Atmosphärische Zirkulation

Um die Erde herum gibt es eine Lufthülle, die die Erde ummantelt und als Atmosphäre bezeichnet wird. In dieser Lufthülle passieren alle möglichen physikalischen und chemischen Prozesse. Ein wichtiger Begriff hierbei ist die atmosphärische Zirkulation. Sie beschreibt die Strömungssysteme der Luft.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Atmosphärische Zirkulation – Definition

    Die atmosphärischen Zirkulation, auch planetarische Zirkulation genannt, beschreibt alle Windzirkulationssysteme und infolgedessen alle vertikalen und horizontalen Luftbewegungen auf der Erde. Hierzu zählen auch alle globalen Windsysteme.

    Die atmosphärische Zirkulation ist ein Sammelbegriff für alle atmosphärische Zirkulationssysteme, die die Erde umfassen. Durch ihre Wechselwirkungen bestimmen sie die globalen Windsysteme und Wetterdynamiken.

    Insbesondere handelt es sich um eine Modellvorstellung auf einer globalen Skala, und geht nicht näher auf lokale Wetterbedingungen ein.

    Du möchtest mehr über das Wetter und die Atmosphäre erfahren? Auch dazu haben wir Erklärungen für dich!

    Atmosphärische Zirkulation – Erklärung

    Um die atmosphärische Zirkulation zu verstehen, muss man zunächst die physikalischen Prozesse verstehen, die dem zugrunde liegen: die Entstehung der Hoch- und Tiefdruckgebiete. Diese verursachen nämlich die Winde, die die planetarische Zirkulation mitbegründen.

    Die Entstehung der Hoch- und Tiefdruckgebiete

    Der Wind entsteht durch Hoch- und Tiefdruckgebiete, die wiederum durch die Einstrahlung der Sonne zustande kommen.

    Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Gase wiederum sind nichts anderes als ganz viele Teilchen, die so klein sind, dass wir sie nicht sehen können. Diese Teilchen nennt man auch Moleküle.

    Wenn Luft erwärmt wird, dehnt sie sich aus und wird dadurch dünner und leichter. Das liegt daran, dass sich die Teilchen durch die Erwärmung stärker bewegen, und so der Abstand zwischen ihnen größer wird. Da folglich weniger Luftteilchen im gleichen Raum sind, ist warme Luft leichter. Sie steigt also nach oben.

    Der Prozess der warmen Luft, die aufsteigt, kannst du dir wie bei dem Prinzip einer Heizung vorstellen.

    Wenn warme Luft also aufsteigt und leichter wird, dann sinkt der Luftdruck am Boden. Es entsteht ein Tiefdruck in Bodennähe. Kalte Luft hingegen ist schwerer, da mehr Teilchen auf einem Raum sind, und der Luftdruck am Boden steigt. So entsteht also Hochdruck in Bodennähe.

    Die Luft erwärmt sich an verschiedenen Orten der Welt unterschiedlich. So entstehen auch unterschiedlichen Hoch- und Tiefdruckgebiete.

    Mehr über Hoch- und Tiefdruckgebiete erfährst du in einer separaten Erklärung dazu.

    Die Entstehung von Winden

    Die Druckunterschiede zwischen Hochdruck- und Tiefdruckgebiete gleicht der Wind wieder aus. Er strömt immer vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet.

    Da, wo warme Luft aufsteigt, strömt als Ausgleich kalte Luft hin. Je größer der Temperaturunterschied ist, umso schneller weht der Wind.

    Atmosphärische Zirkulation – Einfach erklärt

    Der Wind entsteht also durch Hoch- und Tiefdruckgebiete. Am Äquator entsteht ein Tiefdruckgebiet, da hier die Sonneneinstrahlung am höchsten ist. Dieses Tiefdruckgebiet, das rund um den Äquator entsteht, nennt man auch die äquatoriale Tiefdruckrinne oder die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ).

    Die Innertropische Konvergenzzone (engl.: Innertropical Convergence Zone) ist die Zone der Erde, wo die Sonneneinstrahlung am höchsten ist. Sie bildet eine Tiefdruckzone rund um den Äquator.

    Der Bereich der ITCZ ist durch die äquatoriale Tiefdruckrinne gekennzeichnet, in der der Nordost- und der Südostpassat zusammenströmen beziehungsweise konvergieren.

    Wichtig hierbei ist, dass die äquatoriale Tiefdruckrinne wandert:

    Die Erdachse ist um 23.5° zur Sonne geneigt. Wegen der Neigung ist die höchste Sonneneinstrahlung über den Jahresverlauf immer an unterschiedlichen Stellen. Die äquatoriale Tiefdruckrinne wandert also über das Jahr zwischen 23.5°N und 23.5°S. Diese Breitengrade werden auch deshalb Wendekreise der Sonne genannt.

    Die Sonneneinstrahlung an den Polen ist am niedrigsten, und es entsteht ein Hochdruckgebiet. Am Äquator ist die Luft also warm, und an den Polen kalt. Es entsteht ein thermisches Ungleichgewicht und Luftdruckunterschiede. Diese Wärmeüberschüsse und -defizite werden durch Ausgleichsströmungen ausgeglichen. Und der Wind strömt immer vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet.

    Da die Erde sich aber dreht, werden diese Winde abgelenkt. Die Ablenkung der Winde nennt man auch Corioliskraft.

    Durch die Corioliskraft wird die Luft auf der Nordhalbkugel nach rechts, und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt.

    Die Corioliskraft bewirkt schlussendlich, dass drei Zirkulationssysteme bzw. Zellen entstehen.

    Wenn die Luft am Äquator aufsteigt, entsteht am Boden ein Tiefdruckgebiet, und in der Höhe ein Hochdruckgebiet.

    Auf der Nordhalbkugel sähe es zum Beispiel so aus, dass die Luft Richtung Nordpol strömen würde. Auf dem Weg dahin wird sie wegen der Corioliskraft nach rechts abgelenkt, und die Luft erreicht nicht den Nordpol, sondern sinkt.

    Durch die unterschiedlichen Hoch- und Tiefdruckgebiete auf dem Planeten entstehen Windsysteme, um das thermische Ungleichgewicht auszugleichen. Wegen der Erdumdrehung bzw. der Corioliskraft werden diese Winde abgelenkt, entsteht dann das komplexe globale Windsystem, das wir die atmosphärische Zirkulation nennen.

    Genauer gesagt entstehen diese drei Zirkulationssysteme bzw. Zellen: die Hadley-Zelle, die Ferrel-Zelle und die Polar-Zelle.

    Diese Zirkulationssysteme werden als Zellen bezeichnet, da Zellen einen in sich abgeschlossenen Kreislauf darstellen, in diesen Fällen sind es abgeschlossene Luftströmungszirkulationen.

    Atmosphärische Zirkulation – Globales Windsystem

    Die globalen Winde werden in drei Zellen unterteilt, die jeweils ein eigenes Zirkulationssystem bilden.

    • Die Hadley-Zelle befindet sich jeweils zwischen 0° und 30° Nord bzw. Süd.
    • Die Ferrel-Zelle befindet sich jeweils zwischen 30° und 60° Nord bzw. Süd.
    • Die Polar-Zelle befindet sich jeweils zwischen 60° und Nord- bzw. Südpol.

    Auf jeder Halbkugel gibt es also dieselben Zellen, da bei der Einordnung immer vom Äquator ausgegangen wird.

    Hadley-Zelle

    In Äquatornähe (bei 0°) erwärmt sich die Luft also und steigt auf. Dort, wo die warme Luft aufgestiegen ist, ist jetzt am Boden ein Tiefdruck entstanden. In der Höhe herrscht wiederum hoher Druck.

    In der Höhe strömt die Luft jedoch irgendwann nicht mehr weiter nach oben, sondern nach Norden bzw. Süden. Durch das Strömen nach Norden/Süden kühlt die Luft weiter ab. Da kalte Luft schwer ist, verliert sie an Höhe, und die Luftschicht sinkt. In Bodennähe entsteht ein Hochdruckgebiet. Das passiert bei ca. 30°, und wird wegen des hohen Luftdrucks auch der subtropische Hochdruckgürtel genannt.

    Die Luft am Hochdruckgebiet (30°) strömt in Richtung des Tiefdruckgebiets (0°), da sich die Druckunterschiede ausgleichen. So wird die Zelle also geschlossen und der Kreislauf beginnt von neu.

    Aus Norden und Süden treffen zudem die Luftströmungen am Äquator wieder zusammen. So wird die Luft zum Aufstieg gezwungen. Die Luftströmungen am Boden nennt man auch Passatwinde. Durch die Erdumdrehung kommen die Winde aus dem Osten und werden nach Westen abgelenkt – deshalb nennt man sie auch Nordostpassat und Südostpassat.

    Eine besondere Form des Südostpassats ist der Monsun.

    Mehr über den Wind und den Monsun erfährst du in unserer Erklärung dazu.

    In der Höhe wehen die sogenannten Antipassate: Die Winde, die in die genau entgegensetzte Richtung der bodennahen Passatwinden strömen.

    Polar-Zelle

    Kalte, trockene Luftmassen sinken über die Polarregionen (bei 90°) ab. Dadurch wird der Luftdruck am Boden erhöht. In Bodennähe strömen dann diese Luftmassen wieder Richtung Äquator, wobei sie auch hier durch die Corioliskraft nach Westen abgelenkt werden. Diese Winde nennt man auch die polaren Ostwinde.

    Etwa am 60. Breitengrad haben sie sich genügend erwärmt, und sie steigen wieder auf. In der Höhe hören sie irgendwann auf zu steigen, und sie strömen wieder zurück zu den Polarregionen, sodass der Kreislauf von neu beginnt.

    Ferrel-Zelle

    Weil ab 60° Luft aufsteigt und bei 30° Grad Luft absinkt, bildet sich in dem Gebiet dazwischen eine weitere Zirkulation. Hier strömt die Luft am Boden pol- und ostwärts. Das heißt, dass der Wind aus dem Westen kommt. Auch Deutschland ist geprägt von diesem sogenannten Westwinddrift bzw. der Westwindzone.

    Diese Zelle wird also vielmehr von den benachbarten Zirkulationssystemen angetrieben, und ist nicht unbedingt thermisch bedingt. Die Ferrel-Zelle verbindet die tropische Hadley-Zelle mit der Polar-Zelle, und wird auch die außertropische Zirkulation genannt.

    Hier treffen aber die feuchtwarmen Westwinde auf polare Ostwinde – sie konvergieren.

    Atmosphärische Zirkulation und Klimazonen

    Die atmosphärische Zirkulation spielt eine essenzielle Rolle bei der Beeinflussung von Klimazonen.

    Die Klimazonen der Erde

    Es wird grob unterschieden in: Äquatorialklima, tropisches Wechselklima, trockenes Passatklima, Winterregenklima der Westseiten, Seeklima der Westseiten, Subpolares Klima und polares Klima.

    Äquatorialklima, tropisches Wechselklima und trockenes Passatklima

    Diese drei Klimazonen befindet sich zwischen 0° und 30°, also liegen diese drei in der Hadley-Zelle und werden von Passatwinden und der ITCZ beeinflusst.

    Alle drei Klimazonen weisen aufgrund ihrer Nähe zum Äquator hohe Temperaturen auf. Das äquatoriale Klima ist geprägt von tropischen Regenwäldern, da es wegen der hohen Temperaturen und der feuchten Luft das ganze Jahr über stark regnet. Das tropische Wechselklima ist hingegen stärker von den trockenen Passatwinden geprägt.

    An den Wendekreiswüsten, wie der Sahra oder der Kalahari-Wüste, herrscht trockenes Passatklima mit hohen Temperaturen und geringen Niederschlägen.

    Winterregenklima der Westseiten, Seeklima der Westseiten

    Diese Klimazonen befinden sich in der Westwindzone und werden auch davon beeinflusst.

    Weitere Bezeichnungen für das Winterregenklima der Westseiten sind das "Mittelmeerklima" oder das "Subtropische Wechselklima". Hier sind die Temperaturen warmgemäßigt und die Niederschläge fallen im Winter (Winterregen).

    Das Seeklima wird auch als maritimes oder ozeanisches Klima bezeichnet. Der Temperaturverlauf wird durch den Einfluss der Ozeane bestimmt.

    Subpolares Klima und polares Klima

    Diese Klimazonen befinden sich in der Polar-Zelle und werden von den polaren Ostwinden beeinflusst.

    Die Subpolargebiete sind durch lange Winter und kurze Sommer geprägt. Die kalten polaren Winde bestimmen das Klima. Die Subpolarregionen sind allgemein niederschlagsarm.

    Die Temperaturen sind hier fast ganzjährig unter dem Gefrierpunkt. Auch die Niederschläge sind das gesamte Jahr sehr gering.

    Atmosphärische Zirkulation – Das Wichtigste

    • Die allgemeine atmosphärische Zirkulation beschreibt die globalen Strömungssysteme der Luft
    • Grund dafür ist das thermische Ungleichgewicht: Die Erde erwärmt sich am Äquator viel stärker als an den Polen
    • Durch dieses Ungleichgewicht entstehen unterschiedliche Druckverhältnisse, welche durch Ausgleichsströmungen (Winde) ausgeglichen werden
    • Die Winde werden wegen der Erdrotation abgelenkt, wodurch drei sogenannte Zellen bzw. Zirkulationen entstehen
    • In der Hadley-Zelle (0°-30°) befindet sich die äquatoriale Tiefdruckrinne, mit den tropischen Regenwälder und den Wendekreiswüsten
    • Die Polar-Zelle (60°-90°) befindet sich an den Polen, mit kalten, polaren Winden
    • Die Ferrel-Zelle, auch Westwindzone, (30°-60°) wird von den benachbarten Zellen angetrieben, in der Höhe befinden sich die sogenannten Jetstreams
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    Häufig gestellte Fragen zum Thema Atmosphärische Zirkulation

    Wie kommen die globalen Windsysteme zustande?


    Die globalen Windsysteme kommen durch das thermische Ungleichgewicht zustande: Die Sonneneinstrahlung am Äquator ist viel stärker als an den Polen. Hinzu kommt noch die Erdumdrehung, die die Winde ablenken.

    Was versteht man unter atmosphärischer Zirkulation?

    Unter der Atmosphärischen Zirkulation versteht man alle großräumigen Luftbewegungen in der Atmosphäre.

    Wie funktioniert die planetarische Zirkulation?


    Die planetarische Zirkulation funktioniert, indem Winde von Hoch- zu Tiefdruckgebieten strömen, also durch Druckausgleich. Durch die Erdrotation entsteht außerdem die Corioliskraft, die die Winde ablenkt.

    Welche planetarischen Winde gibt es? 

    Es gibt zum einen die Passatwinde: Die Nordostpassate und Südostpassate in der Hadley-Zelle, die in Bodennähe wehen. Die Antipassate in der Hadley-Zelle sind in der Höhe wehende Winde, die in die entgegensetzte Richtung der bodennahen Passte wehen. In den gemäßigten Breiten gibt es die Westwinde. Und die polaren Ostwinde wehen  an den Polen. 

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