Luftkreisläufe/Jetstream

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Die Jetstreams (= Strahlströme) im Tropopausen-Niveau wirken auf die Luftmassengrenzen zwischen den unterschiedlich warmen Luftmassen. Die Jetstreams steuern damit das Wettergeschehen am Boden. Zur Entstehung und Wirkung eines Jetstreams vermittelt die Animation die wichtigsten Informationen.

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Die Jetstreams sind sowohl für den Flugverkehr als auch für die Wetterprognose von größter Bedeutung.

Kurzbeschreibung: Ein Jetstream ist ein schlauchförmiges Feld höchster Windgeschwindigkeiten in 8 bis 12 km Höhe. Jestreams füllen die Lücken zwischen unterschiedlich hohen Tropopausenstücken. Ein Jetstream ist etwa 100 bis 200 km breit und 1 bis 5 km hoch. Es wurden schon Windgeschwindigkeiten von über 400 km/h gemessen.

Entstehung: Jetstreams entstehen durch unterschiedlich hohe Tropopausenflächen. Beim Druckausgleich zwischen hohen und niedrigen Flächen lenkt die Corioliskraft die polwärts strebenden Winde in den Jetstream um. Es entsteht ein fast geschlossenes Windkanalsystem rund um den Erdball.

Lage: Je drei Jetströme liegen an den Tropopausen-Sprungstellen der Nord- und Südhalbkugel.

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Wirkungen: Der STJ (Subtropenjet) im Gebiet der Wendekreise erzeugt das Subtropenhoch. Das Subtropenhoch ist Wesensbestandteil des tropischen Passatkreislaufs. Der PFJ (Polarfrontjet) steuert die sog. planetarische Frontalzone der gemäßigten Breiten. Dabei geht es primär um die Erzeugung dynamischer Hochdruck- und Tiefdruckgebiete.


Die Entstehung der Jetstreams

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Das oberste Luftpaket im warmen Stapel wird vom Tropopausenknick an der Bewegung gehindert. Ist der Höhenunterschied zwischen benachbarten Tropopausenflächen aber sehr groß, so versucht das oberste Paket des warmen Stapels unter die Tropopausenfläche des kalten Stapels abzugleiten. Hierbei wird die Corioliskraft (Erddrehung) wirksam. Das abgleitende Luftpaket wird nach Osten abgelenkt und landet in einem Windkanal. Dieser Windkanal heißt Jetstream. Der Höhenunterschied der angrenzenden Tropopausenflächen wird dadurch nicht ausgeglichen. Je größer dieser Höhenunterschied ist, umso größer ist die Windgeschwindigkeit im Jetstream. Das Ergebnis sind drei wichtige Jetstreams im Tropopausenniveau (300 mbar): - Zwischen tropischer und subtropischer Luftmasse liegt der Subtropenjet (STJ über den Wendekreisen). - Zwischen subtropischer und polarer Luft liegt der Polarfrontjet (PFJ in der Westwindzone). - Zwischen polarer und arktischer Luft liegt der Arktikfrontjet (AFJ am Polarkreis).


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Wie steuern die Jetstreams das Wettergeschehen?

Zwei unterschiedliche Vorgänge laufen hierbei ab. a) Der Jetstream als turbulente Strömung (Rossby-Welle) Ein Vergleich mit einer brennenden Kerze: Der Hitzestrom direkt über der Flamme ist zuerst linear, er wird dann zunehmend turbulent. An der Grenzschicht entstehen Wirbel, die den Luftstrom zur Seite drängen, wodurch der Wirbel wiederum verstärkt wird. Es liegt ein selbstverstärkendes System vor. Ein Jetstream verhält sich wie der Hitzestrom über der Kerze. Hier für Jetstreams der Nordhalbkugel: Linkswirbel heben wegen der Corioliskraft die Luft, sie erzeugen am Boden ein Tiefdruckgebiet. Rechtswirbel senken die Luft ab, sie erzeugen am Boden Hochdruckgebiete. Aus dem Jetstream scheren auf der linken Seite linksdrehende Tiefdruckwirbel aus. Diese dynamischen Tiefs treten häufig als Sturmtiefs auf. Aus dem Jetstream scheren auf der rechten Seite rechtsdrehende Hochdruckgebiete aus. Diese Hochs sind sehr langlebig.

Jetstream als Turbulente Strömung


b) Jetstream als unterschiedlich breiter Windkanal Der Jetstream verändert seine Geschwindigkeit und seine Breite in Abhängigkeit von der Differenz der Tropopausenhöhen benachbarter Luftmassen. Bei großem Unterschied entsteht ein schmaler Kanal mit hoher Windgeschwindigkeit. Es entsteht eine Engstelle, vor der Hochdruck entsteht und hinter der Tiefdruck erzeugt wird. Hochdruck und Tiefdruck wirken sich bis in die Grundschicht aus. Bei Tiefdruck wirkt der Jetstream saugend, bei Hochdruck umgekehrt.

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Die Vorgänge von a) und b) wirken gleichzeitig. Dies macht eine Prognose etwas schwierig.

Sonderfälle: Steuerung durch die Erddrehung (Corioliskraft)

Wie wirkt die Erddrehung auf bewegte Luftmassen?

Das Luftpaket möchte vom Hoch zum Tief. Dabei kommt es wegen der Erdrotation stets von der geraden Bahn ab. Dieser Effekt der Corioliskraft würde das Luftpaket am Ziel vorbeiführen, wäre da nicht der starke Sog des Tiefs, der das Luftpaket auf seiner Wanderung immer wieder neu auf sich ausrichtet.

Regel für die Nordhalbkugel:

Bewegte Luft wird nach rechts abgelenkt, sie beschreibt dabei eine nach links gekrümmte Kurve.

Der Weg vom Hoch zum Tief sieht also so aus:

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Die Begründung für diese Auslenkung:

Ein Luftpaket nimmt über dem Erdboden dessen Bahngeschwindigkeit an. Dieses ist am Äquator 1666 km/h und am Pol 0 km/h.

Wird ein Luftpaket polwärts transportiert, so ist es schneller als der sich darunter drehende Erdboden. Das Luftpaket eilt der jeweiligen Bodendrehung voraus. Es wird scheinbar nach rechts ausgelenkt, wenn man die Spur des Luftpakets am Boden verfolgt.

Bei der Bewegung vom Pol zum Äquator ist die Situation umgekehrt: Jedes Luftpaket ist stets zu langsam, nun eilt der jeweilige Untergrund schneller nach Osten.


Merke
Am Äquator gibt es diesen Effekt der Corioliskraft nicht. Die Corioliskraft ist im physikalischen Sinn keine Kraft.




Interaktive Übungen

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.