Luftkreisläufe/Passatzirkulation

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Die Bedeutung der Passatzirkulation für die tropischen Gebiete ist kaum zu beschreiben.

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Die Passate tragen Wasserdampf in die wärmsten Gebiete der Erde und ermöglichen dort den Zenitalregen (Regenwald, Savannen). Die Höhenströmung transportiert Wärme vom Äquator zu den Wendekreisen. An den Wendekreisen erzeugt der Passatkreislauf zugunsten der äquatornahen Gebiete die größten Wüsten der Erde.

Die weite Verbreitung rund um den Erdball zeigt die nebenstehende Satellitenkarte ausschnittsweise. Die Wolkengebiete zeigen die ITC am Wärmeäquator. Die wolkenfreien Gebiete an den Wendekreisen sind die Subtropenhochs mit den Wüstengebieten. Die Passatzirkulation gibt es sowohl auf den Landmassen als auch auf den offenen Meeren.

Nur ein Problem gibt es: Der Passat ist in seinen Auftritten sehr unzuverlässig. Zu spät, zu schwach oder er bleibt ganz aus. Gelegentlich spaltet sich die ITC, der Zenitalregen bleibt schwach.

Das Modell der Passatzirkulation erklärt das innertropische Wetter und Klima

Hadley-Zellen

In den Tropen regnet es bei Sonnenhochstand (Zenitalregen). Diese Regenfälle sind außergewönlich ergiebig. Das Hauptregengebiet wandert mit dem Sonnenhöchststand mit zweimonatiger Verspätung zu den Wendekreisen und wieder zurück zum Äquator. In Afrika werden die Wendekreise vom Regengebiet aber nicht erreicht. An den Wendekreisen liegen die großen Wüsten der Erde: Sahara, Namib und Kalahari. Hier handelt es sich um tropische Wüsten, deren Existenz das Passat-Modell auch erklären muss. Das Problem des Energietransports von den Tropen (Energieüberschuss) in die gemäßigten Breiten interessiert vor allem die Klimaforscher.

Das Modell der Passatzirkulation hat zwei Teile:

  1. Das Modell der Hadley-Zellen (Luftkreislauf) und
  2. das Modell der zyklischen Wanderung der Hadley-Zellen mit dem Sonnenstand (jahreszeitlicher Kreislauf).

Hadley-Zellen

Was treibt das System an?

Der zenitale Sonnenstand zwischen den Wendekreisen bewirkt eine starke Erwärmung der bodennahen Luftschichten. Mit etwa zweimonatiger Verspätung hat sich auch die darüberliegende Atmosphäre stark erwärmt. Die Troposphäre dehnt sich dadurch aus und die Obergrenze, das ist die Tropopause, hebt sich auf etwa 16-18 km Höhe an. Nun ist es aber ab den Wendekreisen polwärts wesentlich kühler als in den Tropen. So entsteht an den Wendekreisen ein Knick in der Tropopause. Der Grund liegt in der Kugelform der Erde: Die Sonnen-Einstrahlung nimmt mit dem Cosinus der Breitenlage ab.

Die oberen Luftmassen an der Tropopause wollen nun zum Druckausgleich in Richtung Pole abfließen. Diese Strömung heißt Antipassat. An den Tropopausenknicks ist dieser Abfluss besonders schnell, so erzeugt die Corioliskraft (Erddrehung) dabei die Subtropenjetstreams. Diese "querliegenden" Windschläuche verhindern nun das weitere Abfließen von tropischen Luftmassen in der Höhe. Die vom Äquator kommende Höhenluft strömt deshalb am Hindernis der Jetstreams vorbei hinunter zum Boden. Dadurch wird unter den Jetstreams am Boden ein starkes und beständiges Hochdruckgebiet (Subtropenhoch) erzeugt. Im Nordsommer ist dieses Hoch gelegentlich so groß wie ganz N-Afrika. Die absinkende Luft verhindert jegliche Wolkenbildung. Das erklärt die subtropischen und tropischen Wüsten an den Wendekreisen.

Da die Luft über der äquatornahen Region in der Höhe abfließen konnte (Antipassat), lastet nun dort weniger Luft auf dem Erdboden. Es ist damit am Äquator ein Tiefdruckgebiet entstanden, zu dem die Bodenwinde von den Subtropenhochs zuströmen (Passate). In der Kernzone der warmen und feuchten Luft entwickelt sich regelrecht ein Band aus Tiefdruckgebieten. Dieses Band heißt auch Tiefdruckrinne oder ITC (Inner Tropic Convergence), weil die Passate hier zusammenfließen (konvergieren). An der ITC steigt die Luft durch Erwärmung weiter auf, die innertropische Zirkulation nimmt ihren Lauf.

Die tropischen Gewitter (zweimal täglich) nennt man "Zenitalregen". Die senkrecht stehende Sonne erwärmt den Boden besonders stark. Die Luft steigt auf und kühlt dabei ab, die enthaltene Feuchtigkeit kondensiert. Dabei werden die höheren Luftschichten durch die freiwerdende Kondensationswärme erwärmt. Die Grundschicht der Troposphäre wird gleichzeitig abgekühlt. Die Wolke hat also Wärme vom Erdboden (Verdunstungskälte!) in die hohen Luftschichten (Kondensationswärme) transportiert.

Stark überhöhtes Schema: Passatkreislauf und die Lage der ITC etwa Ende April und Ende August

Die zyklische Wanderung der Hadley-Zellen

zyklische Wanderung der Hadley-Zellen

Die nebenstehende Animation zeigt die wichtigen Gesichtspunkte.

Die Hadley-Zellen bewegen sich mit dem Sonnenstand mit. Durch die zweimonatige Verzögerung - die Atmosphäre muss sich ja erst auf dem Umweg über Verdunstung und Kondensation aufheizen - kehrt die Sonne an den Wendekreisen bereits wieder um, wenn die ITC noch nicht gefolgt war. Der Sonnenstand selbst verhindert also ein weiteres Vordringen der ITC zu den Wendekreisen.