Das ENSO-Phänomen

Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre (aZdA)

Engl. general circulation; syn. (dt.) allgemeine atmosphärische Zirkulation, planetare Zirkulation; die die Lufthülle der Erde charakterisierenden Strömungssysteme. Das Wort 'allgemein' heißt in diesem Zusammenhang, dass nicht eine spezielle Situation betrachtet wird, sondern vielmehr, dass klimatologische Mittelwerte der globalen atmosphärischen Zirkulationsphänomene gemeint sind.

Die atmosphärischen Strömungssysteme führen zu einem globalen Austausch der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Luft. Letztendliche Ursache dieser Zirkulation ist der zwischen Äquatorregion und Polargebieten bestehende, auf Ausgleich angelegte thermische Unterschied. Dieser stellt nicht nur für die aZdA einen wichtigen Antrieb dar, sondern auch für die Ozeane.

Strahlungsbilanz
(a) Unterscheidung von Tropen und Polargebieten mit Hilfe des Zugewinns an Strahlung im Jahresmittel, bzw. des Verlustes an Strahlung. Quelle: UCAR, The COMET Program (kostenfreie Registrierung erforderlich)	(b) Globale jährliche Strahlungsbilanz in W/m² (Global annual radiation budget) in meridionaler Verteilung an der Erdoberfläche. Während zwischen etwa 40° N und S die Strahlungsbilanz mit bis zu 50 W/m² ein Überschussgebiet darstellt (positive Werte), nehmen die Gebiete polwärts 40° Breite negative Strahlungsbilanzwerte an. Es handelt sich hierbei somit um Defizitgebiete, die an den Polen jeweils Tiefstwerte von weniger als -100 W/m² erreichen.

Eine Gegenüberstellung der Strahlungsbilanzwerte von niederen und hohen Breiten entlang eines meridionalen Profils verdeutlicht das Strahlungsungleichgewicht und damit das thermische Ungleichgewicht auf der Erde (Abb. oben).

Theoretisch würden sich aufgrund der dargestellten Wärmeüberschüsse und -defizite nach den Gesetzen der Strahlungsklimatologie Temperaturdifferenzen zwischen dem Äquator und den Polargebieten von mehr als 80 K ergeben. Die tatsächlich gemessenen Werte weichen allerdings erheblich von den berechneten Werten ab.

Zum Beispiel zeigt sich, dass zwischen dem Äquator und 30° Breite die beobachteten Werte deutlich unter den für diese Klimazonen berechneten Werten liegen. Hierauf weisen die negativen Differenzen hin. Die Atmosphäre ist in diesen Gebieten also wesentlich kühler als sie es theoretisch sein müsste.

Jenseits 60° Breite hingegen ist die Luft vergleichsweise erheblich wärmer, ersichtlich an den positiven Differenzen. Offensichtlich findet ein großräumiger Wärmeaustausch statt. Der Grund hierfür ist in der Wirkungsweise der aZdA zu sehen. Die Energietransporte erfolgen sowohl über die Atmosphäre als auch durch die Ozeane.

Würde die Erde nicht oder nur sehr langsam rotieren, wäre das atmosphärische Zirkulationsmuster deutlich einfacher als es in Wirklichkeit ist (vgl. Abb. unten): Die meridional unterschiedliche Strahlungs- und Energiebilanz der Erdoberfläche und bodennahen Luftschicht lässt in den beiden Polargebieten ein thermisches Hoch und in niederen geographischen Breiten, in etwa längs des Äquators, ein thermisches Tief, die äquatoriale Tiefdruckrinne entstehen. In Bodennähe würde geradewegs eine Strömung vom Hoch zum Tief stattfinden, die zusammen mit Hebung im Tief, Absinken im Hoch und hochtroposphärischer Ausgleichsströmung in jeder Hemisphäre, ein vertikal angeordnetes Zirkulationsrad, auch Zelle genannt, ergibt. Das ist die Einzellentheorie.

Konvektionszellenmodelle
Schema eines Einzellenmodells für einen Wasserplaneten	Schema eines Dreizellenmodells für einen Planeten mit Kontinenten
Quelle: UCAR, The COMET Program (kostenfreie Registrierung erforderlich)

In einer weiteren Überlegung tritt die Erdrotation und mit ihr die Corioliskraft hinzu, die auf der NHK Rechts- auf der SHK Linksablenkungen horizontaler Bewegungen zur Folge hat. Man hat versucht, diese Auswirkungen durch den Übergang von der Einzellen- auf die Dreizellentheorie plausibel zu machen, inhaltlich aber noch nicht überzeugend (vgl. Abb. oben rechts).

Die Wärmeüberschüsse und -defizite führen in der Atmosphäre zu großräumig angelegten Luftdruckunterschieden und setzen Ausgleichsströmungen auf beiden Hemisphären in Gang. Bei der Erde als rotierendem und mit Strömungshindernissen unterschiedlicher Größe versehenen Körper müssen neben der Gradient- und Reibungskraft noch weitere für den Mechanismus der planetaren Zirkulation wichtige Größen beachtet werden. Hierzu gehören insbesondere der Drehimpuls, der in Abhängigkeit von der Mitführgeschwindigkeit am Äquator groß und in hohen Breiten klein ist, sowie die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft. Drehimpuls und Corioliskraft sind für die Zonalzirkulation von ausschlaggebender Bedeutung. Durch die Corioliskraft wird ja vom Äquator kommende, polwärts mit hohem Drehimpuls versehene Luft auf der NHK nach rechts und auf der SHK nach links abgelenkt. Letztendlich bewirken diese Größen, dass zur Beschreibung der aZdA ein komplexeres Dreizellenmodell herangezogen wird.

Die Abbildung unten links versucht durch entsprechende Modifikationen, einschließlich der meridional unterschiedlichen Tropopausenhöhe, trotz der noch immer stark vereinfachten Modellvorstellung eine gewisse Annäherung an die Realität zu erreichen.

Insbesondere wird das weitgehend reale tropisch/subtropische Zirkulationsrad, die Hadley-Zelle, übernommen. In den mittleren Breiten liegt die Ferrel-Zelle und polwärts die im Wesentlichen die Strömungverhältnisse der Polargebiete charakterisierende Polar-Zelle.

Die graphische Darstellung der drei Strömungszellen ist allerdings problematisch, da die meridionalen Strömungskomponenten dabei überbetont werden. Es gilt daher zu beachten:

• Die zonalen Strömungskomponenten sind deutlich größer als die meridionalen Strömungen.
• Aufgrund der zellulären Struktur der Druckgürtel des Bodenluftdruckfeldes erfolgt die meridionale Verlagerung von Luftmassen nicht gleichmäßig sondern auf Bahnen zwischen den Druckzellen.

Die zur Hadley-Zelle gehörige bodennahe Strömung ist der Nordost- bzw. Südostpassat, der im Bereich der äquatorialen Tiefdruckrinne konvergiert, daher der zugehörige Name innertropische Konvergenzzone. Im langjährigen Durchschnitt fallen im Bodenluftdruckfeld die markanten Hochdruckzellen der Randtropen auf (s. Abb.unten). Äquatorwärts liegt eine Zone tieferen Luftdrucks, die durch die Lage der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) nachgezeichnet wird. Diese verlagert sich jahreszeitlich sehr stark und ist Ausdruck der erhöhten Temperaturen im Sommer der jeweiligen HK.

Das Westwindband der Mittelbreiten ist durch wandernde Hoch- und Tiefdruckgebiete gekennzeichnet. Aufgrund der jeweiligen Drehrichtung der Luft um die Zentren der dynamischen Druckgebilde scheren Hochdruckgebiete in Strömungsrichtung der Westwinde nach rechts, Tiefdruckgebiete nach links aus. Daraus ergibt sich im statistischen Mittel im Meeresniveau eine Luftdruckverminderung auf der polwärtigen Seite des Westwindbandes und eine Luftdruckerhöhung auf der äquatorwärtigen Seite. Das Ergebnis ist die subpolare Tiefdruckrinne und der subtropisch-randtropische Hochdruckgürtel. Die Gründe für die zelluläre Struktur der globalen Druckgürtel sind in der Land-Meer-Verteilung zu suchen. Dadurch liegen beispielsweise die im vorangehenden Kapitel behandelten Mäander der Westwindströmung bevorzugt in bestimmten Bereichen der Erde.

Es wird in den Abbildungen der Januar- und Juli-Situation auch deutlich, dass die Lage der Hochdruckzellen im Sommer gegenüber der Wintersituation verschoben ist. Die ITCZ kann als thermischer Äquator interpretiert werden. Das bedeutet, dass sie die jeweils wärmsten Bereiche der Erde nachzeichnet. Die Entstehung des tiefen Luftdrucks ist thermisch bedingt. Durch die hohen Temperaturen kommt es zu einer Aufwölbung der Isobaren und zu einem Luftmassenabfluss in der oberen Troposphäre. Damit geht eine Verminderung des Bodenluftdrucks einher.

Ein weiterer thermischer Effekt ergibt sich über den Polargebieten beider Hemisphären. Aufgrund der niedrigen Temperaturen wird dort in der Höhe Luft zugeführt und der Bodenluftdruck wird erhöht (Polarhoch).