Die Sonnenenergie ist die Antriebskraft für sämtliche Mechanismen in der Atmosphäre. Das beginnt bei so kleinräumigen Erscheinungen wie der Entstehung von Thermik, geht weiter mit Berg- und Talwindsystemen und führt über die Vorgänge in Hoch- und Tiefdruckge-bieten zur grossräumigen atmosphärischen Zirkulation. Das Zauberwort, mit welchem die Meteorologen diese Vorgänge benennen, heisst "thermisch direkte Zirkulation".
 Im Satellitenbild der Erde sind die Zirkulationszellen erkennbar. Die Sahara liegt im nördlichen, die Kalahariwüste im südlichen, subtropischen Hochdruckgürtel. Dazwischen ist der tropische Tiefdruckgürtel zu erkennen. Zwischen Afrika und der Antarktis, die sich im polaren Hochdruckgebiet befindet, sind einige Wirbel des polaren Tiefdruckgürtels zu erkennen. |
"Dort, wo die Sonne den Hang am stärksten aufheizt, dort steigt die Luft auf", erklärte mal ein Streckenflugprofi beim Briefing. "Das ist dort, wo die Schatten am kürzesten sind. Dort suche die Thermik! Denn dort scheint die Sonne am direktesten in den Hang und liefert am meisten Strahlungsenergie, mit der sie den Boden und damit auch die Luft aufheizt." Eine einfache Regel. Vermutlich hatte der Altmeister nicht geahnt, dass der Kern dieser Regel nicht nur lokal für die Thermik, sondern global für die gesamte Atmosphäre gilt.
Äquator wird stärker
als die Pole aufgeheizt
Infolge der Kugelgestalt der Erde erhalten nicht alle Regionen gleich viel
Sonnenenergie. Am Äquator steigt die Sonne senkrecht in den Himmel und heizt den Boden
kräftig auf. Damit werden auch die untersten Luftschichten erwärmt. Bei den Polen
hingegen steigt die Sonne nur wenig über den Horizont und kann den Boden, auch wenn sie
im Sommer 24 Stunden lang scheint, nur wenig erwärmen. Es entsteht ein starker
Temperaturkontrast zwischen den warmen äquatorialen Gebieten und den kalten polaren
Regionen. Damit sich dieser Kontrast nicht immer weiter verstärkt, muss ein Austausch
zwischen den unterschiedlichen Luftmassen stattfinden.
Die ungleichmässige Temperaturverteilung ist verantwortlich für die Druckverteilung auf der Erdoberfläche und damit auch für die auftretenden Winde. Abbildung 1 (PDF) zeigt schematisch die Vorgänge, die bei Temperaturänderungen ablaufen. Gehen wir einmal davon aus, dass über einem grösseren Gebiet am Anfang horizontal überall die gleiche Temperatur
herrscht. Die Flächen gleichen Luftdrucks liegen dann alle parallel übereinander. Wird die Luftmasse erwärmt, so dehnt sie sich aus und vergrössert ihr Volumen. Damit nimmt aber ihre Dichte ab. Da sie sich nur vertikal ausdehnen kann, wird Luft nach oben transportiert, so dass in der Höhe der Luftdruck steigt. Dieses ist in Abbildung 1a (PDF) durch die Anhebung der Linien gleichen Luftdrucks (Isobaren), die mit p bezeichnet sind, dargestellt. Wenn sich umgekehrt eine Luftmasse abkühlt, zieht sie sich zusammen. Damit verkleinert sich ihr Volumen und ihre Dichte nimmt zu. Die Luftmasse schrumpft vertikal, und über den Massenverlust kommt es in der Höhe zu einem Druckfall. Die Linien gleichen Luftdrucks sinken ab. Am Boden bleibt der Druck unverändert, da die Gesamtmasse der Luftsäule erhalten bleibt.
In Abbildung 1b (PDF) ist dargestellt, was passiert, wenn Erwärmung und Abkühlung nebeneinander verlaufen. Es entsteht ein mit der Höhe zunehmendes Druckgefälle vom Gebiet der stärksten Erwärmung zum Gebiet der stärksten Abkühlung. Die Luftteilchen werden mit der Höhe zunehmend in Richtung des Druckgefälles beschleunigt und bewegen sich vom Erwärmungs- zum Abkühlungsgebiet (dargestellt anhand der Pfeile). Der Wind weht immer vom hohen zum tiefen Luftdruck. Da das Druckgefälle mit der Höhe zunimmt, weht der horizontale Wind in der Höhe stärker.
Thermisch direkte
Zirkulation
Als Folge dieser Konstellation strömt die Luft im Abkühlungsgebiet zusammen, so
dass dort der Luftdruck in allen Höhen steigen muss. Dadurch wird das vorhandene
Druckgefälle in der Höhe reduziert und gleichzeitig am Boden ein Druckgefälle
aufgebaut. Der Wind transportiert am Boden die kalte Luft in Richtung der warmen Luft (Abbildung 1c (PDF). Aus
den horizontalen Luftbewegungen entstehen auch Vertikalbewegungen. Über dem
Erwärmungsgebiet fliesst die Luft am Boden zusammen und in der Höhe auseinander. Dies
hat eine von unten nach oben gerichtete Vertikalbewegung und damit ein Aufsteigen der
Luftteilchen zur Folge. Absinkbewegungen treten mit dem Zusammenströmen der Luft in der
Höhe und dem Auseinanderfliessen der Luft am Boden über dem Abkühlungsgebiet auf. So
entsteht eine in sich geschlossene Bewegung der Luft, die versucht, die entstandenen
Temperaturunterschiede auszugleichen. In der Meteorologie spricht man bei einer solchen
Anordnung, in der die Warmluft angehoben und die Kaltluft abgesenkt wird, von einer
thermisch direkten Zirkulation. Da die leichtere Warmluft gegenüber der schweren
Kalt-luft angehoben wird, sinkt der Schwerpunkt des ganzen Systems ab. Die so entstehende
Energie ist der Antrieb für alle atmosphärischen Luftbewegungen von der kleinräumigen
Zirkulation eines Berg-/Talwind-Systems über die grossräumigen Bewegungen der Tief- und
Hochdruckgebiete bis hin zur allgemeinen Zirkulation der Erde.
Allgemeine Zirkulation
Genau auf diese globale atmosphärische Zirkulation wollen wir uns im Folgenden
konzentrieren. Wegen der Kugelform der Erde erwärmt sich die Erdoberfläche nicht
gleichmässig. Die äquatornahen Gebiete erhalten jährlich etwa doppelt so viel
Sonnenenergie wie die polaren Regionen. Damit ergibt sich am Äquator ein
Wärmeüberschuss gegenüber den Polen, der eine thermisch direkte Zirkulation in Gang
setzt. Würde sich die Erde nicht um ihre eigene Achse drehen, entstünde die in Abbildung 2 (PDF)
gezeigte Anordnung mit tiefem Luftdruck über dem Äquator und hohem Luftdruck über den
Polen. Bei einem solchen Strömungsregime wäre das Wetter auf der Erde jeden Tag gleich.
Die Erdrotation bringt aber Dynamik in das System. Durch die Drehung der Erde um ihre eigene Achse entsteht eine ablenkende Kraft auf die Luftteilchen, die nach ihrem Entdecker, dem französischen Mathematiker G. Coriolis, Corioliskraft genannt wird. Sie führt dazu, dass die Winde aus ihrer ursprünglichen Richtung auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt werden. Die wirkliche grossräumige Zirkulation besteht deshalb aus mehreren rotierenden Zellen, wie sie in Abbildung 3 (PDF) dargestellt sind.
Im Bereich des äquatorialen Tiefdruckgürtels steigt warme, tropische Luft auf. Dieses führt zu Wolken und Niederschlagsbildung. In der Höhe fliesst die Luft dann nach Norden und Süden ab und kühlt dabei allmählich aus. Im Bereich des 30. geographischen Breitengrades sinkt die Luft wieder in Richtung Erdboden, der subtropische Hochdruckgürtel entsteht. Er ist gekennzeichnet durch niederschlagsarme Gebiete oder Wüsten.
Umgekehrt fliesst an den Polen in den bodennahen Luftschichten kalte Luft in Richtung des Äquators. Auf ihrem Weg nach Süden bzw. Norden erwärmt sich die Luft und steigt demzufolge bei etwa 60 Grad geographischer Breite auf. In diesem Bereich, bilden sich die polaren Tiefdruckgebiete.
Die Verbindung zwischen der tropischen und der polaren thermisch direkten Rotationszelle wird durch die Rotationszelle der mittleren Breiten gebildet. Diese hat im Bereich des subtropischen Hochdruckgürtels ihren absinkenden Ast und im Bereich des polaren Tiefdruckgürtels ihren aufsteigenden Ast (Abbildung 3 PDF).
Jahreszeitliche
Schwankungen
Die jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung an einem festen Punkt
der Erdoberfläche führt dazu, dass das System der Rotationszellen nicht stationär ist.
Wegen der Neigung der Umlaufbahnebene der Erde um die Sonne gegenüber der Äquatorebene
erreicht die Sonne zu den verschiedenen Jahreszeiten an einem Punkt unterschiedliche
Höhen über dem Horizont. Der Unterschied zwischen dem Minimalwert im Winter und dem
Maximalwert im Sommer beträgt rund 47 Grad. Dadurch fallen die Sonnenstrahlen
unterschiedlich schräg auf die Erdoberfläche und heizen den Boden unterschiedlich stark
auf. Zudem ändert sich mit dem Sonnenstand auch die Länge der Tage und damit die Dauer
der Sonneneinstrahlung.
Im Sommer der Nordhemisphäre verlagert sich der äquatoriale Tiefdruckgürtel dem Sonnenhöchststand folgend nach Norden. Dadurch werden auch der subtropische Hochdruckgürtel und der polare Tiefdruckgürtel nach Norden verschoben. Im Winter verlagern sich die drei Systeme weiter nach Süden.
Europa liegt im Grenzbereich zwischen polarem Tiefdruckgürtel und subtropischem Hochdruckgürtel. Da Südeuropa im Sommer voll in den Einflussbereich der subtropischen Hochdruckgebiete kommt, gibt es dort zu dieser Jahreszeit ausgeprägte Trockenperioden. Die Hauptniederschläge fallen im Winter, wenn diese Gebiete in den Grenzbereich des Einflusses der polaren Tiefdruckgebiete kommen. Mitteleuropa und damit auch die Schweiz liegen im Winter voll im Einfluss der polaren Tiefdruckgebiete, was zu dem wechselhaften Wetter führt. Im Sommer kann sich das subtropische Hochdruckgebiet (Azorenhoch) teilweise bis in den Alpenraum ausdehnen, wodurch längere Schönwetterperioden entstehen.
Während dieser Schönwetterperioden gibt es ausreichend Gelegenheit, die kleinräumige Form der thermisch direkten Zirkulation, nämlich die Thermik, fliegerisch auszukundschaften.
Norbert Raderschall
