Meteorologische Grundlagen

Planetare Zirkulation

Energiehaushalt der Erde

Der Energiehaushalt der Erde wird maßgeblich von der solaren Strahlung bestimmt, die je nach Jahreszeit und geographische Breite unterschiedlich viel Energie auf die Erde bringt. Erst diese Energieunterschiede ermöglichen eine Zirkulation auf der Erde.

Bildquelle: mediawerk.de | Schematische Darstellung der solaren Strahlung je nach geographischer Breite.

Wie auf der Grafik zu sehen ist, trifft die Sonnenstrahlung am Äquator in einem steileren Einfallswinkel auf die Erde (vgl. b) ). Je höher der geographische Breitengrad, desto flacher fällt die Strahlung auf die Erdoberfläche (vgl. a) ) und desto weniger Energie erhält eine konstante Fläche. D.h. generell trifft am Äquator mehr Energie auf eine konstante Fläche als an den Polen. Hinzu kommt, dass die Sonnenstrahlung an den Polen aufgrund des geneigten Einfallswinkels einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen muss, wodurch zusätzlich Energie in Folge von Extinktion verloren geht. Ein dritter Effekt spielt bei der Vervollständigung des Energiehaushaltes noch eine große Rolle: Der Albedo-Effekt. Die Albedo ist ein Maß für das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden, also nicht eigen leuchtenden Oberflächen. Die Albedo hat an den Polen in Folge der überwiegend weißen Deckoberfläche - aufgrund von Schnee und Eis - ein besonders hohes potenzielles Rückstrahlvermögen. In Folge des hohen Rückstrahlvermögens wird ein Teil der eintreffenden Strahlung wieder in den Weltraum reflektiert, wodurch am Ende weniger Strahlung zur Energieübertragung zur Verfügung steht. Beispiele: Frischer Schnee reflektiert bis zu 90% der Sonnenstrahlung, Wasser etwa 30% (variiert stark nach Tageszeit) und Asphalt noch 15%. Zusätzlich strahlt der Erdmantel wie jeder schwarze Körper permanent Energie je nach Oberflächentemperatur ab.

Im Endeffekt spricht man am Äquator bzw. den Tropen von einer positiven Energiebilanz, Energie kann zur Erwärmung der Grundschicht verwendet werden. An den Polen existiert eine negative Energiebilanz, ohne Wärmeaustausch würden sich die Polregionen immer weiter abkühlen. In Folge der unterschiedlichen Energiebilanzen entsteht ein Temperaturgradient auf der Erde, welcher eine Zirkulation mit Wärmefluss von der Tropen- in die Polarregion initialisiert. In der Praxis wird der Großteil des Wärmeaustauschs über die Ozeane mittels Meeresströmungen initialisiert, aber auch über Luftmassenadvektion findet Energieflusss statt.

Entstehung von Zirkulation

Energiehaushalt und Zirkulation über den Tropen und der Polarregion. Q = Wärmeenergie ; T=Tiefdruck ; H = Hochdruck

Anhand der idealen Gaslgleichung möchte ich die Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten verdeutlichen:

(1): Die ideale Gasgleichung: P * V = n * R * T

(2): n =m/M

(3): (2) in (1) eingesetzt: P * V = m/M * R *T, P * V = m * Ri * T

(4) m = ρ * V

(5) (4) in (3) P*V = ρ * V * Ri * T

Nach ρ umgestellt: ρ = P*V / V * Ri * T

Legende:

n = Stoffmenge, P = Druck, V = Volumen, R = Gaskonstante, T = Temperatur, M = molare Masse, m= Masse, Ri = spezielle Gaskonstante, ρ = Dichte.

Nach Gleichung (5) ergibt sich bei Erhöhung der Temperatur (entspricht einer Energiezufuhr, da wegen Q = m * c *T bei c * m = const. , Q direkt proportional zu T ist ) eine geringere Dichte. Nach Gleichung (4) ist eine Reduzierung der Dichte gleich eine Reduzierung der Masse. Damit steigen Luftpakete am Äquator in Folge einer höheren Temperaturen (positive Energiebilanz), gleichzusetzen mit einer niedrigeren Dichte und einer niedrigeren Masse, auf. Über der Erdoberfläche entsteht durch fehlende Masse ein Tiefdruckgebiet, man spricht von der Innertropischen Konvergenzzone (ITC). An den Polen kühlt die Luftmasse aufgrund von Abstrahlung (negative Energiebilanz) aus, es entsteht kalte (=schwere) Luft. Die Luft strömt nun bodennah in Richtung Tiefdruckgebiet, aus der Höhe sinkt weitere Luft ab. Dies wird durch ein Hochdruckgebiet initialisiert, dem Polarhoch (engl. polar high). In der Praxis findet man zwischen den beiden thermischen Druckgebilden noch einen subtropischen Hochdruckgürtel (engl. subtropical high) und eine Zone subpolaren Tiefdrucks (engl. subpolar low).

Jahreszeiten

rot = Erdachse, blau = gleiche geographische Breite, je dicker die gelben Pfeile, desto höher die eintreffende Sonnenenergie.

Jahreszeiten existieren aufgrund der gekippten Erdachse und der damit verbundenen ständigen Änderung des Eintreffwinkels der Sonnenstrahlung auf eine geograhische Breite. Die blaue Achse auf der Grafik soll dabei Punkte gleicher geographischen Breite darstellen. Im Winter (linke Grafik), befindet sich ein Punkt links auf der Achse unter einem sehr flachen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung. Nachdem der Punkt um die Achse rotiert, befindet er sich im Sommer unter einem deutlich steileren Einfallswinkel der Sonnenstrahlung. Resümierend ändert sich die Energiezufuhr durch die solare Strahlung auf einem Breitengrad im Laufe einer Erdumdrehung ständig. Auch die thermisch, stationären Druckgebilde reagieren auf die unterschiedliche Energiezufuhr und verändern ihr Position. Die ITC wandert z.B. mit dem Sonnenstand, bleibt nicht ganzjährig stationär über dem Äquator. Die großen Ozeane reagieren allerdings sehr träge auf eine Änderung der Temperatur und hinken entsprechend einer Änderung des Sonnenstandes etwas nach. Deshalb fällt der Hochwinter auch erst auf die Zeit nach dem Sonnentiefststand und der Hochsommer auf die Zeit nach dem Sonnenhöchststand, also eine Verzögerung der Jahreszeiten durch den Trägheitseffekt des Meeres.