Das globale Windsystem I: Nord-Süd

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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?

Welche Konsequenzen hätte das für das Klima in Deutschland?

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.


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



Die globale Zirkulation

Die Hadley-Zelle wird durch die Sonnenstrahlung angetrieben.

Die globale Zirkulation, (auch allgemeine, planetare oder atmosphärische Zirkulation genannt), ist eine Sammelbezeichnung für atmosphärische Zirkulationssysteme, die große Teile des Erdballs umfassen und die Wetterdynamik der Erdatmosphäre bestimmen. Genauer gesagt handelt es sich 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. Die warme Luft an den Tropen steigt auf, am Boden bildet sich ein Tief, in großer Höhe über dieser Tiefdruckrinne bildet sich ein Hoch. Die kalte Luft an den Polen sinkt auf die Erdoberfläche ab. So entsteht dort das Polarhoch und in größerer Höhe ein Tiefdruckgebiet.

Für den Fall, dass die Sonne am Äquator im Zenit steht, ergibt sich für die Nordhalbkugel folgende Situation:

Die ITC

Die ITC (innertropische Konvergenzzone) ist die 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. Das schnelle Aufsteigen feuchtwarmer Luftmassen führt jedoch ziemlich oft zu Gewittern.

Die Hadley-Zelle

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 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 die äquatornahe Tiefdruckrinne, im Bereich des Zenitalstands der Sonne, zurück. So bildet sich ein großräumiger Luftkreislauf, der als Hadley-Zelle bezeichnet wird.

Die ITC folgt im Laufe des Jahres Zenitalstand der Sonne, die Hadley-Zelle verschiebt sich dem entsprechend mit.

Ferrel-Zelle

Windrichtung, die

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

Zwischen den beiden gleichläufigen Systemen Hadley- und Polarzelle, passt ein drittes, gegenläufiges System; nicht unähnlich dem Ineinandergreifen von Zahnrädern. Dort wird in Bodennähe warme Luft polwärts verlagert. Diese Zelle ist die instabilste, weil auf rund 60° bis 70° geographischer Breite die feuchtwarme, subtropische Luft auf kalte, polare Winde treffen. An diesem Punkt bilden sich 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 (zumindest theoretisch) einen geschlossen Luftstrom bildet.

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.



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!



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!



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!



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