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Ein Tag am  Äquator  - die inneren Tropen

Am Äquator ist jeder Tag (fast) gleich wie der vorhergehende oder der nachfolgende!

Etwa um 6 Uhr früh bricht bei etwa 22°C im wahrsten Sinn des Wortes der Tag an, eine Dämmerung gibt es praktisch nicht. Die Sonne legt einen viel kürzeren, weil steileren Weg zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang zurück, als in unseren Breiten, deshalb wandert sie schneller über den Himmel. Der nächtliche Dunst löst sich gegen 8 Uhr auf und die Sonne beginnt vom Himmel zu brennen. Jede Feuchtigkeit wird bei den steigenden Temperaturen von der Luft aufgesaugt. Um 12 Uhr herum ist es bereits 30°C heiß, Wolkentürme beginnen sich rasant aufzubauen. Am frühen Nachmittag brechen aus schwarzen aufgeladenen Wolken heftige Gewitter mit gewaltigen Mengen Niederschlag los. Nach etwa einer dreiviertel Stunde bis Stunde ist der Platzregen vorüber, die Wolken haben sich abgeregnet und lösen sich auf. In der Sonne beginnt der nasse Boden und die Pflanzen zu dampfen. Die Luftfeuchtigkeit ist unerträglich hoch. Um18 Uhr geht bei ca. 26°C Lufttemperatur wieder fast ohne Vorankündigung die Sonne unter. Um Mitternacht ist die Temperatur auf 24°C gefallen. Bei weiterhin sehr hoher Luftfeuchtigkeit beginnt es dunstig zu werden.

Winde und Ozeanströmungen

(STM nach Lemke)

Winde um ortsstabile Hochdruckzellen herum transportieren in gewaltigen Förderbändern ähnlichen Ozeanströmungen kaltes Wasser Richtung Äquator und warmes Wasser vom Äquator Richtung der Pole.

Sie sorgen für eine Umverteilung des durch die hohe eingestrahlte Sonnenenergie entstandenen Temperaturüberschusses der Wassermassen am Äquator in Regionen mit kühlerem Wasser.

Damit sorgen die weltweiten Windsysteme nicht nur für eine Ableitung der Lufttemperaturgegensätze, sondern auch der termischen Gegensätze der Ozeane.

Die Meere haben aber auch noch mehr Einflus auf unseren Planeten:

(Video mit Übersetzung des Sprechertextes: NASA-Video: Ozeanströmungen)

Weitere Infos zu den großen Meeresströmungen:

• Ozeanströmungen weltweit

Klimaklassifikation nach Köppen-Geiger (neu)

(Ins Bild klicken für eine große Darstellung)

Der deutsche Klimatologe und Amateurbotaniker Wladimir Köppen (1846-1940) unterteilte das Landklima in Hauptzonen. Diese System wurde von Rudolf Geiger weiterentwickelt und liegt nun in einer aktualisierten Fassung (Kottek, et.al 2006) auf Basis der Daten bis zum Jahr 2000 vor.

Diese Klimaklassifikation ist ähnlich wie die von Troll-Pfaff eine effektiv-deskriptive Klassifikation, d.h. sie geht von vorhandenen gemessenen Mittwelwerten zu Niederschlag und Temperatur aus. Die Gründe für die Entstehung der Klimazonen werden nicht beschrieben, anders als bei der sog. genetischen Klimaklassifikation.

Sichtbar wird in dieser Klimaklassifikation z.B. der mögliche Wachstumsbereich für bestimmte Pflanzenarten, man sieht also, welche Regionen weltweit ähnliche Wachstumsbedingungen aufweisen.

Der erste Buchstabe (stets ein Großbuchstabe) gibt die Klimazone an:

Der zweite Buchstabe (f, w,s, m) gibt bei den Klimazonen A, C und D nähere Hinweise zur Niederschlagsverteilung, bei E wird zwischen Tundrenklima (T) und Dauerfrostklima (F) unterschieden, bei B zwischen Steppen- (S) und Wüstenklima (W).
Es wird also ein Klimatyp innerhalb der Klimazone gekennzeichnet:

Weitere mögliche Klimauntertypen werden mit einem dritten Buchstaben gekennzeichnet:

Möglich sind nun folgende Kombinationen:

Hier vier Beispiele für die Klimazonen A bis D:

A: tropisch feucht
w: wintertrocken

B: Trockenklimat
W: Wüste
h: heiß

C: humid, wärmster Monat über 10°C, kältester über -3°C
f: alle Monate feucht
b: warme Sommer, 4 Monatmittel unter 10°C

D: boreal (wärmster Monat über 10°C, kältester unter -3°C)
f: ganzjährig humid
c: kurze Sommer

Viele weitere Klimadiagramme zum selber ausprobieren gibt es auf: www.klimadiagramme.de

Klimaklassifikation nach Troll-Pfaff: -> hier klicken!

Quellen:

• Wilhelm Lauer, Jörg Bendix: Klimatologie
• http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/ (update der Klassifikation nach Köppen-Geiger)
• www.klimadiagramme.de (alle Klimadiagramme mit freundl. Genehmigung)

Energietransport weltweit - Wasser

(STM)

Die Atmosphäre der Erde enthält ungefähr 15.000.000 Milliarden Liter Wasser in dampfförmigem Zustand oder als Wassertröpfchen in Wolken. Diese Wassermenge wird in weniger als zwei Wochen einmal in der Atmosphäre ausgetauscht. Neues Wasser verdunstet, Wolken regnen ab.

Beim Verdunsten von Wasser wird Wärmeenergie verbraucht, wenn dann der Wasserdampf schließlich zu Tröpchen kondensiert wird dieselbe Energie wieder frei.
Beim Verdunsten und Kondensieren wird die Temperatur des Wassers nicht verändert, die Wärmeenergie wird allein für den Phasenübergang (flüssig <-> gasförmig) verbraucht.

(STM)

Diese Energiemenge ist im Vergleich zu anderen Stoffen sehr hoch, so benötigt ein Bestandteil von Wasser, Sauerstoff, nur eine Verdunstungswärme von 213 J/g.

So werden jeden Tag gewaltige Energiemengen in der Atmosphäre umverteilt, vertikal und über Winde auch horizontal.

Beispiel:Föhnfische und die Föhnmauer - Föhn

Niederschlagsmuster weltweit

Niederschläge:

• ITC: Konvektionsniederschläge durch räumlich eingegrenzte Erwärmung der Atmosphäre
• Zyklone: durch Zusammenströmen von feuchtwarmen Luftmassen (z.B. Hurrikan)
• Westwindzone (Polarfront): Niederschläge entlang der Polarfront durch Aufeinandertreffen von warmen und kalten Luftmassen
• Gebirge: Stauniederschläge durch Aufstieg (also orographisch bedingt)

Weltweiter Niederschlag in mm/Tag

Die Luft macht Druck - der Luftdruck

Was ist Luftdruck?
Luft besteht aus verschiedenen Gasen, unter anderem Sauerstoff (für genaue Angaben: -> hier klicken!).
Die Luftteilchen bewegen sich mit über 1500 km/h in der Atmosphäre und stoßen aneinander und an allen Oberflächen an. Die etwa 10 Milliarden Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter verursachen durch diese Zusammenstöße den Luftdruck.

Ein kleiner Versuch:

Über eine kleine Glasflasche wird (möglichst) luftdicht ein nicht aufgeblasener Luftballon gezogen.	Stellt man nun die Flasche in eisgekültes Wasser zieht sich der Ballon deutlich zusammen.

Das kalte Wasser wird durch beinahe kochendes ersetzt.	Der Ballon beginnt sich langsam wieder aufzublähen.	Bald ist er beinahe aufgeblasen (deutlicher Widerstand auf Druck).

An Hand des Versuchs kann man erkennen, dass sich abkühlende Luft zusammenzieht, sich erwärmende Luft ausdehnt. Die Zahl der Luftteilchen ändert sich aber nicht!
Anders ausgedrückt: durch die Abkühlung werden die Teilchen langsamer, der Druck wird geringer. Durch die Erwärmung bewegen sich die Teilchen schneller, der Druck erhöht sich.

Warum ist am Boden der Luftdruck am größten?
Durch die Kraft der Erdanziehung, die Schwerkraft, ist der größte Teil der Luftteilchen in der unteren Atmosphäre zusammengedrückt, in der sogenannten Troposphäre. Die Schwerkraft wirkt also gegen den Luftdruck.

(STM verändert nach: Weischet, Wiedersich)

Wie wird Luftdruck gemessen?

Barometer (STM/Hemera 2005)

In nichtelektronischen Luftdruckmessgeräten (Barometer) drückt die Luft eine metallene luftleere Kammer zusammen, im Bild oben die gerillte flache Dose unter Zeiger und Befestigung. Das Zusammendrücken wird mit Hilfe eines Hebelmechanismus auf einen Zeiger übertragen.

Die Bezeichnung mm Hg für den Luftdruck, also mm Höhe einer Quecksilbersäule, bezieht sich auf die klassische Messmethode, bei der der Luftdruck Quecksilber zusammendrückt, das in einer luftleeren Säule aufsteigt. Dabei ist der Normalluftdruck 760 mm Hg, also etwa ein dreiviertel Meter, steigt die Quecksilbersäule weniger hoch spricht man von einem Tiefdruckgebiet, steigt sie höher von hohem Luftdruck. Heutzutage benutzt man statt mm Hg die Einheit hPa, sprich Hektopascal. 760 mm Hg entsprechen dabei 1013 hPa, dem Normaldruck auf Meeresspiegelhöhe.

Was geschieht, wenn sich der Luftdruck ändert?
Steigt der Luftdruck, so wird entweder zusätzliche Luft an einen Ort geführt oder Luft wird erwärmt und der Druck steigt auf diese Art. Man spricht von einem Hochdruckgebiet.
Sinkt der Luftdruck, so strömt Luft von einem Ort weg oder die Luft kühlt sich ab. Man spricht von einem Tiefdruckgebiet.
Ein Beispiel: öffnet man im Winter ein Fenster, spürt man deutliche kalte Luft, die herein strömt. In das warme Zimmer (niedriger L.) fließt Luft aus der kalten Umgebung (hoher L.).

Zwischen besonders kalten Regionen (hoher Luftdruck) und den warmen Gürteln um die Erde (niedriger Luftdruck) wird weltweit ein Ausgleich des unterschiedlichen Drucks angestrebt. Diese Luftströmungen, die Winde, bilden verschiedene Gürtel auf der Erde. Bei uns in Europa herrschen insgesamt Westwinde vor, je nach Jahreszeit sind sie aber unterschieldich stark oder sie werden gar von anderen Strömungen verdrängt (-> Unser Klima in Europa).

Ein Tiefdruckgebiet zieht durch Mitteleuropa

Perfekt geformtes Tiefdruckgebiet über Island (NASA)

Die Polarfront: subtropische und polare Luftmassen treffen über dem Nordatlantik aufeinander. Die Obergrenze der Luftmassen liegt durch die Wärmeausdehnung am Äquator deutlich höher als an den Polen. Damit herrscht auch innerhalb der hohen Schichten subtropischer Warmluft ein höher Druck, als in der Luft aus den polaren Regionen.

Die starken Höhenwestwinde (Jetstreams) wehen wellenförmig, weil sie durch Bodenhindernisse wie Gebirge leicht abgelenkt werden. Diese wellenförmigen Bewegungen sorgt entlang der Polarfront immer wieder für die Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Stößt absinkende Luft aus dem subtropischen Bereich in einer Welle vor, so entsteht ein Hochdruckgebiet, dringt kalte polare Luft vor, so bildet sich ein Tiefdruckgebiet.

Da die Warmfront sich langsamer bewegt als die Kaltfront, weil sie durchs Aufgleiten abgebremst wird, holt die Kaltfront die Warmfront langsam ein. Die Drehrichtung wird durch die Corioliskraft vorgegeben, die Intensität des Eindrehens hauptsächlich vom der Stärke des Tiefdruckzentrums..

Bereits etwa 800-1000 km vor der Warmfront treffen in der Höhe warme aufgleitende Luftmassen auf kühlere Luft, es bilden sich dünne schleierartige Eiswolken, die Cirren. Die Wolkendecke verdichtet sich, immer tiefer liegt die Wolkengrenze, bis etwa 5-12 Stunden nach dem Auftreten der Cirren Regen einsetzt. Meist ist die Regenmenge nicht besonders hoch. Nach dem Durchzug der Warmfornt klart es bei leichtem Wind meist beinahe vollständig auf.

Nach der Warmfront zieht aber stets noch der zweite Teil der sich eindrehenden Zyklone durch, die Kaltfront. In der Kaltfront drückt die Kaltluft die warme Luft teilweise regelrecht zusammen, diese steigt auf und es kommt manchmal sogar zu Gewittern, auf jeden Fall aber zu starken Regenereignissen. Beim Durchzug kühlt es merklich ab.

Da die Warmfront beim Aufgleiten auf die Kaltluft an Schwung verliert, wird sie nach einiger Zeit von der Kaltluft eingeholt (in schwarz der Bereich der sog. Okklusion), die Temperaturunterschiede gleichen sich aus, die Zyklone löst sich langsam auf.

Abbildungen: übersetzt von STM nach K.A.Lemke (http://www.uwsp.edu/geo/faculty/lemke/geog101/)

Die ITC - die Wettermaschine der Tropen

Die Zone, in der die Winde (Passate) aus Nord und Süd zusammenlaufen, wird Innertropische Konvergenzzone (ITC) genannt. Sie liegt überwiegend nah am Äquator.
In dem äquatornahen Bereich, in dem die Sonneneinstrahlung auf der Erde am größten ist, wird der Boden und die darüber liegende Luft stark erwärmt, die Luft dehnt sich aus und steigt auf. Am Boden ist weniger Luft, als "normal" wäre, es entsteht ein Tiefdruckgebiet (der Luftdruck ist tiefer als gewöhnlich).

Die aufsteigende feuchte Luft kühlt sich ab, Wolken entstehen, es regnet kräftig.
Die Luft strömt in der Höhe (ca. 10-16 km), wo relativ viele Luftteilchen sind, also relativ hoher Luftdruck, nach Norden und Süden von der ITC weg, beginnt langsam abzusinken und erwärmt sich dabei.

Mit der Maus aufs Bild, um die Landmassen und die Vegetation sichtbar zu machen

Absinkende, sich erwärmende Luft ist sehr trocken und kann auch die Umgebungsfeuchtigkeit schlucken, ohne dass Wolken entstehen können. Dort, wo die Luft in Bodennähe kommt, ist durch die andauernd nachströmende Luft mehr Luft als "normal", ein Hochdruckgebiet bildet sich. Die Luft strömt vom Hochdruckgebiet weg in Richtung des tieferen Drucks, nämlich Richtung Äquator, also Richtung ITC. Die ganzjährig gleichmäßig wehenden Passate entstehen.
Diesen Kreislauf nennt man Hadley-Zelle.

Natürlich strömt die Luft aus den bodennahen Hochdruckgebieten auch Richtung Pol, das erzeugt einen neuen Kreislauf, auf den wir an dieser Stelle nicht eingehen.

Hier nochmals eine Zusammenfassung der Hadley-Zelle in Bildern:

Die Sonne wandert im Jahreslauf zwischen dem nördlichen und dem südlichen Wendekreis bei 23,5° hin und her.		Die ITC folgt etwas verzögert (in der Grafik nicht dargestellt) dem Sonnenstand, aber nur bis ca. 10° nördl. oder südl. Breite.
Im Bereich der Hochdruckgebiete, von denen die Passate ausgehen, herrscht heißes, trockenes Wetter.		Entlang der ITC regnet es täglich. Um den Äquator herum gibt es nahezu keine Trockenzeit. Bei 10° Nord und Süd gibt es jeweils eine Regenzeit. Den Regen, der dem Sonnenhöchststand (Zenit) folgt, nennt man Zenitalregen.

In dieser Grafik ist das hier besprochene Umwälzsystem auf beiden Seiten des Äquators das Zirkulationssystem 1, eben die sog. Hadley-Zelle.

Weitere Infos:

• Nigeria: Lagos und Kano, zwei Städte im Einfluss der ITC: -> hier klicken!
• Ein Tag am Äquator: -> hier klicken!
• Aus den klimatischen Verhältnissen entstehen die feuchten tropischen und ariden tropischen und subtropischen Klimazonen: -> mehr Infos!
• Vom Regenwald in die Wüste, eine Reise mit dem Nil: -> hier klicken!
• Eine direkte Auswirkung haben die Klimazonen auch auf die Ökozonen (Ökosysteme): tropischer Regenwald, Savanne, Wüste

Hintergründe und weitere Zirkulationssyteme:

• Was ist der Luftdruck: -> Luftdruck und Winde weltweit
• Sonneneinstrahlung (Beleuchtung): ->Sonne - Motor des Klimas
• Das weltweite Zirkulationssystem: ->Luftmassenaustausch weltweit

Aufbau und Zusammensetzung der Atmosphäre

Der Aufbau der Erdatmosphäre
(STM verändert und ergänzt nach Battan, Weischet, u.a.)

Animation: ->Ein Flug durch die Atmosphäre

Klima - Sonne, Erdbahnschwankungen,...

Sonne:
Die Sonne wird ebenfalls als Einflussfaktor des Weltklimas gesehen. Regelmäßige sehr geringe Schwankungen in ihrem Energieausstoß haben, weil sie etwa alle sieben Jahre auftreten, keine wesentlichen langfristigen Auswirkungen auf das Klima. In den letzten 150 Jahren hat allerdings wohl der Gesamtenergieausstoß der Sonne etwas zugenommen, so dass ein geringer zusätzlicher Energiebetrag auf der Erde eintrifft. Aktuelle Berechnungen gehen von einem Strahlungsantrieb von +0,12 Watt pro Quadratmetern aus.
[nach: Hansen, James E.: Lässt sich die Klima-Zeitbombe entschärfen? und IPCC 2007]

Erde:
Immer wiederkehrende, aber unregelmäßige Veränderungen in der Erdumlaufbahn können durchaus den Übergang zwischen Warm- und Kaltzeiten (Eiszeiten) beschleunigen oder auslösen.
Schwankungen war in den letzten 250.000 Jahren unter anderem die Erdneigung unterworfen, Werte zwischen 22° und 24,5° wurden gemessen (heute: 23,5°). Auch der Abstand Sonne Erde, die sog. Präzession, variiert minimal jahreszeitlich. Momentan ist das Perihel, die größte Annäherung, im Januar. Die Bahnexzentrizität beschreibt wie stark die elliptische Umlaufbahn der Erde um die Sonne von einer Kreisbahn abweicht. Auch hier gab es Schwankungen. Nimmt man die Veränderung dieser Parameter zusammen, so zeigt es sich, dass Veränderungen der Erdumlaufbahn mit dem Auftreten von Warm- und Kaltzeiten zusammenhängen.
Wir leben heute in einer Warmzeit, die vor etwa 11.600 Jahren begann und etwa 15.000 bis
20.000 Jahre dauern sollte, wenn man die Längen der letzten vier Warmzeiten statistisch bewertet. Neue physikalische Überlegungen, basierend auf der astronomischen Theorie der
Eiszeiten, zeigen allerdings, dass die heutige Warmzeit durchaus auch 50.000 Jahre andauern könnte. Die nächste Eiszeit sollte ihren Höhepunkt in 50.000 bis 60.000 Jahren haben, dann begänne wieder eine langsame Erwärmung.
Diese Voraussagen an Hand der Erdbahnparameter scheinen nicht zum derzeit messbaren Klimawandel zu passen. Da sie nicht leicht bewertbar sind, gehen sie nicht in die Berechnungen in der obigen Grafik ein.
[Erde: nach Graedel, Thomas E., Paul J.Crutzen: Atmosphäre im Wandel;
WBGU Sondergutachten 2003]

Anmerkung:
Manchmal wird das Klimasystem als Teilmenge des Ganzen defniert und zwar nur durch die
Klimasystemkomponenten, die für eine bestimmte zu betrachtende Zeitspanne nennenwerte
Variabilität aufweisen. Diese Definition ist aber nur sinnvoll, wenn die zeitliche Entwicklung des Klimasystems nicht von der Entwicklung der langsamen Komponenten des Klimasystems abhängt.

Quelle (STM: leicht gekürzt und verändert):
Martin Claussen: Physik des Klimasystems (http://www.pik-potsdam.de/~claussen/teaching/)

Wo der Kreislauf des weltweiten Wettergeschehens beginnt!

Vom subpolaren Tiefdruckgürtel bis zu den subtropisch-randtropischen Hochdruckgebieten nimmt der Luftdruck insgesamt zu.

In der Höhe über den subtropisch-randtropischen Hochdruckgebieten dringt warme Luft als fingerartige Ausbuchtung polwärts vor und trifft in Schüben auf kühlere Luft tieferen Luftdrucks.

Winde wehen grundsätzlich entlang der Linien gleichen Luftdrucks, der Isobaren.

An den Warmluftvorstößen liegen die Isobaren nahe beieinander, wie als ob die Warmluftfinger in die Kaltluft hineindrücken. Ein großer Luftdruckgegensatz herrscht auf kurze Strecke.

(STM)

Zwischen den fingerartigen Warmluftvorstößen wird der Druckgegensatz geringer, die Isobaren weichen auseinander.

Strömung beim Auseinanderweichen der Isobaren
(STM nach Weischet)

Im Bereich des Auseinanderstrebens der Isobaren wird die leicht Richtung Äquator strömende Luft noch weiter nach rechts Richtung Äquator abgelenkt (durch die Corioliskraft). Damit strömt in der Höhe Luft deutlich Richtung Äquator über die subtropisch-randtropischen Hochdruckgebiete am Boden.

Somit liegt über den Bodenhochdruckgebieten mehr Luft. Diese zusätzliche Masse an Luftteilchen lastet auf dem Bodenhochdruckgebiet, dessen Hochdruck sich durch die zusätzliche Luftlast stabilisert oder sogar verstärkt.

Diese dynamisch - also eben durch die polwärts gerichteten Warmluftvorstöße in der Höhe - erzeugten subtropisch-randtropischen Hochdruckgebiete sind der Ausgangspunkt für den gesamten tropischen Zirkulationsmechanismus.
Aus ihnen fließt am Boden Luft heraus. In Richtung Äquator nennt man diese sehr beständigen Luftströmungen Passate. Dies Passate erwärmen sich über der tropischen Zone, steigen langsam und in der ITC verstärkt auf. Die Hadley-Zelle ist geboren.