Wetter, Ozeane & Klima: Eine Einführung in die Erdsysteme

Vertikale Luftbewegungen & Atmosphärischer Druck

Die Atmosphäre ist ständig in Bewegung, angetrieben durch Druckunterschiede, die wiederum durch Temperatur- und Dichteunterschiede der Luftmassen entstehen. Diese vertikalen Luftbewegungen sind entscheidend für unser Wetter.

Hochdruckgebiete (Antizyklonen)

Ein Hochdruckgebiet, auch Antizyklone genannt, entsteht, wenn kalte, dichte Luftmassen aus höheren Schichten absinken. Beim Absinken erwärmt sich die Luft und trocknet aus. An der Erdoberfläche breitet sich diese Luft nach außen aus, was zu einem Wind führt, der vom Zentrum des Hochdruckgebiets wegweht. Die absinkende Luft verhindert die Wolkenbildung, weshalb Hochdruckgebiete oft mit klarem Himmel, Sonnenschein und trockenem Wetter verbunden sind. Sie wirken stabilisierend auf die Atmosphäre.

Tiefdruckgebiete (Stürme/Borascas)

Ein Tiefdruckgebiet, oft als Sturm oder Borasca bezeichnet, bildet sich, wenn wärmere, leichtere Luftmassen aufsteigen. Diese aufsteigende Luft kühlt sich ab, der enthaltene Wasserdampf kondensiert und bildet Wolken. An der Oberfläche strömt Luft von außen in das Zentrum des Tiefdruckgebiets, was zu konvergierenden Winden führt. Tiefdruckgebiete sind typischerweise mit bewölktem Himmel, Niederschlag und instabilen Wetterbedingungen verbunden. Die Wahrscheinlichkeit von Regen ist hoch, wenn die aufsteigende Luft ausreichend Feuchtigkeit enthält.

Atmosphärische Stabilität und Instabilität

Die Stabilität der Atmosphäre hängt davon ab, wie sich die Temperatur der Luft mit der Höhe ändert. Eine Atmosphäre ist:

• Stabil, wenn aufsteigende Luft schneller abkühlt als die Umgebungsluft, wodurch sie wieder absinkt. Vertikale Bewegungen werden unterdrückt.
• Instabil, wenn aufsteigende Luft langsamer abkühlt als die Umgebungsluft, wodurch sie weiter aufsteigt. Dies fördert die Bildung von Wolken und Niederschlag.

Phänomene wie Nebel oder die Ansammlung von Schadstoffen in Bodennähe können durch stabile Schichten verursacht werden, die den vertikalen Luftaustausch behindern.

Der Coriolis-Effekt

Der Coriolis-Effekt, 1835 von Gaspard-Gustave de Coriolis erklärt, ist eine Scheinkraft, die durch die Erdrotation entsteht. Da sich die Erde von West nach Ost (gegen den Uhrzeigersinn) dreht, werden bewegte Objekte (wie Luft- und Wassermassen) auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt.

Die Stärke des Coriolis-Effekts ist an den Polen am größten und nimmt zum Äquator hin ab, wo sie null ist. Obwohl die Erde eine Kugel ist und die Umfangsgeschwindigkeit am Äquator am höchsten ist, dreht sich jeder Punkt auf der Erde in 24 Stunden einmal um die Achse. Dies führt dazu, dass Winde und Meeresströmungen, die sich aufgrund von Druck- oder Dichteunterschieden bewegen, abgelenkt werden.

Als Folge des Coriolis-Effekts drehen sich:

• Auf der Nordhalbkugel:
  • Winde um Hochdruckgebiete (Antizyklonen) im Uhrzeigersinn.
  • Winde um Tiefdruckgebiete (Stürme) im Gegenuhrzeigersinn.
• Auf der Südhalbkugel: Die Drehrichtung ist umgekehrt.

Meeresströmungen: Globale Wasserkreisläufe

Meeresströmungen sind riesige, kontinuierliche Bewegungen von Meerwasser, die durch verschiedene Faktoren wie Wind, Temperatur, Salzgehalt und die Erdrotation angetrieben werden. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Verteilung von Wärme und Nährstoffen auf der Erde.

Oberflächenströmungen

Die wichtigsten Oberflächenströmungen werden hauptsächlich durch Winde angetrieben, insbesondere durch die globalen Windsysteme wie die Passatwinde. Sie bilden große Kreisläufe, sogenannte ozeanische Gyre, die sich um Hochdruckgebiete drehen. Passatwinde wehen von Ost nach West und ziehen die Oberflächengewässer in diese Richtung. Dies beeinflusst auch die Verteilung von Wolken und Niederschlägen, was zu Trockenheit an den östlichen Kontinentalrändern führen kann, während die Westküsten oft feuchter sind.

Beispiele für wichtige Oberflächenströmungen sind:

• Äquatorialströmungen: Teil der großen antizyklonalen Wirbel auf der Nord- und Südhalbkugel.
• Kalte Polströmungen: Wie die Strömungen aus der Beringsee, Grönland und dem Arktischen Ozean, die parallel zu den Küsten verlaufen.
• Antarktischer Zirkumpolarstrom: Eine mächtige Strömung, die den antarktischen Kontinent im Uhrzeigersinn umfließt, typischerweise südlich von 60 Grad südlicher Breite.

Tiefenströmungen (Thermohaline Zirkulation)

Tiefenströmungen werden hauptsächlich durch Unterschiede in der Dichte des Meerwassers angetrieben. Dichteunterschiede entstehen durch Variationen in Temperatur (kälteres Wasser ist dichter) und Salzgehalt (salzigeres Wasser ist dichter). Dieses System wird als thermohaline Zirkulation bezeichnet.

Der Prozess beginnt, wenn Oberflächenwasser in kalten Regionen abkühlt und/oder durch Eisbildung salziger wird (da Salz beim Gefrieren ausgeschieden wird). Dieses dichtere Wasser sinkt ab und fließt entlang des Meeresbodens. Um das absinkende Wasser zu ersetzen, steigt an anderen Orten tieferes Wasser auf (Auftrieb). Dies geschieht besonders dort, wo Wasser stark abkühlt oder einen hohen Salzgehalt aufweist.

El Niño-Südliche Oszillation (ENSO)

Das Phänomen El Niño, auch bekannt als El Niño-Südliche Oszillation (ENSO), ist eine unregelmäßige Erwärmung des Oberflächenwassers im östlichen Pazifik vor der Küste Perus. ENSO tritt auf, wenn die Passatwinde schwächer werden und das warme Oberflächenwasser nicht mehr nach Westen ziehen. Stattdessen sammelt sich das warme Wasser im östlichen Pazifik an, was zur Bildung von Tiefdruckgebieten und Wolken in Küstennähe von Peru führt, wo normalerweise Trockenheit herrscht.

Die Ursachen von ENSO sind komplex und nicht vollständig geklärt, aber einige Wissenschaftler vermuten einen Zusammenhang mit dem Klimawandel, da dieser den Temperaturkontrast zwischen dem östlichen und westlichen Pazifik verringern und somit die Intensität der Passatwinde und Meeresströmungen beeinflussen könnte. Andere Theorien beziehen sich auf erhöhte vulkanische Aktivität an ozeanischen Rücken.

Das Globale Förderband der Ozeane

Das Globale Förderband der Ozeane (oder ozeanisches Förderband) ist ein riesiges System von Meeresströmungen, das alle Ozeane miteinander verbindet. Es besteht aus zwei Hauptteilen:

• Der erste Teil ist eine Tiefenströmung, die durch Dichteunterschiede angetrieben wird. Sie beginnt typischerweise in Regionen wie Grönland, wo kaltes, salziges und dichtes Wasser absinkt. Dieses Tiefenwasser fließt dann entlang des Meeresbodens bis in den Südatlantik und weiter in den Indischen und Pazifischen Ozean.
• Der zweite Teil ist eine Oberflächenströmung, die von dominanten Winden angetrieben wird. Im Pazifik erwärmt sich das Tiefenwasser und steigt auf. Es kehrt dann als Oberflächenströmung in umgekehrter Richtung zurück.

Dieses Förderband spielt eine entscheidende Rolle bei der globalen Wärmeverteilung. Beispielsweise transportiert es Wärme in den Nordatlantik, was das Klima in Nordeuropa mildert.

Spezifische Wetterphänomene

Monsun

Der Monsun ist ein saisonales Windsystem, das durch große Temperaturunterschiede zwischen Land- und Meeresmassen entsteht. Besonders ausgeprägt ist er in Asien. Im Sommer bildet sich über dem Kontinent ein Tiefdruckgebiet, das feuchte Winde vom Meer anzieht und starke Niederschläge verursacht. Im Winter kehrt sich das System um, und trockene Winde wehen vom Kontinent aufs Meer.

Depressionen und Stürme

Depressionen (Tiefdruckgebiete) oder Stürme sind Gebiete mit niedrigem Luftdruck, in denen Luftmassen konvergieren und aufsteigen. Sie sind oft mit starken Winden und Niederschlägen verbunden. Auf der Nordhalbkugel drehen sich die Winde gegen den Uhrzeigersinn in das Zentrum der Depression, auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn.

Kaltlufttropfen (DANA)

Ein Kaltlufttropfen, in Spanien oft als DANA (Depresión Aislada en Niveles Altos) bezeichnet, ist ein isoliertes Tiefdruckgebiet in großer Höhe (oft über 5000 m), das sich von der polaren Front abgelöst hat. Es bewegt sich unabhängig von den Oberflächenwetterbedingungen, oft nach Süden, und kann zu starken Niederschlägen und Gewittern führen, da es gesättigte, kalte Luft in höhere Schichten bringt, die dann Cumulonimbus-Wolken bilden.

Tornados

Ein Tornado ist ein extrem intensives, rotierendes Tiefdruckgebiet von geringer Dimension (typischerweise 50 bis 1000 m Durchmesser), aber mit sehr großen Druckunterschieden (bis zu 100 hPa). Die Luftsäule oder der Wirbel dreht sich meist gegen den Uhrzeigersinn mit Windgeschwindigkeiten von 50 km/h bis über 500 km/h. Tornados entstehen aus extrem heftigen Gewitterstürmen, oft aus Superzellen, wenn warme, feuchte Luft am Boden auf kalte Luft in der Höhe trifft und eine sehr instabile Atmosphäre schafft. Sie sind äußerst zerstörerisch und werden durch Staub, Kondensation und aufgewirbelte Tröpfchen sichtbar. Über dem Meer werden sie als Wasserhosen bezeichnet.

Hurrikane, Taifune und Zyklone

Hurrikane, Taifune und Zyklone sind große tropische Wirbelstürme mit Durchmessern von bis zu 500 km. Sie entstehen über warmem Meerwasser (mindestens 27 °C) in Breiten zwischen 5 und 15 Grad. Ihre Energie beziehen sie aus der Kondensation von aufsteigendem Wasserdampf. Sie sind durch starke Winde und heftige Stürme gekennzeichnet, wobei das Zentrum, das sogenannte Auge, oft windstill und klar ist.

Die Bezeichnungen variieren je nach Region:

• Hurrikan: Atlantik und Nordostpazifik.
• Taifun: Nordwestpazifik.
• Zyklon: Indischer Ozean und Südpazifik.

Ein tropischer Sturm wird zum Hurrikan, wenn seine Windgeschwindigkeit 116 km/h überschreitet und kann über 250 km/h erreichen. Wenn ein solcher Sturm auf Land trifft, verliert er schnell an Kraft und schwächt sich ab.

Klimawandel: Ursachen und Internationale Bemühungen

Der Klimawandel bezeichnet langfristige und signifikante Veränderungen im globalen oder regionalen Klima. Diese können sowohl natürliche Ursachen haben als auch durch menschliche Aktivitäten verstärkt oder ausgelöst werden.

Ursachen des Klimawandels

Die Hauptursachen für Klimaveränderungen sind vielfältig:

• Kontinentale Dynamik: Die Verschiebung der Kontinente durch Plattentektonik über geologische Zeiträume hinweg beeinflusst Meeresströmungen und Windsysteme.
• Vulkanische Aktivität: Große Vulkanausbrüche können Staub und Aerosole in die Atmosphäre schleudern, die die Sonneneinstrahlung reduzieren und zu einer Abkühlung führen.
• Astronomische Zyklen (Milanković-Zyklen): Variationen in der Erdumlaufbahn, der Neigung der Erdachse und der Präzession beeinflussen die Menge und Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erde über Zehntausende von Jahren.
• Sonnenfleckenaktivität: Schwankungen in der Intensität der Sonnenstrahlung, die mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus verbunden sind, können kurzfristige Klimaveränderungen auslösen.
• Treibhausgase: Der Anstieg von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) in der Atmosphäre, hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Öl, Kohle, Gas) durch den Menschen verursacht, verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt und führt zu einer globalen Erwärmung.

Internationale Klimakonferenzen und Abkommen

Die internationale Gemeinschaft hat auf den Klimawandel mit einer Reihe von Konferenzen und Abkommen reagiert:

• UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC): Auf dem Erdgipfel in Rio de Janeiro 1992 von 155 Ländern unterzeichnet, trat sie 1994 in Kraft. Ihr Ziel ist die Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre. Sie führte Konzepte wie die "gemeinsame, aber differenzierte Verantwortung" (Industrieländer tragen eine größere Verantwortung) und das Vorsorgeprinzip ein.
• Kyoto-Protokoll (1997): Dieses Abkommen quantifizierte erstmals verbindliche Emissionsminderungsziele für Industrieländer. Es führte auch flexible Mechanismen ein, um die Ziele kostengünstiger zu erreichen, wie den Emissionshandel oder den Technologietransfer zwischen Ländern.

Weitere Konferenzen der Vertragsparteien (COPs) wie die in Berlin (1995) und Genf (1996) dienten der Vorbereitung und Verhandlung weiterer rechtlicher Instrumente zur Umsetzung der UNFCCC-Ziele.