Geowissenschaften

Unterrichtsziele

• Listen Sie die Eigenschaften der Luftströmungen innerhalb einer Konvektionszelle auf.
• Beschreiben Sie, wie Hoch- und Niederdruckzellen lokale Winde erzeugen, und erklären Sie, wie sich verschiedene Arten von lokalen Winden bilden.
• Diskutieren Sie, wie globale Konvektionszellen zu den globalen Windgürteln führen.

Vokabular

• Advektion
• Chinook-Winde (Föhn-Winde)
• haboob
• Hochdruckzone
• Jetstream
• katabatische Winde
• Landbrise
• Niederdruckzone
• Monsun
• Bergbrise
• polar front
• rainshadow effect
• Santa Ana winds
• sea breeze
• valley breeze

Einführung

Ein paar Grundprinzipien tragen wesentlich dazu bei, zu erklären, wie und warum sich Luft bewegt: Warme Luft, die aufsteigt, erzeugt eine Niederdruckzone am Boden. Luft aus der Umgebung wird in den von der aufsteigenden Luft hinterlassenen Raum gesaugt. Luft strömt horizontal an der Spitze der Troposphäre; horizontale Strömung wird Advektion genannt. Die Luft kühlt ab, bis sie absteigt. Wo es den Boden erreicht, erzeugt es eine Hochdruckzone. Luft, die von Gebieten mit hohem Druck zu niedrigem Druck strömt, erzeugt Winde. Warme Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen als kalte Luft. Luft, die sich an den Basen der drei großen Konvektionszellen in jeder Hemisphäre nördlich und südlich des Äquators bewegt, erzeugt die globalen Windgürtel.

Luftdruck und Winde

Innerhalb der Troposphäre sind Konvektionszellen (Abbildung unten).

Luft, die sich horizontal zwischen Hoch- und Niederdruckzonen bewegt, erzeugt Wind. Je größer die Druckdifferenz zwischen den Druckzonen ist, desto schneller bewegt sich der Wind.

Konvektion in der Atmosphäre erzeugt das Wetter des Planeten. Wenn warme Luft in einer Niederdruckzone aufsteigt und abkühlt, kann sie möglicherweise nicht das gesamte darin enthaltene Wasser als Dampf aufnehmen. Etwas Wasserdampf kann kondensieren, um Wolken oder Niederschlag zu bilden. Wenn kühle Luft absteigt, erwärmt sie sich. Da es dann mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann, verdunstet die absteigende Luft Wasser auf dem Boden.Luft, die sich zwischen großen Hoch- und Niederdrucksystemen bewegt, erzeugt die globalen Windgürtel, die das regionale Klima tiefgreifend beeinflussen. Kleinere Drucksysteme erzeugen lokalisierte Winde, die das Wetter und Klima eines lokalen Gebiets beeinflussen.

Ein Online-Leitfaden zu Luftdruck und Wind von der University of Illinois finden Sie hier: http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/mtr/fw/home.rxml.

Lokale Winde

Lokale Winde resultieren aus Luft, die sich zwischen kleinen Nieder- und Hochdrucksystemen bewegt. Hoch- und Niederdruckzellen werden durch eine Vielzahl von Bedingungen erzeugt. Einige lokale Winde haben sehr wichtige Auswirkungen auf das Wetter und das Klima einiger Regionen.

Land- und Meeresbrise

Da Wasser eine sehr hohe spezifische Wärme hat, hält es seine Temperatur gut. Wasser erwärmt und kühlt sich also langsamer ab als Land. Wenn zwischen der Meeresoberfläche (oder einem großen See) und dem angrenzenden Land ein großer Temperaturunterschied besteht, bilden sich Hoch- und Niederdruckregionen. Dies erzeugt lokale Winde.

• Im Sommer weht eine Meeresbrise vom kühleren Ozean über das wärmere Land (Abbildung unten). Wo ist die Hochdruckzone und wo ist die Niederdruckzone? Meeresbrise weht bei etwa 10 bis 20 km (6 bis 12 Meilen) pro Stunde und niedrigere Lufttemperatur viel wie 5 bis 10 ° C (9 bis 18 ° F).
• Im Winter weht eine Landbrise vom Land zum Meer. Wo ist die Hochdruckzone und wo ist die Niederdruckzone? Etwas wärmere Luft aus dem Ozean steigt auf und sinkt dann an Land, wodurch die Temperatur über dem Land wärmer wird.

Land- und Meeresbrise schaffen das angenehme Klima, für das Südkalifornien bekannt ist. Die Wirkung von Land- und Meeresbrisen ist nur etwa 50 bis 100 km (30 bis 60 Meilen) landeinwärts zu spüren. Derselbe Kühl- und Erwärmungseffekt tritt bei Tag und Nacht in geringerem Maße auf, da sich das Land schneller erwärmt und abkühlt als der Ozean.

Monsunwinde

Monsunwinde sind größere Versionen von Land- und Meeresbrisen; Sie wehen im Sommer vom Meer auf das Land und im Winter vom Land auf das Meer. Monsunwinde treten dort auf, wo sehr heiße Sommerländer neben dem Meer liegen. Gewitter sind während des Monsuns häufig (Abbildung unten).

Der wichtigste Monsun der Welt findet jedes Jahr über dem indischen Subkontinent statt. Mehr als zwei Milliarden Einwohner Indiens und Südostasiens sind für ihr Trink- und Bewässerungswasser auf Monsunregen angewiesen. In den Tagen der Segelschiffe transportierten saisonale Verschiebungen der Monsunwinde Waren zwischen Indien und Afrika hin und her.

Berg- und Talbrise

Temperaturunterschiede zwischen Bergen und Tälern erzeugen Berg- und Talbrise. Tagsüber erwärmt sich die Luft an Berghängen stärker als die Luft auf derselben Höhe über einem angrenzenden Tal. Im Laufe des Tages steigt warme Luft auf und zieht die kühle Luft aus dem Tal, wodurch eine Talbrise entsteht. Nachts kühlen die Berghänge schneller ab als das nahe gelegene Tal, wodurch eine Bergbrise bergab fließt.

Katabatische Winde

Katabatische Winde bewegen sich an Hängen auf und ab, aber sie sind stärkere Berg- und Talbrisen. Katabatische Winde bilden sich über einer hohen Landfläche wie ein Hochplateau. Das Plateau ist normalerweise auf fast allen Seiten von Bergen umgeben. Im Winter wird das Plateau kalt. Die Luft über dem Plateau wird kalt und sinkt durch Lücken in den Bergen vom Plateau ab. Die Windgeschwindigkeiten hängen vom Luftdruckunterschied über dem Plateau und der Umgebung ab. Katabatische Winde bilden sich über vielen kontinentalen Gebieten. Extrem kalte katabatische Winde wehen über der Antarktis und Grönland.

Chinook-Winde (Föhn-Winde)

Chinook-Winde (oder Föhn-Winde) entwickeln sich, wenn Luft über eine Bergkette gedrückt wird. Dies geschieht zum Beispiel, wenn die Westwinde Luft aus dem Pazifischen Ozean über die Sierra Nevada in Kalifornien bringen. Wenn die relativ warme, feuchte Luft über der Luvseite der Berge aufsteigt, kühlt sie sich ab und zieht sich zusammen. Wenn die Luft feucht ist, kann sie Wolken bilden und Regen oder Schnee fallen lassen. Wenn die Luft auf der Leeseite der Berge sinkt, bildet sie eine Hochdruckzone. Die Luvseite einer Bergkette ist die Seite, die den Wind empfängt; die Leeseite ist die Seite, auf der die Luft sinkt.

Die absteigende Luft erwärmt sich und erzeugt starke, trockene Winde. Chinook-Winde können die Temperaturen in einer Stunde um mehr als 20 ° C (36 ° F) erhöhen und die Luftfeuchtigkeit schnell senken. Schnee auf der Leeseite des Berges verschwindet schmilzt schnell. Wenn Niederschlag fällt, wenn die Luft über den Bergen aufsteigt, wird die Luft trocken sein, wenn sie auf der Leeseite sinkt. Diese trockene, sinkende Luft verursacht einen Regenschatteneffekt (Abbildung unten), der viele Wüsten der Welt erzeugt.

Santa Ana Winde

Santa Ana Winde entstehen im Spätherbst und Winter, wenn das Great Basin östlich der Sierra Nevada abkühlt und eine Hochdruckzone entsteht. Der hohe Druck zwingt Winde bergab und im Uhrzeigersinn (wegen Coriolis). Der Luftdruck steigt, also steigt die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit sinkt. Die Winde wehen über die südwestlichen Wüsten und rasen dann bergab und nach Westen in Richtung Ozean. Die Luft wird durch Schluchten gezwungen, die die Berge San Gabriel und San Bernardino durchschneiden (Abbildung unten).

Die Winde von Santa Ana kommen oft am Ende der langen Dürresaison in Kalifornien an. Die heißen, trockenen Winde trocknen die Landschaft noch mehr aus. Wenn ein Feuer ausbricht, kann es sich schnell ausbreiten und große Verwüstungen verursachen (Abbildung unten).

Wüstenwinde

Hohe Sommertemperaturen in der Wüste erzeugen starke Winde, die oft mit Monsunstürmen in Verbindung gebracht werden. Wüstenwinde nehmen Staub auf, weil es nicht so viel Vegetation gibt, um Schmutz und Sand niederzuhalten. (Abbildung unten). Ein Haboob bildet sich im Abwind an der Vorderseite eines Gewitters.

Staubteufel, auch Wirbelwinde genannt, bilden sich, wenn der Boden so heiß wird, dass sich die Luft darüber erwärmt und aufsteigt. Luft strömt in den Niederdruck und beginnt sich zu drehen. Staubteufel sind klein und kurzlebig, können aber Schaden anrichten.

Atmosphärische Zirkulation

Da mehr Sonnenenergie auf den Äquator trifft, erwärmt sich die Luft und bildet eine Niederdruckzone. An der Spitze der Troposphäre bewegt sich die Hälfte in Richtung Nordpol und die Hälfte in Richtung Südpol. Während es sich entlang der Spitze der Troposphäre bewegt, kühlt es ab. Die kühle Luft ist dicht und wenn sie eine Hochdruckzone erreicht, sinkt sie zu Boden. Die Luft wird in Richtung des niedrigen Drucks am Äquator zurückgesaugt. Dies beschreibt die Konvektionszellen nördlich und südlich des Äquators.

Wenn sich die Erde nicht drehen würde, gäbe es eine Konvektionszelle in der nördlichen Hemisphäre und eine in der südlichen mit der aufsteigenden Luft am Äquator und der sinkenden Luft an jedem Pol. Aber weil sich der Planet dreht, ist die Situation komplizierter. Die Rotation des Planeten bedeutet, dass der Coriolis-Effekt berücksichtigt werden muss. Der Coriolis-Effekt wurde im Kapitel Ozeane der Erde beschrieben.

Betrachten wir die atmosphärische Zirkulation in der nördlichen Hemisphäre als Ergebnis des Coriolis-Effekts (Abbildung unten). Luft steigt am Äquator auf, aber wenn sie sich in Richtung des Pols oben in der Troposphäre bewegt, lenkt sie nach rechts ab. (Denken Sie daran, dass es nur nach rechts abzulenken scheint, weil sich der Boden darunter bewegt. 30 ° nördlicher Breite trifft die Luft vom Äquator auf Luft, die aus den höheren Breiten in Richtung Äquator strömt. Diese Luft ist kühl, weil sie aus höheren Breiten kommt. Beide Luftchargen steigen ab und erzeugen eine Hochdruckzone. Am Boden angekommen, kehrt die Luft zum Äquator zurück. Diese Konvektionszelle wird Hadley-Zelle genannt und befindet sich zwischen 0° und 30°N.

Es gibt zwei weitere Konvektionszellen in der nördlichen Hemisphäre. Die Ferrell-Zelle liegt zwischen 30 ° N und 50 ° bis 60 ° N. Diese Zelle teilt ihre südliche, absteigende Seite mit der Hadley-Zelle im Süden. Sein nördlicher aufsteigender Schenkel wird mit der Polarzelle geteilt, die sich zwischen 50 ° N und 60 ° N und dem Nordpol befindet, wo kalte Luft absteigt.

Auf der südlichen Hemisphäre gibt es drei spiegelbildliche Zirkulationszellen. In dieser Hemisphäre lässt der Coriolis-Effekt Objekte nach links ablenken.

Globale Windgürtel

Globale Winde wehen in Gürteln, die den Planeten umgeben. Die globalen Windgürtel sind enorm und die Winde sind relativ konstant (Abbildung unten). Diese Winde sind das Ergebnis der Luftbewegung am Boden der großen atmosphärischen Zirkulationszellen, wo sich die Luft horizontal von hohem zu niedrigem Druck bewegt.

Globale Windgürtel

Schauen wir uns die globalen Windgürtel in der nördlichen Hemisphäre an.

• In der Hadley-Zelle sollte sich die Luft von Norden nach Süden bewegen, wird aber durch Coriolis nach rechts abgelenkt. Die Luft weht also von Nordosten nach Südwesten. Dieser Gürtel ist der Passatwind, so genannt, weil sie zur Zeit der Segelschiffe gut für den Handel waren.
• In der Ferrel-Zelle sollte sich die Luft von Süden nach Norden bewegen, aber die Winde wehen tatsächlich aus Südwesten. Dieser Gürtel sind die Westwinde oder Westwinde. Warum dauert ein Flug quer durch die USA von San Francisco nach New York City Ihrer Meinung nach weniger Zeit als die umgekehrte Reise?
• In der Polarzelle reisen die Winde aus Nordosten und werden polare Osterfliegen genannt

Die Windgürtel sind nach den Richtungen benannt, aus denen die Winde kommen. Die Westwinde wehen zum Beispiel von West nach Ost. Diese Namen gelten auch für die Winde in den Windgürteln der südlichen Hemisphäre.

Dieser Videovortrag diskutiert das 3-Zellen-Modell der atmosphärischen Zirkulation und die daraus resultierenden globalen Windgürtel und Oberflächenwindströmungen (5a): http://www.youtube.com/watch?v=HWFDKdxK75E (8:45).

Globale Winde und Niederschläge

Neben ihrer Wirkung auf die globalen Windgürtel bestimmen die von den sechs atmosphärischen Zirkulationszellen erzeugten Hoch- und Niederdruckgebiete allgemein die Niederschlagsmenge, die eine Region erhält. In Niederdruckregionen, in denen die Luft steigt, ist Regen üblich. In Hochdruckgebieten verursacht die sinkende Luft Verdunstung und die Region ist normalerweise trocken. Spezifischere Klimaeffekte werden im Kapitel über Klima beschrieben.

Polarfronten und Jetstreams

Die Polarfront ist die Verbindung zwischen den Ferrell- und Polarzellen. In dieser Niederdruckzone läuft relativ warme, feuchte Luft der Ferrell-Zelle in relativ kalte, trockene Luft der Polarzelle. Das Wetter, in dem sich diese beiden treffen, ist extrem variabel, typisch für einen Großteil Nordamerikas und Europas.

Der polare Jetstream befindet sich hoch oben in der Atmosphäre, wo die beiden Zellen zusammenkommen. Ein Jetstream ist ein schnell fließender Luftfluss an der Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre. Strahlströme bilden sich dort, wo ein großer Temperaturunterschied zwischen zwei Luftmassen besteht. Dies erklärt, warum der polare Jetstream der stärkste der Welt ist (Abbildung unten).

Jetstreams bewegen sich saisonal so, wie sich der Winkel der Sonne am Himmel nach Norden und Süden bewegt. Der polare Jetstream, bekannt als „der Jetstream“, bewegt sich im Winter nach Süden und im Sommer nach Norden zwischen etwa 30 ° N und 50 ° bis 75 ° N.

Zusammenfassung der Lektion

• Winde wehen von Hochdruckzonen zu Niederdruckzonen. Die Druckzonen entstehen, wenn die Luft in Bodennähe wärmer oder kälter wird als die Luft in der Nähe.
• Lokale Winde können in einem Gebirgstal oder in Küstennähe auftreten.Die globalen Windmuster sind langfristige, stetige Winde, die um einen großen Teil des Planeten herrschen.
• Die Lage der globalen Windgürtel hat einen großen Einfluss auf das Wetter und das Klima eines Gebiets.

Fragen überprüfen

1. Zeichnen Sie ein Bild einer Konvektionszelle in der Atmosphäre. Beschriften Sie die Nieder- und Hochdruckzonen und wo der Wind ist.
2. Unter welchen Umständen wird der Wind sehr stark sein?
3. Angesichts dessen, was Sie über Konvektionszellen auf globaler Ebene wissen, wohin würden Sie reisen, wenn Sie an warmem, reichlichem Regen interessiert wären?Beschreiben Sie die atmosphärische Zirkulation für zwei Orte, an denen Sie wahrscheinlich Wüsten finden, und erklären Sie, warum diese Regionen relativ warm und trocken sind.
4. Wie konnte die Stärke des indischen Monsuns verringert werden? Welche Auswirkungen hätte eine Verringerung dieser wichtigen Monsune auf diesen Teil der Welt?
5. Warum ist der Name „Snow eater“ eine treffende Beschreibung für Chinook Winds?
6. Warum scheint sich die Luft durch den Coriolis-Effekt auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn zu bewegen? Wann bewirkt der Coriolis-Effekt, dass sich die Luft gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen scheint?
7. Seeleute bezeichneten einst einen Teil des Ozeans als die Flaute. Dies ist eine Region, in der es häufig keinen Wind gibt, so dass sich Schiffe für Tage oder sogar Wochen beruhigen würden. Wo könnte die Flaute Ihrer Meinung nach im Vergleich zu den atmosphärischen Zirkulationszellen liegen?
8. Stellen Sie sich vor, der Jetstream liegt weiter südlich als im Sommer üblich. Wie ist das Wetter in Regionen nördlich des Jetstreams im Vergleich zu einem normalen Sommer?
9. Geben Sie eine allgemeine Beschreibung, wie sich Winde bilden.

Weiterführende Literatur / Ergänzende Links

• High and Low Pressure Systems institute, Bureau of Meteorology, Australische Regierung http://www.bom.gov.au/lam/Students_Teachers/pressure.shtml

Zu berücksichtigende Punkte

• Wie beeinflussen lokale Winde das Wetter in einem Gebiet?
• Wie beeinflussen die globalen Windgürtel das Klima in einem Gebiet?
• Was sind die Hauptprinzipien, die steuern, wie die Atmosphäre zirkuliert?