Passat (Windsystem)

Grundlagen und Bedeutung

Ein Passat ist ein mäßig starker und sehr beständiger Wind, der in den Tropen und Subtropen bis zu etwa 30° geographischer Breite rund um den Erdball auftritt. Passatwinde sind Teil der planetarischen Zirkulation, also des großräumigen Windsystems der Erde. Sie sind wichtig, weil sie Wetter, Niederschläge, Trockenzeiten, Wüstenklima und auch die traditionelle Segelschifffahrt stark beeinflussen.

Passatwinde wehen grundsätzlich sehr regelmäßig in derselben Richtung. Im Atlantik reichen sie bis etwa 28° nördlicher Breite, im Pazifik bis etwa 25° nördlicher Breite. Wenn Gebirgsmassive sie nicht ablenken, wehen sie auf der Nordhalbkugel aus Nordost und auf der Südhalbkugel aus Südost. In Äquatornähe drehen sie stärker auf eine östliche Richtung und werden schwächer.

Im Jahresmittel liegt die Innertropische Konvergenzzone, kurz ITC oder ITCZ, etwa fünf Breitengrade nördlich des Äquators. Das liegt daran, dass sich auf der Nordhalbkugel größere Landmassen befinden, die sich stärker erwärmen als die Ozeane der Südhalbkugel.

Richtungen und Eigenschaften

Die Passatwinde werden nach der Richtung benannt, aus der sie wehen. Der Nordost-Passat weht auf der Nordhalbkugel aus nordöstlicher Richtung. Der Südost-Passat weht auf der Südhalbkugel aus südöstlicher Richtung.

Zwischen den beiden Passatzonen liegt die Innertropische Konvergenzzone. Dort steigen Luftmassen senkrecht auf. Deshalb ist diese Zone oft windstill oder nur schwach windig; sie wird auch Kalmen genannt. Die Winde dort wehen meist nur schwach und aus unterschiedlichen Richtungen.

Die Eigenschaften eines Passats hängen stark davon ab, über welche Erdoberfläche er zieht. Über Wasserflächen nimmt die Luft Feuchtigkeit auf. Trifft ein solcher Passat als relativ konstanter, auflandiger Wind auf Küstengebiete, bringt er dort regelmäßige Niederschläge. Über Landmassen bleibt der Feuchtigkeitsgehalt dagegen gering, weil die Luftmassen beim Aufstieg in der ITC und beim späteren Wiederabsinken getrocknet wurden. Dadurch können in weiten Regionen trockene, teils wüstenartige Klimabedingungen entstehen.

Entstehung der Passate

Die Entstehung der Passatwinde beginnt in Äquatornähe. Dort steht die Sonne mittags fast senkrecht, mit einem Einstrahlungswinkel bis zu 90°, also im Zenit. Obwohl die Tage dort nur 12 bis maximal 13,5 Stunden lang sind, erwärmt die starke Sonneneinstrahlung die Luft über dem Boden sehr stark. Warme Luft hat eine geringere Dichte und steigt auf. Am Boden entsteht dadurch entlang der ITC eine Tiefdruckrinne.

Beim Aufsteigen kühlt sich die Luft adiabatisch ab. Das bedeutet: Sie kühlt durch Ausdehnung ab, ohne dass Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird. Dabei kondensiert Wasser, Wolken bilden sich, und häufig entstehen heftige Gewittergüsse. Durch Verdunstung am Boden und Kondensation in der Höhe wird zusätzliche Wärmeenergie von der Erdoberfläche nach oben transportiert.

An der Tropopause, in etwa 15 bis 18 Kilometer Höhe, strömt die Luft vom Äquator nach Norden und Süden. Sie kühlt zwar weiter ab, bleibt aber im Vergleich zu Luftmassen höherer Breiten relativ warm. Dadurch entsteht die Passatinversion: eine stabile Temperaturschichtung, bei der sehr warme Luft aus der ITC über weniger warmer Luft höherer Breiten liegt. Diese Schichtung behindert den vertikalen Luftaustausch.

Während die Luft polwärts strömt, wird sie auf engeren Raum zusammengedrängt, weil die Meridiane vom Äquator zu den Polen hin näher zusammenlaufen. Der Abstand zweier Meridiane beträgt am Äquator rund 111 km, beim 30. Breitengrad nur noch rund 96 km. Deshalb müssen viele Luftmassen nach unten ausweichen. Ein großer Teil sinkt im Bereich um ca. 30° Nord und 30° Süd ab. Dort entstehen stabile Hochdruckgebiete; beim Absinken erwärmt sich die Luft.

Aus diesen Hochdruckgebieten strömt die Luft wieder zur äquatorialen Tiefdruckrinne zurück. Wegen der Erdrotation wird sie durch die Corioliskraft abgelenkt: auf der Nordhalbkugel in Strömungsrichtung nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. So entstehen die Nordost- und Südost-Passate. In den Subtropen bilden sich oft flache Kumuluswolken, die Passatwolken genannt werden. Die Passatwindinversion verhindert, dass sie weiter in die Höhe wachsen.

Jahreszeitliche Verschiebungen

Die Passatzirkulation verschiebt sich im Jahreslauf, weil die Erdachse gegenüber der Umlaufbahn der Erde geneigt ist. Dadurch wandert der Zenitstand der Sonne: Zur Sommersonnenwende steht die Sonne über dem nördlichen Wendekreis, zur Wintersonnenwende über dem südlichen Wendekreis. Mit der Sonneneinstrahlung verschiebt sich auch die Innertropische Konvergenzzone und damit das Windsystem der Passate zwischen den beiden Wendekreisen.

Viele tropische Regionen geraten deshalb im Verlauf eines Jahres abwechselnd unter den Einfluss des Nordost-Passats und des Südost-Passats. Die genaue Lage der ITC wird zusätzlich durch die Verteilung von Land- und Wassermassen, deren unterschiedliche Erwärmung und durch große Gebirgsketten beeinflusst. Über Nordpakistan und Indien verschiebt sich die ITC im Sommer durch den Himalaya ungewöhnlich weit nach Norden, bis über den 35. Breitengrad hinaus.

Weil der Feuchtigkeitsgehalt der Passatwinde davon abhängt, ob sie über Wasser oder Land ziehen, können Nordost- und Südost-Passat sehr unterschiedliche Niederschlagsmengen bringen. Dadurch entstehen Regen- und Trockenzeiten. Am Golf von Guinea in Westafrika liegt die Regenzeit zum Beispiel in den Monaten Mai bis Juli, wenn der Südostpassat wirkt. Im Rest des Jahres herrscht dort Trockenzeit unter dem Einfluss des Nordostpassats. Auch Küstenwüsten wie die Atacamawüste im Norden Chiles werden durch trockene Passatwinde mitverursacht.

Besonderheiten über dem Indischen Ozean

Über dem Indischen Ozean kommt es regelmäßig zu einer besonderen Änderung der Windrichtung. Wenn sich die Innertropische Konvergenzzone sehr weit auf die Nordhalbkugel verlagert, überquert der Südost-Passat den Äquator. Danach wirkt die Corioliskraft anders: Der Wind wird nicht mehr nach Westen, sondern nach Osten abgelenkt.

Dadurch dreht der Südost-Passat auf südwestliche Richtung. Er kommt dann also aus dem Südwesten. Das geschieht regelmäßig über dem Indischen Ozean, weil die ITC über Indien und Pakistan zu Beginn des Sommers ungewöhnlich weit nach Norden wandert, bis über den 30. nördlichen Breitengrad hinaus.

Geschichte und tropische Wellen

Die Passatwinde waren für die Seefahrt besonders wichtig, weil sie beständig und gut vorhersagbar sind. Christoph Kolumbus gilt als der erste Seefahrer, der dieses damals noch nicht erforschte Phänomen auf seinen Entdeckungsreisen nutzte. Nachdem er die Kanaren verlassen hatte, gelangte er in die Zone der Passatwinde. Im Bordbuch seiner ersten Reise gibt es dazu einen ausführlichen Eintrag vom 25. August 1492.

Die Passatzirkulation wurde erstmals 1735 von George Hadley sachlich richtig beschrieben. Das war rund einhundert Jahre bevor Gaspard Gustave de Coriolis die Corioliskraft allgemeiner als Ursache der Bewegungsablenkung in westlicher Richtung erkannte. Das Luftzirkulationssystem, dem die Passate entspringen, heißt daher Hadley-Zelle.

Segelschiffe nutzten und nutzen die Passate zur schnelleren Überquerung der Ozeane. Das war besonders in der Zeit der Rahsegler wichtig, weil diese nur mühsam gegen den Wind kreuzen konnten und bei seitlichem oder achterlichem Wind deutlich schneller waren. Der Nordost-Passat war auch eine Komponente des atlantischen Dreieckshandels der frühen Neuzeit: Europäische Segelschiffe fuhren an der afrikanischen Westküste nach Süden, nutzten dann den Nordost-Passat für die Fahrt nach Westen und später Meeresströmungen, die Westwindzone und den Golfstrom für die Rückfahrt nach Europa.

In die Passatströmung sind außerdem tropische Wellen, auch easterly waves genannt, eingebettet. Während die Bodenströmung aus Nordost oder Südost weht, herrscht in der Höhe ab ca. 2000 m meistens eine reine Ostströmung, der sogenannte Urpassat. Dieses breitenparallele Windband kann zu schwingen beginnen. Dann entsteht eine wellenförmige Strömung mit einer Wellenlänge von etwa 15 bis 30 Längengraden. In diesen Wellen bilden sich hochreichende Quellwolken mit starken Regenschauern. Die Schlechtwettergebiete ziehen mit ungefähr 22 km/h nach Westen und können die Keimzelle tropischer Wirbelstürme sein.