Planetarische Zirkulation

Grundidee der globalen Zirkulation

Die planetarische Zirkulation, auch allgemeine oder globale Zirkulation, bezeichnet großräumige Zirkulationssysteme der Atmosphäre. Durch ihr Zusammenwirken bestimmen sie die Wetterdynamik der Erdatmosphäre.

Sie ist eine Modellvorstellung: Ein vollständiges Bild der realen Atmosphärendynamik ist nach dem dargestellten Forschungsstand nicht erreichbar. Besonders nur unvollständig erfasst sind Vorgänge der mittleren und höheren Atmosphäre, die Wechselwirkungen der Zirkulationssysteme untereinander und mit anderen Erdsphären wie den Ozeanen, Veränderungen im Jahresgang und bei Klimaveränderungen sowie Einflüsse kleinerer Wettersysteme.

Die Energiequelle ist die Sonne. In Äquatornähe trifft pro Fläche viel, in Polarregionen wenig Energie ein. Daraus entstehen Temperatur- und Luftdruckunterschiede: Erwärmte Luft steigt am Äquator auf; am Boden bildet sich die äquatoriale Tiefdruckrinne, in großer Höhe ein Hoch. Kalte Luft setzt sich an den Polen ab; dort entstehen ein Polarhoch am Boden und ein Tiefdruckgebiet in größerer Höhe.

Drei Zellen und die Corioliskraft

In der groben Vereinfachung würde bodennahe Luft vom Pol zum Äquator strömen und in der Höhe vom Äquator zum Pol zurückkehren. Die Erddrehung verursacht jedoch die Corioliskraft: Bewegungen werden auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt. Äquatorwärts strömende Luft wird dadurch zum Nordostwind auf der Nordhalbkugel und zum Südostwind auf der Südhalbkugel.

Je Hemisphäre werden drei schlauchförmige Zirkulationszellen unterschieden. Luft, die in der Höhe vom Äquator polwärts fließt, sinkt wegen der polwärtigen Flächenkonvergenz größtenteils spätestens bei rund 30° Breite ab. Polwärts vom Pol strömende Luft erwärmt sich und steigt ab rund 60° Breite auf. Zwischen beiden Systemen liegt jeweils eine dritte, gegenläufige Zelle.

Dementsprechend gibt es bodennahe Windsysteme: die Passate in niederen Breiten, Westwinde in beziehungsweise über den gemäßigten oder mittleren Breiten und polare Ostwinde. Die Zellen heißen Hadley-Zelle, Ferrel-Zelle und Polarzelle.

Konvergenzzone und Passatzirkulation

Die Innertropische Konvergenzzone (ITC; englisch ITCZ) ist eine den Erdball umfassende Tiefdruckrinne in der Äquatorialzone beziehungsweise den inneren Tropen. Dort strömen die Passatwinde zusammen; sie konvergieren. Die bisher horizontale Luftbewegung geht in eine vertikale über. Deshalb treten häufig Flauten auf: Die ITC ist eine Kalmenzone, auch Äquatorialer Kalmengürtel genannt. Schnell aufsteigende feuchtwarme Luftmassen führen häufig zu Gewittern.

Die Lage der ITC folgt im Jahreslauf dem Zenitstand der Sonne, aber wegen der ungleichen Verteilung von Land und Meer nicht symmetrisch zum Äquator. Im Atlantik und Pazifik wandert sie ungefähr von 13° N im Nordsommer zu 3° N im Nordwinter. Im Indischen Ozean liegt sie im Nordwinter bei etwa 10° S. Im April überquert sie den Äquator nordwärts und geht zum Sommer hin im südasiatischen Monsuntief auf. El Niño und andere langfristig periodische Phänomene beeinflussen ebenfalls ihre Lage und damit die Lage anderer Zonen.

Liegt die ITC auf der Nordhalbkugel, überquert der Südostpassat den geografischen Äquator und wird durch die veränderte Corioliskraft zu einem bodennahen Südwestwind. Beiderseits der ITC liegen die stabilen Hadley-Zellen. Ihre zuverlässigen Passatwinde wehen ganzjährig; die Rückströmung in großer Höhe heißt Antipassat oder Gegenpassat. Der nördliche Antipassat ist ein Südwestwind, der südliche ein Nordwestwind. Das Hadley-Zellen-Konzept bleibt ein Modell: Nicht alle in der ITC aufsteigenden Luftmassen können über die Passate ausgeglichen werden; lokal sinken Luftpakete auch innerhalb der ITC ab.

Subtropische Hochs und Westwinddrift

Um rund 30° Breite sinken Luftmassen ab, erwärmen sich und können dadurch mehr Wasserdampf aufnehmen. Die relative Luftfeuchtigkeit sinkt, und es entsteht ein Hochdruckgebiet mit wenig Luftbewegung. Diese Breiten heißen Rossbreiten; für die Segelschifffahrt bedeuteten die dortigen Flauten ein Problem.

Zwischen Hadley- und Polarzelle liegt die gegenläufige Ferrel-Zelle. In Bodennähe wird dort Luft polwärts verlagert; unter Einwirkung der Jetstreams entstehen westliche Winde. Daher heißt die Zone auch Westwindzone oder Westwinddrift der gemäßigten Breiten. Ihre äquatorseitige Grenze liegt bei rund 35° Breite. Sie enthält etwa 38 % des gesamten Energieunterschieds zwischen Inneren Tropen und Polen und ist wegen der großen Energie- und Temperaturunterschiede besonders instabil.

Bei rund 60° bis 70° geographischer Breite treffen feuchtwarme Westwinde auf kalte polare Ostwinde. Dort bildet sich die Polarfront. Ihr ständiges Mäandrieren mit 4–6 Wellen, den Rossby-Wellen, begünstigt die Entstehung von Tiefdruckgebieten; dieser Vorgang heißt Zyklogenese. Die Tiefs wandern in die Westwinddrift und bringen relativ gut voraussagbares Schlechtwetter. Da Land die Strömungen stärker bremst als Wasser, sind planetarische Winde auf der Südhalbkugel stärker ausgeprägt. Die „Brüllenden Vierziger“, Westwinde um den 40. Breitengrad Süd, sind ein Beispiel.

Polarzelle und Veränderungen

Polare Ostwinde erwärmen sich auf ihrem Weg bis zum Polarkreis so weit, dass sie aufsteigen. Die Polarzelle bildet ebenfalls einen Kreislauf mit einer Gegenströmung in der Höhe. Als polare Hochdruckkappe ist sie außer an ihrem Rand sehr stabil.

Im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung verringert sich nach dem Artikel das Temperaturgefälle zwischen Westwinddrift und Polarzellen. Der Jetstream schwächt sich ab. Dadurch können Kaltlufteinbrüche in den Mittelbreiten und Warmluft in den Polregionen häufiger werden. Auch Hoch- und Tiefdruckgebiete der Westwinddrift verlagern sich dann anders, bleiben länger in einer Region und können häufigere sowie stärkere Extremwetterereignisse verursachen.