Luftkreisläufe/Entstehung von Luftdruck und Wind
Das Grundprinzip: Unterschiedlich warme Luft dehnt sich unterschiedlich aus und hat damit unterschiedliche Dichte. Ein Luftkreislauf versucht, ein Gleichgewicht herzustellen.
Zur Veranschaulichung dieses 3-dimensionalen Vorgangs wird ein Schaumgummi-Matten-Modell benutzt.
Die Luftmasse, die den Druck von 100 mbar erzeugt, wird von jeweils einer Schaumgummi-Matte veranschaulicht.
- 8 Matten (= Troposphäre) liegen unter einer Folie (= Tropopause), darüber liegen 2 weitere Matten (= Stratosphäre, Mesosphäre).
- Die Bodenschicht mit 0 bis 2m existiert hier nicht.
- Die Grundschicht für 2m bis 2km (850 mbar-Karte) hat 3 Matten.
- Die Mittelschicht (Advektionsschicht, 500 mbar-Karte) hat 4 Matten.
- Die Oberschicht (unter der Tropopause, 300 mbar-Karte) hat 1 Matte.
Vorstellung: Legt man die Hand zwischen zwei Matten, so spürt man den Druck der aufliegenden Matten (= Luftdruck). Unten ist er hoch, oben ist er niedrig.
Für das Modell werden zwei gleiche Stapel für unterschiedliche Erwärmungszustände (= Energiezustände) benötigt. Die Wechselbeziehung zwischen den beiden Stapeln soll erklären:
- Land-See-Wind, Berg-Talwind,
- Kälte-Hoch, Hitze-Tief
- Zirkulation vom Hoch zum Tief,
- Passatzirkulation,
- dynamisches Hoch und dynamisches Tief,
- Jetstreams (PFJ und STJ).
Grundmodell eines Luftkreislaufs
Das Grundprinzip: Unterschiedlich warme Luft dehnt sich unterschiedlich aus und hat damit unterschiedliche Dichte. Ein Luftkreislauf versucht, ein Gleichgewicht herzustellen.
Der warme Stapel hat sich bei der Erwärmung stark ausgedehnt. Am Boden und an der Tropopause ist jeweils für beide Stapel gleicher Luftdruck, nicht aber in vergleichbarer Höhe in höheren Schichten. In jeder Höhe (oberhalb der untersten Matte) herrscht im warmen Stapel höherer Druck als im kalten. Wie kann ein Druckausgleich erfolgen? Am Boden und an der Tropopause ist jeweils für beide Stapel gleicher Luftdruck, nicht aber in vergleichbarer Höhe in höheren Schichten. In jeder Höhe (oberhalb der untersten Matte) herrscht im warmen Stapel höherer Druck als im kalten.
Wie kann ein Druckausgleich erfolgen?
Im Bereich der Oberschicht hat die Tropopause (Folie!) einen Knick bekommen, die oberste Matte kann hier nicht bewegt werden, dies verhindert der Tropopausenknick.
Im Bereich der Advektionsschicht ist in gleicher Höhe unterschiedlicher Luftdruck. Hier lassen sich Matten horizontal verschieben um das Ungleichgewicht auszugleichen.
Eine Matte der rechten Advektionsschicht wird nach links verschoben. Was geschieht?
Nach der Verschiebung erhöht sich auf der kalten Seite am Boden der Luftdruck, es liegt ja eine zusätzliche Matte im Stapel.
Am Boden unter der wärmeren Schicht ist niedriger Luftdruck, da oben eine Matte fehlt.
Außerdem wurde Energie verschoben (wärmeres Luftpaket kam in den kälteren Stapel).
Der unterschiedliche Bodendruck bewirkt, dass das unterste Luftpaket vom Hoch zum Tief, also von "kalt" zu "warm" verschoben wird.
Damit wird ein zu kaltes Luftpaket in den Aufheizbereich verschoben um dort Wärme aufnehmen zu können.
Welche Folge hat die Verschiebung in der Grundschicht auf das System?
Am Boden ist wieder gleicher Luftdruck, es liegen wieder gleich viel Matten übereinander.
Der ganze warme Mattenstapel wurde nach oben verschoben (vertikaler Kreislauf), der kalte Stapel wurde nach unten bewegt.
Nun beginnt der Luftmassenaustausch in der Advektionsschicht wie bei Beginn des Gedankenexperiments.
Das oberste Luftpaket des warmen Stapels kann sich nicht frei bewegen, da der Tropopausenknick dazwischen liegt.
In der Advektionsschicht (500 mbar) kann sich die Luft frei bewegen. Hier erfolgt der Energieaustausch von "warm" nach "kalt". Diese Luftbewegung verteilt sich auf die ganze Advektionsschicht, sie ist deshalb nur als schwacher Wind zu erkennen.
In der Grundschicht (850 mbar) wird viel Luft zum Druckausgleich vom Hoch zum Tief, von "kalt" nach "warm" bewegt. Hier treten hohe Windgeschwindigkeiten auf, da der Druckunterschied am Boden am größten ist.
- Entstehung von Luftdruck und Wind
- Jetstream - im Windkanal
- Passatzirkulation - auf geordneten Bahnen
- Monsunzirkulation - ungewöhnliche Zugbahnen
- Tropische Wirbelstürme - große Turbulenzen
- Westwindzone - heftige Seitenwinde
- Föhn - Steuerung durch das Relief
Interaktive Übungen
Luftdruck
Gebiete, in denen der gleiche Luftdruck herrscht, können durch Linien visualisiert werden. Man nennt diese Linien Isobaren. Sie stehen also für eine bestimmte Anzahl an Luftteilchen, mit einer bestimmten Energie. Als Beispiel: In Gebieten hohen Luftdrucks liegen die Isobaren dichter beieinander. Isobaren sind wichtig für Wetterkarten, die man für die Wettervorhersage braucht.
Um Isobaren in Wetterkarten einzeichnen zu können, muss erst der Luftdruck ermittelt werden. Das geschieht mit Hilfe eines Barometers. Zwei Varianten von Barometern sind das Dosen- und das Flüssigkeitsbarometer. Die gängige Maßeinheit ist Hektopascal, abgekürzt mit hPa , jedoch wird im Alltag auch oft die Einheit “Bar” benutzt.
Ein Bar entspricht dabei 1000 hPa.
Quiz 2
Erdrotation und Windrichtung
Die Erde dreht sich innerhalb von 24 Stunden einmal voll um 360°, die Achse, um die sich die Erde dreht geht durch den Nord - und Südpol.
Die Erde ist ein rotierendes Bezugssystem.. Bewegt sich ein Luftteilchen äquatorwärts zu einem Punkt, wird es diesen verfehlen. Würde man diese Flugbahn des Luftteilchen vom Nordpol aus nachzeichnen, gäbe es eine scheinbare Rechtsblenkung (in Flugrichtung gesehen). Auf der Südhalbkugel wäre diese Ablenkung eine Linksablenkung.
Geschwindigkeit ist Strecke pro zeit. Da die Erde eine Kugel ist, liegen manche Orte näher am Äquator, diese legen in den 24 Stunden eine längere Strecke zurück, als andere. Näher am Äquator heißt also: höhere Geschwindigkeit. Ein Ort am Äquator “bewegt” sich mit 1670 Kilometer pro Stunde. In Friedrichshafen auf der Nordhalbkugel beträgt die Geschwindigkeit aber nur noch 1125 Kilometer pro Stunde. Der Nordpol legt keine Strecke zurück, seine Geschwindigkeit ist 0 m/s, am Äquator ist sie sehr hoch.
Auch die Luftmassen kreisen um die Erde. Die Corioliskraft hat Auswirkungen auf die Stärke und Richtung der Winde, so werden Luftmassen, nach rechts abgelenkt, sie wehen also von West nach Ost.
Quiz 4
