Atmosphärische Dynamik und Klimazonen: Eine Übersicht

Atmosphärische Dynamik

Breitenverteilung der Solarenergie

Die Erde ist eine Kugel, wodurch nur ein Punkt im rechten Winkel von der Sonne bestrahlt wird. Ohne die Neigung der Erdachse läge dieser Punkt fest am Äquator. Aufgrund der Erdneigung befindet er sich am 21. Juni am Wendekreis des Krebses (Sonnenstrahlen senkrecht zur Oberfläche um 12 Uhr) und am 23. Dezember am Wendekreis des Steinbocks. Im restlichen Jahr treffen die Sonnenstrahlen in einem Breitengrad zwischen den beiden Wendekreisen senkrecht auf (Abb. 6.14). Dies führt im Laufe der Jahre zum Entstehen der Jahreszeiten.

Die Höhe der Sonne und die Expositionszeit beeinflussen die Sonneneinstrahlung. Die Anzahl der Sonnenstunden und der Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die Erde sind entscheidend. Die Intensität der Sonneneinstrahlung pro Flächeneinheit nimmt mit zunehmendem Neigungswinkel ab. Dies hat zwei Auswirkungen: Bei zunehmender Neigung verteilt sich dieselbe Strahlungsintensität auf eine größere Fläche. Zudem ist der Weg der Strahlung durch die Atmosphäre länger, was zu vermehrter Absorption führt.

Die tropische Zone erhält mehr Sonnenenergie pro Flächeneinheit mit geringen saisonalen Schwankungen. Mit zunehmender Entfernung vom Äquator zu den Polen nimmt die jährlich empfangene Energie ab und die saisonalen Unterschiede nehmen zu.

Vertikale Bewegungen der Atmosphäre

Viele vertikale Bewegungen in der Troposphäre entstehen durch Temperaturunterschiede in der Höhe. Nach dem idealen Gasgesetz gilt: p ~ P. R. T (p ist der Druck, p die Dichte, R die Gaskonstante und T die Temperatur). Bei steigender Lufttemperatur (bei konstantem Druck) nimmt die Dichte ab und umgekehrt.

Die Darstellung der Temperaturänderung mit der Höhe wird als Temperaturgradient bezeichnet. In der Troposphäre gibt es Bereiche mit Temperaturinversionen, in denen die Temperatur mit der Höhe zunimmt. Eine häufige Inversion tritt am Boden auf (Abb. 6.18), besonders bei klarem Wetter im Winter und in den frühen Morgenstunden, aufgrund der Abkühlung der Luftschicht durch die starke Abstrahlung des kalten Bodens.

In der Inversionsschicht befindet sich kältere Luft unter wärmerer Luft, was die vertikale Durchmischung behindert und die Ausbreitung von Luftschadstoffen erschwert. Die vertikalen Bewegungen der Luftmassen führen zu Hoch- und Tiefdruckgebieten. Aufsteigende Luft erzeugt ein Tiefdruckgebiet (Zyklon), während absinkende Luft ein Hochdruckgebiet erzeugt.

Aufsteigende Luft kühlt ab, kondensiert Wasserdampf zu Wolken und führt zu Niederschlag (instabile Wetterbedingungen). In niedrigen Breiten entstehen Hitzetiefs durch thermische Aufwinde, in mittleren Breiten Kaltlufttropfen durch dynamische Prozesse. Absinkende Luft erwärmt sich, wodurch kondensiertes Wasser verdunstet und Wolken sich auflösen (trockenes, sonniges Wetter).

Subtropische Hochdruckgebiete entstehen durch dynamische Prozesse, während Hochdruckgebiete in hohen Breiten durch starke Abkühlung der unteren Luftschichten entstehen. Diese Wetterbedingungen sind ungünstig für die Ausbreitung von Luftschadstoffen.

Horizontale Bewegungen der Atmosphäre

In einem Hochdruckgebiet steigt Luft auf und verursacht Bodenwinde, die aus dem Zentrum des Zyklons herausströmen (Divergenz). In einem Tiefdruckgebiet strömt Luft zum Zentrum (Konvergenz) (Abb. 6.20). In Konvergenzzonen treffen Luftmassen unterschiedlicher Herkunft aufeinander (Fronten), was zu schlechtem Wetter führt (Abb. 6.21). In Divergenzzonen ist das Wetter gut.

Bodenwinde verlaufen nicht geradlinig, sondern spiralförmig (Abb. 6.23) aufgrund der Corioliskraft, die durch die Erdrotation entsteht.

Coriolis-Kraft

Die Erde dreht sich von Westen nach Osten. Die Drehgeschwindigkeit ist am Äquator höher als an den Polen. Ein Punkt in der Nähe der Pole und ein Punkt in der Nähe des Äquators benötigen 24 Stunden für eine volle Umdrehung, aber der Punkt in der Nähe der Pole legt eine kürzere Strecke zurück. Daher wird ein Wind auf der Nordhalbkugel nach rechts (Osten) abgelenkt, wenn er nach Norden weht, und ebenfalls nach rechts (Westen), wenn er nach Süden weht.

Luftzirkulation in Zyklonen und Stürmen

Auf der Nordhalbkugel werden Winde in Zyklonen und Stürmen durch die Corioliskraft abgelenkt. In Stürmen gibt es eine spiralförmige Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Auf der Südhalbkugel werden Passatwinde nach links abgelenkt, wodurch eine spiralförmige Drehung im Uhrzeigersinn entsteht. In Zyklonen gibt es eine spiralförmige Drehung gegen den Uhrzeigersinn.

Interpretation von Isobarenkarten

Isobaren verbinden Orte mit gleichem atmosphärischem Druck. Sie geben Einblick in die Lage von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Anhand der Anordnung der Isobaren kann man die Richtung und Geschwindigkeit der Bodenwinde bestimmen. In Antizyklonen nimmt der Druck zum Zentrum hin zu, in Zyklonen ab. Weit auseinanderliegende Isobaren deuten auf geringe Druckunterschiede (schwacher Druckgradient) hin, während eng beieinanderliegende Isobaren auf starke Druckunterschiede (starker Druckgradient) hinweisen.

Der Wind strömt von Zyklonen zu Stürmen und überquert die Isobaren. Starke Druckgradienten, die durch eng beieinanderliegende Isobaren dargestellt werden, verursachen starke Winde. Wo die Isobaren weit auseinander liegen, sind leichte Winde zu erwarten. In Stürmen liegen die Isobaren in der Regel eng beieinander (starke Winde), während sie in Hochdruckgebieten weiter auseinander liegen (leichte Winde). Die Isobaren für Hochdruckgebiete sind regelmäßig, während sie um Stürme herum unregelmäßig sind.

Dreiecke und Halbkreise symbolisieren Kalt- bzw. Warmfronten und zeigen die Bewegungsrichtung der Luftmassen an.

Schema der atmosphärischen Zirkulation

Die Luft in Bodennähe in der Äquatorregion erwärmt sich, steigt auf und fließt in die obere Troposphäre in Richtung der Pole. Kalte Luft aus den Polarregionen sinkt ab und strömt zum Äquator. Die Luft steigt in der äquatorialen Niederdruckzone auf und wird von den oberen Luftschichten nach Nordosten gelenkt. Bei etwa 30° Breitengrad zirkuliert die Luft in der oberen Troposphäre in die gleiche Richtung wie die Erdrotation (Westwinde) und sinkt teilweise wieder ab, was zu einem Hochdruckgebiet führt (subtropischer Hochdruckgürtel).

Von der subtropischen Hochdruckzone wehen Winde zum Äquator mit einer Ablenkung nach Westen (Passatwinde) und nach Norden mit einer Ablenkung nach Osten (Westwinde). Die Passatwinde beider Hemisphären konvergieren in der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ), die nicht mit dem Äquator identisch ist und deren Lage im Laufe des Jahres schwankt. Winde aus dem subtropischen Hochdruckgebiet im Nordosten gelangen in ein Tiefdruckgebiet bei etwa 60° Breitengrad (gemäßigte Zone des niedrigen Drucks). Die Bodenwinde, die aus den Polarregionen mit hohem Druck kommen und ebenfalls nach Südwesten ziehen, treffen auf den Bereich des Niederdrucks. Diese Luft wird Polarfront genannt, die Grenze zwischen kalter Luft von den Polen und warmer Luft. Es handelt sich jedoch nicht um eine einzige Front, sondern um mehrere, die einen Gürtel bilden, dessen Lage sich im Laufe des Jahres ändert.

Klimazonen. Klimadiagramme

Die Determinanten des Wetters (Variablen und Regelmäßigkeit) sind Temperatur, Druck, Wind und Niederschlag. Klimatische Parameter werden aus den Mittelwerten vieler Wetterdaten über Jahre hinweg berechnet.

Klimadiagramme

Klimatische Faktoren wirken gleichzeitig auf lebende Materie. Daher sind Klimadiagramme sehr interessant, da sie die Beziehung zwischen Temperatur und Niederschlag im Jahresverlauf darstellen. Abbildung 6.30 zeigt Hinweise zur Interpretation eines Klimadiagramms.