richtungen.

Die Ursache für die von der Theorie abweichenden Luftströmungen ist bei genauerer Betrachtung zu verstehen.


Die globale Zirkulation

Die globale Zirkulation, (auch planetare oder atmosphärische Zirkulation genannt), bezeichnet atmosphärische Zirkulationssysteme, die große Teile des Erdballs umfassen und dadurch die Wetterdynamik der Erdatmosphäre bestimmen. Tatsächlich handelt es sich dabei eher um eine großskalige Modellvorstellung, da ein umfassendes Gesamtverständnis durch die meteorologische Forschung noch nicht erreicht wurde.

Wesentliche Energiequelle für die Bewegung der Luftmassen ist die Sonne, die den äquatornahen Regionen der Erde viel Energie pro Fläche zuführt, den polaren Regionen wenig. Für den Zeitpunkt der Tag-und-Nacht-Gleiche, ergibt sich für die Nordhalbkugel folgende Situation:

Die ITC

Die ITC (innertropische Konvergenzzone) ist eine den Erdball umfassende Tiefdruckrinne am Äquator, in der die Passatwinde von Norden und Süden zusammenströmen (konvergieren). Da die horizontale Luftbewegung hier in eine vertikale Luftbewegung übergeht herrscht hier häufig Flaute (Windstille). Die ITC ist vom Zenitalstand der Sonne abhängig. Sie wandert daher im Laufe des Jahres und verschiebt dadurch auch die anderen Bereiche des Windsystems

Die Hadley-Zelle

Beim Aufsteigen kühlt die feuchtwarme Luft mit zunehmender Höhe ab. Am oberen Ende der Troposphäre in etwa 16 Kilometer Höhe, strömt sie wegen des vergleichsweise hohen Luftdrucks in Richtung Norden. Dabei kühlt die Luft weiter ab, gewinnt so an Dichte und verliert dadurch an Höhe. Durch die herabfallenden Luftmassen erhöht sich in Bodennähe der Luftdruck, es bildet sich der subtropische Hochdruckgürtel, der sich im Mittel bei etwa 30°N befindet. Von hier aus folgt die Luft dem Druckgefälle und strömt zurück in den Bereich des Zenitalstands der Sonne. So bildet sich ein großräumiger Luftkreislauf, der als Hadley-Zelle bezeichnet wird.

Windrichtung

bezeichnet die Richtung, aus der ein Wind weht. So weht ein Nordwind aus Richtung Norden und transportiert (auf der Nordhalbkugel) kalte Luft.

Die Polare Zelle

Am Pol bildet sich wegen der niedrigen Lufttemperaturen ein stabiles Hochdruck-Gebiet. Polare Luftmassen, die den Polarkreis erreichen, haben sich so weit erwärmt, dass sie aufsteigen. Auch die Polarzelle besteht aus einem Kreislauf mit entsprechender Gegenströmung in der Höhe. Auf dem Weg zum Pol kühlt die Luft immer weiter ab und sinkt durch die zunehmende Dichte ab. Diese absinkenden Luftmassen werden durch ein Druckgefälle in Richtung des Äquators beschleunigt. Dieses Druckgefälle wird auch als Druck-Gradient bezeichnet, die beschleunigende Kraft dementsprechend als Gradientkraft.

Ferrel-Zelle

Zwischen den beiden gleichläufigen Systemen Hadley- und Polarzelle, passt ein drittes, gegenläufiges System; ähnlich dem Ineinandergreifen von Zahnrädern. Dort wird in Bodennähe warme Luft polwärts verlagert. Diese Zelle ist die instabilste; auf rund 60° bis 70° geographischer Breite trifft die feuchtwarme, subtropische Luft auf kalte, polare Luftmassen. Hier entstehen viele Turbulenzen. Die äquatorseitige Grenze liegt bei rund 35° Breite. Die Ferrel-Zelle wird maßgeblich durch die Gradientkraft angetrieben, die vom subtropischen Hochdruckgürtel zur subpolaren Tiefdruckrinne wirkt. In der Höhe bildet sich ebenfalls ein Ausgleichswind, so dass auch die Ferrel-Zelle einen geschlossen Luftstrom bildet.


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Das globale Windsystem I: Nord-Süd (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Das_globale_Windsystem_I:_Nord-S%C3%BCd)

Eine verfeinertes Modell der globalen Zirkulation







Earth (orthographic projection).png


Karte 1: Verfeinertes Modell der globalen Zirkulation.
Eigene Bearbeitung nach: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:African_Union_(orthographic_projection).svg


Nuvola Stift.png   Aufgabe 1
  • Erläutere die Entstehung der Hadley-Zelle!
  • Zeichne die zugehörigen, bodennahen Hoch- und Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel in die Karte ein!
  • Zeichne die resultierende Luft-Zirkulation ein!
Nuvola Stift.png   Aufgabe 1.1

Erläutere die Entstehung der äquatorialen Tiefdruckrinne!


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Das globale Windsystem I: Nord-Süd (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Das_globale_Windsystem_I:_Nord-S%C3%BCd)

Eine verfeinertes Modell der globalen Zirkulation







Earth (orthographic projection).png


Karte 1: Verfeinertes Modell der globalen Zirkulation.
Eigene Bearbeitung nach: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:African_Union_(orthographic_projection).svg


Nuvola Stift.png   Aufgabe 2
  • Erläutere die Entstehung der Ferrel-Zelle!
  • Zeichne die zugehörigen, bodennahen Hoch- und Tiefdruckgebiete auf de Nordhalbkugel in die Karte ein!
  • Zeichne die resultierende Luft-Zirkulation ein!
Nuvola Stift.png   Aufgabe 2.1

Erkläre die Bezeichnung der Windrichtung!


Eine verfeinertes Modell der globalen Zirkulation







Earth (orthographic projection).png


Karte 1: Verfeinertes Modell der globalen Zirkulation.
Eigene Bearbeitung nach: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:African_Union_(orthographic_projection).svg


Nuvola Stift.png   Aufgabe 3
  • Erläutere die Entstehung der Polaren Zelle!
  • Zeichne die zugehörigen, bodennahen Hoch- und Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel in die Karte ein!
  • Zeichne die resultierende Luft-Zirkulation ein!
Nuvola Stift.png   Aufgabe 3.1

Erkläre die Ursache der Gradientkraft!


CC-BY-SA-icon-80x15.pngQuelle: zum.de Das globale Windsystem I: Nord-Süd (https://wiki.zum.de/wiki/Europa_im_Blick/Das_globale_Windsystem_I:_Nord-S%C3%BCd)

Es gibt ein gutes Video, das die Entstehung der drei wichtigen Zellen erläutert.


Nuvola Stift.png   Aufgabe Hausaufgabe

Erkläre, warum es in der ITC täglich zu ergiebigen Niederschlägen kommt!

Der Blick auf die Erde aus dem Weltall
Die innertropische Konvergenzzone ist an einem Wolkenband gut zu erkennen.

Ziele

Die Schüler können

  • die Entstehung der Hadley-Zelle erläutern
  • die Entstehung der Polarzelle erläutern
  • die Ferrel-Zelle beschreiben
  • die Gradientkraft beschreiben