Die
Zirkulation der gemäßigten Breiten
1.
Allgemeine
Zirkulation:
Der mittlere großräumige Strömungsverlauf in der Atmosphäre
wird als „Allgemeine Zirkulation“ bezeichnet. Den Antriebsmotor dafür
bildet
die unterschiedliche Strahlungsbilanz der verschiedenen Breiten. Wegen
Überwiegens der Einstrahlung ergibt sich zwischen Äquator und 40°
Breite ein
Wärmeüberschuss, wegen Überwiegens der Ausstrahlung in den Breiten
polwärts davon
ein Wärmedefizit. Es sind offensichtlich großräumige Transportprozesse
wirksam,
die soviel Wärme von den Überschuss- zu den Defizitgebieten
transportieren,
dass die Mitteltemperaturen konstant bleiben.
Die einfachste Form eines derartigen
Wärmetransports wäre
eine thermisch direkte Zirkulation, bei der die warme Luft aufsteigt
und in der
Höhe zur Kältequelle strömt, während die kalte Luft absinkt und in
Bodennähe
zur Wärmequelle strömt. Auf der rotierenden Erde wird diese Zirkulation
allerdings durch die Corioliskraft beeinflusst. Sie bewirkt eine
seitliche
Ablenkung aller Bewegungen, und zwar nach rechts auf der Nordhalbkugel,
nach
links auf der Südhalbkugel. Als Folge davon ist eine durchgehende
Zirkulation
zwischen Äquator und Pol nicht möglich. Deshalb findet man nur in den
niederen
Breiten, wo die Corioliskraft schwach ist, eine großräumige thermische
Zirkulation wie oben beschrieben. Polwärts von etwa 30° Breite erfolgen
die
notwendigen Wärmetransporte dagegen durch einen anderen Mechanismus,
nämlich
durch die Meridionalbewegungen an den Flanken der Zyklonen und
Antizyklonen der
Westwindzone (siehe ganz unten, Bild 6!).
2. Beziehungen
zwischen Druck-, Strömungs- und Temperaturverteilung:
Zum
Verständnis der Vorgänge
innerhalb der Zirkulation der
gemäßigten und hohen Breiten ist es notwendig, die prinzipiellen
Beziehungen
zwischen Druck-, Strömungs- und Temperaturverteilung zu kennen.
Aus Luftdruckunterschieden in der
Horizontalen resultiert
eine Kraft, die Druckgradientkraft, unter deren Wirkung die
Luftpartikel eine
Bewegung quer zu den lsobaren vom hohen zum tiefen Druck beginnen.
Diese
Bewegung wird durch die Corioliskraft abgelenkt. Nach einiger Zeit
stellt sich
ein Gleichgewicht zwischen beiden Kräften ein: Die Luft strömt dann
parallel zu
den Isobaren, auf der Nordhalbkugel mit dem tieferen Druck zur Linken,
wenn man
in Windrichtung blickt (geostrophisches Gleichgewicht). Die
Windgeschwindigkeit
ist dabei dem Druckgefälle direkt proportional und außerdem noch von
der Breite
abhängig. Entsprechend dieser Beziehung werden auf der Nordhalbkugel
Tiefdruckgebiete gegen den Uhrzeigersinn (zyklonal) und
Hochdruckgebiete im
Uhrzeigersinn (antizyklonal) umströmt. Auf der Südhalbkugel ist es
umgekehrt.
In Bodennähe kommt noch die Wirkung
der Reibungskraft hinzu.
Sie verursacht eine Abbremsung der Geschwindigkeit und eine Ablenkung
der
Windrichtung gegen die Isobarenrichtung um 10 bis 40° zum tieferen
Druck.
Daraus resultiert ein Einströmen ins Tief und ein Ausströmen aus dem
Hoch.
Zu der mittleren Druckverteilung in
Bodennähe mit einem
Hochdruckgürtel bei 30° Breite, einer Tiefdruckfurche bei 60° Breite
und hohem
Druck in Polnähe gehören im Gleichgewicht somit westliche Winde
zwischen 30°
und 60° Breite und östliche Winde polwärts davon. Die Temperatur der
Luft nimmt
im Mittel vom subtropischen Hochdruckgürtel zum Pol hin ab. Allerdings
ist die
Abnahme nicht kontinuierlich. Das größte Temperaturgefälle findet man
in einer
schmalen Zone, der „Polarfront“, deren Breite zwischen 50 und 500 km
variiert
und deren Position im Jahresverlauf zwischen 40° und 60° N schwankt.
Die kalte
Luft nördlich davon nennt man Polarluft, die warme Luft südlich davon
Subtropikluft.
Da in warmer Luft der Luftdruck
langsamer mit der Höhe
abnimmt als in kalter Luft, verändert sich die oben geschilderte
bodennahe
Druckverteilung in der Vertikalen. Betrachtet man die Verhältnisse in
etwa 10
km Höhe, so findet man den höchsten Druck über dem Äquator, ein
Tiefdruckgebiet
über dem Pol und dazwischen westliche Winde mit z. T. hoher
Geschwindigkeit.
Dort, wo das horizontale Temperaturgefälle am größten ist, im Bereich
der
Polarfront, ergibt sich in der Höhe das größte Druckgefälle und damit
verbunden
das Windmaximum des Polarfront-Strahlstroms mit Werten um 200 km/h.
3. Entwicklung
von
Tiefdruckgebieten und von Hochdruckgebieten:
Bei
überwiegend zonaler Strömung
wächst der meridionale
Temperaturgegensatz quer zur Polarfront immer mehr an. Dadurch wird die
Front
instabil und es kommt zu Vorstößen von warmer Subtropikluft nach Norden
und von
kalter Polarluft nach Süden. Sie sind verbunden mit der Entwicklung von
Tiefdruck- und von Hochdruckgebieten, die entlang der Polarfront nach
Osten
wandern. Dabei finden gleichzeitig großräumige Vertikalbewegungen
statt.
Charakteristisch ist, dass die nach
Norden vorstoßende
Subtropikluft gleichzeitig gehoben wird, so dass in ihr ein
umfangreicher und
hochreichender Wolkenschirm entsteht, aus dem länger anhaltende
Niederschläge
(Regen, Schnee) fallen. In der Polarluft können sich Quellwolken mit
Schauern
bilden, doch insgesamt befindet sich diese nach Süden vordringende
Luftmasse in
einer Absinkbewegung, die zu rascher Wolkenauflösung und
Wetterbesserung führt.
Als Folge der Vertikalbewegungen muss der Raum, den die Subtropikluft
in
Bodennähe einnimmt, horizontal schrumpfen, während sich die Polarluft
immer
mehr ausbreitet. Dadurch verlagert sich die Kaltfront des Tiefs
schneller als
die vorlaufende Warmfront und holt diese schließlich ein. Es entsteht
die
Okklusionsfront, über der nur noch in der Höhe Warmluft vorhanden ist.
Aus den
Vertikalbewegungen - Heben der wärmeren, Absinken der kälteren Luft -
ergibt
sich die kinetische Energie für die im Laufe der Entwicklung immer
stärker
werdende zyklonale und antizyklonale Rotation der Luftpartikel. Die
Entwicklung
endet, wenn die warme Luft vollständig gehoben ist und die kalte Luft
sich in
Bodennähe ausgebreitet hat. Dieser Vorgang wird sichtbar am
fortschreitenden
Okklusionsprozess.
4. Mechanismus
des
Wärmeaustauschs innerhalb der außertropischen Zirkulation:
Man
sieht, dass sich durch die
südlichen und die nördlichen
Winde an den Flanken der wandernden Druckgebilde ein Mechanismus
ergibt, Luft
von den Wärmeüberschuss- zu den -defizitge-bieten zu transportieren und
umgekehrt. Die meridionalen Bewegungen, die in der mittleren Verteilung
überhaupt nicht sichtbar werden, sind also besonders wichtig für die
Zirkulation in unseren Breiten (siehe ganz unten, Bild 6!).
Charakteristisch ist dabei ein
steter, mehr oder weniger
periodischer Wechsel zwischen Phasen, bei denen die Druckgebilde
relativ klein
bleiben und sich rasch verlagern, so dass die meridionalen
Wärmetransporte
gering sind und der Temperaturkontrast anwächst, und Phasen, bei denen
sich -
über die Nordhalbkugel verteilt - vier oder fünf große Zyklonen und
Antizyklonen entwickeln, die nur noch langsam wandern oder ortsfest
bleiben, so
dass zwischen ihnen im breiten Strom die Subtropikluft bis in polnahe
Gebiete
und die Polarluft bis zu den Subtropen vordringen kann und damit der
geforderte
Austausch erfolgt. Daraus resultiert der von den Jahreszeiten
unabhängige
wechselhafte Charakter der Witterung in unseren Breiten.
Quelle: Beiheft zum
Film "Die Zirkulation der gemäßigten Breiten" (32 03601)
Abbildungen und weitere Erläuterungen
zur Zirkulation der gemäßten
Breiten:
Wetterablauf beim Durchzug einer
Zyklone (Tiefdruckgebiet).
Da Westwinde in Mitteleuropa
vorherrschen, bestimmen die von
Westen, vom Atlantik her auf den Kontinent ziehenden Zyklonen unser
Wetter
entscheidend. Die Zyklonen bilden sich beim Aufeinandertreffen von
polarer
Kaltluft und tropisch-subtropischer Warmluft an der Polarfront, die auch als
"planetarische Frontalzone" bezeichnet wird.
Auf bestimmten Zugstraßen wandern sie nach Osten.
Die umlaufenden Winde einer Zyklone
bewirken an deren Rückseite
ein Vordringen von Kaltluft in den südlichen Warmluftbereich und an
ihrer
Vorderseite den Vorstoß von Warmluft in den nördlichen Kaltluftbereich.
Dringt
Kaltluft gegen Warmluft vor, bezeichnet man die Luftmassengrenze als
Kaltfront, dringt Warmluft
gegen Kaltluft vor, so spricht man von einer
Warmfront. Wenn eine Kaltfront die vorausgehende Warmfront
einholt, wird die
warme Luft von der Erdoberfläche abgehoben. Man bezeichnet diesen
Vorgang, der
das Auflösen der Zyklone einleitet, als Okklusion.
Beim Vordringen einer Warmfront
schiebt sich die leichtere
Warmluft keilförmig über die schwere Kaltluft. Die flach aufgleitende
Warmluft
ist für die zunehmende Schichtbewölkung und den einsetzenden Landregen
verantwortlich. Die Temperaturen steigen, der Luftdruck nimmt ab. Das
rasche
Vordringen der Kaltfront, begleitet durch böige Winde, bewirkt ein
Aufwirbeln
der vorliegenden wärmeren Luftmassen (Konvektion). Charakteristisch
hierfür
ist eine kräftige Quellwolkenbildung (Cumulus) mit Frontgewittern und
Schauertätigkeit.
Die Temperaturen sinken, der Luftdruck steigt.
Im Fall einer Okklusion sind die Wettererscheinungen weniger intensiv.
Der Durchzug eines Tiefs macht sich lediglich durch geringere
Quellbewölkung, begleitet von nur einzelnen Schauern, bemerkbar.
Entsprechend dem großen Durchmesser einer Zyklone werden weite Teile
Europas gleichermaßen vom Wettergeschehen beeinflusst.
