Hadley-Zelle

 

 

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Hadley-Zelle
oder Passat-Zirkulation

Die Hadley-Zirkulation ist Teil der planetaren, thermisch bedingte Zirkulation innerhalb der Troposphäre zwischen dem subtropischen Hochdruckgürtel und der äquatorialen Tiefdruckrinne (ITCZ). Sie ist ein Teil der globalen Zirkulation und das zentrale Element der atmosphärischen Zirkulation in den Tropen. Die troposphärische Zirkulation gliedert sich in Abhängigkeit von der geographischen Breite auf jeder Hemisphäre in drei großräumige Strömungsmuster, wie die Abbildung rechts zeigt.

Dabei wird - vereinfacht ausgedrückt - die Luft in Äquatornähe erwärmt und steigt konvektiv auf. Am Boden bildet sich dadurch ein Tief, die äquatoriale Tiefdruckrinne, und in großer Höhe ein Hoch. Weil sich Luftdruckunterschiede durch Massenströme ausgleichen und in der äquatorialen Tiefdruckrinne am Boden kein Vakuum entstehen kann, bewirkt der in der Höhe herrschende höhere Druck ein seitliches Abfließen der Luft nach Norden und Süden. Auf ihrem Weg kühlt sie sich ab, wird dichter und somit schwerer und sinkt im Bereich der subtropischen Hochdrückgürtel bei etwa 30° Nord und 30° Süd nach unten. Am Boden fließt die Luft dann horizontal als Passatwind wieder zum niedereren Druck an der äquatoriale Tiefdruckrinne und füllt den dort herrschenden tieferen Druck auf. Die hier aus nördlichen und aus südlichen Richtungen zusammentreffenden Luftmassen bilden die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ). Es bildet sich also ein großräumiger Luftkreislauf, die Hadley-Zelle. Die Hadley-Zellen liegen beidseits der äquatorialen Tiefdruckrinne und sind sehr stabil.

Diese großräumigen Luftströmungen unterliegen der Corioliskraft, welche die nördlich des Äquators herrschenden Höhensüdwinde zu Südwestwinden bzw. die südlich des Äquators in der Höhe herrschenden Nordwinde zu Nordwestwinden ablenkt. Die bodennahen Nord- bzw. Südwinde werden analog auf der Nordhalbkugel zu Nordostwinden, dem Nordostpassat, bzw. zu Südostwinden, dem Südostpassat, auf der Südhalbkugel. Diese Strömung wird Passatzirkulation oder auch Hadley-Zirkulation genannt. Die Ausbildung der Passatwinde ist daher eng mit dem vertikalen Zirkulationssystem in der tropischen Atmosphäre verbunden.

Die Wolken der ITCZ, die Lage des Subtropenjets sowie die permanent wehenden Passatwinde zeigen die Lage und Ausdehnung der Hadley-Zellen an.

Darauf, daß es sich bei der üblichen Darstellung als eine geschlossene Zelle nur um eine vereinfachte, idealisierte Beschreibungen handelt, wurde bereits hingewiesen.

Die Hadley-Zelle wurde nach ihrem Entdecker George Hadley benannt. Dieser hatte die sog. Passatwinde erstmals 1735 fachlich beschrieben. Dies war noch rd. 100 Jahre bevor Gaspard Gustave de Coriolis die Corioliskraft als Ursache der Bewegungsablenkung erkannte.

Einige Grundlagen zu den Passatwinden sind im Kapitel Zirkulation dargestellt.

 

globale Zirkulation

 

Schema der Hadley-Zelle

Ursprung der Passatwinde

Energiequelle für die Zirkulationen in der Atmosphäre ist die Sonne. Durch die Kugelgestalt der Erde und deren Rotation steht die Sonne am Äquator nahezu ganzjährig im Zenit, also senkrecht zur Erdachse. Somit wird den äquatornahen Regionen der Erde viel Energie pro Fläche zuführt, den polaren Regionen aber nur wenig (siehe Sonneneinstrahlung). Die intensive Sonneneinstrahlung im Bereich der Tropen und Subtropen führt dort zu einem Energieüberschuß gegenüber den höheren Breiten. Die mit der geographischen Breite variierende Intensität der Sonneneinstrahlung hat daher ein andauerndes Temperaturgefälle zwischen den äquatorialen und den polaren Gebieten der Erde zur Folge. Diese Energiedifferenz zwischen den Tropen und den Polarregionen wird über die Ozeane und, was hier interessiert, die Atmosphäre durch einen Austausch der Luftmassen ausgeglichen - die Windsysteme unseres Planeten dienen hier als "Klimaanlage". Dabei zeigt sich, daß diese thermisch angeregte Zirkulation jedoch nicht von den Tropen bis zu den Polen reicht, sondern nur bis ca. 30° geographischer Breite wirkt.

Da warme Luft leichter als kalte Luft ist, steigt sie in die Höhe auf (archimedisches Prinzip). Dabei kühlt sich die aufsteigende Luft ab und es bilden sich Wolken und schließlich auch teils kräftiger Niederschlag. Die Folge dieses Vorgangs sind zahllose Bodentiefdruckgebiete, die rund um den Globus zu einer Tiefdruckrinne (innertropische Konvergenzzone, ITCZ) verschmelzen. Im Höhenbereich um etwa 16 km kann die Luft jedoch durch die Tropopause, die eine horizontale Barriere darstellt, nicht weiter aufsteigen. Folglich muß sie nach Norden oder Süden vom Äquator weg ausweichen. Der überwiegende Teil der polwärts strömenden Luftmassen sinkt schließlich im Bereich um etwa 30° Nord bzw. 30° Süd wieder ab. Dadurch entstehen in diesen Regionen sehr stabile Hochdruckgebiete, die teils den ganzen Erdball umspannen (subtropische Hochdruckgürtel).

Die absinkende Luft muß am Boden schließlich wieder auseinander strömen. Dabei gehorcht sie dem Luftdruckgefälle und weht hauptsächlich zur äquatorialen Tiefdruckrinne hin. Bei dieser recht stabilen horizontalen Luftbewegung unterliegt sie wieder der Corioliskraft, die die Luft entsprechend der Hemisphäre nach links (Südhalbkugel) oder nach rechts (Nordhalbkugel) ablenkt. Die entstehenden Windsysteme sind dann die Passatwinde (siehe Abbildungen oben rechts).

Angetrieben durch die Unterschiede in der solaren Einstrahlung ist die konkrete Ausprägung der atmosphärischen Zirkulation letztlich abhängig von der Stärke der Coriolis-Kraft und des meridionalen (d.h. parallel zu den Längenkreisen oder Meridianen verlaufenden) Temperaturgradienten und damit von der geographischen Breite.

In den Tropen sind sowohl der meridionale Temperaturgradient als auch der Einfluß der Corioliskraft klein, so daß sich eine relativ ungestörte konvektive Zirkulation in Form der Hadley- bzw. Passat-Zirkulation (Hadley-Zelle) ausbilden kann. Die erwärmte Luft am Äquator nimmt vor allem über den Ozeanen große Mengen an thermischer Energie in Form von fühlbarer und durch das verdunstende Wasser in Form von latenter Wärme auf. Im Bereich der äquatorialen Tiefdruckrinne (ITCZ) wird sie durch Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen. Beim Aufsteigen kühlt sich die Luft adiabatisch ab, was schnell zur Sättigung führt, so daß der Wasserdampf kondensiert (Wolkenbildung). Bei der Kondensation wird die zuvor bei der Verdunstung des Wassers aufgenommene latente Wärme wieder frei, was den weiteren Aufstieg dieser Luftmasse befördert. Auf diese Weise wird in der Höhe Wärme freisetzt, d.h. Wärmeenergie von der Erdoberfläche in die Höhe befördert. Als Folge steigt  die Luft im Bereich der innertropischen Konvergenzzone in sog. hot towers konvektiv heftig auf, zum Teil bis in die Stratosphäre. Der aufsteigende Ast der Hadley-Zelle in der ITCZ ist somit durch starke Quellbewölkung und ergiebige konvektive Niederschläge geprägt (tropische Gewittergüsse).

Die aufgestiegenen Luftmassen strömen dann auf Höhe der Tropopause (in ca. 15 – 18 km Höhe) nach Norden und Süden vom Äquator weg. Dabei kühlt die Luft zwar weiter ab, bleibt aber im Vergleich zu den Luftmassen der höheren Breiten dennoch relativ warm. Durch diese Temperaturschichtung mit der warmen, äquatorialen Luft über der vergleichsweise kühleren Luft der höheren Breiten entsteht die stabile Passatinversion, die einen vertikalen Luftaustausch weitgehend verhindert.

Der Energieüberschuß der tropischen Breiten wird so über die Konvektion in die polwärts gerichteten Höhenströmungen (Anti- oder Gegenpassate) abgeführt. Der mit ihnen vollzogene Energietransport erfolgt sowohl über einen Wärme- als auch über einen Drehimpulstransfer, denn die vom Äquator stammenden Luftpakete haben infolge des dort gegebenen größeren Abstandes zur Rotationsachse einen stärkeren Drehimpuls als Luft der höheren Breiten.


Schema Passatwind

Auf ihrem Weg in Richtung der Pole werden die Luftmassen auf einen zunehmend engeren Raum zusammengedrängt, weil sich die Meridiane vom Äquator bis zu den Polen einander immer weiter annähern (der Abstand zweier Meridiane am Äquator beträgt rund 111 km, am 30. Breitengrad aber nur rund 96 km). Zudem ist auch die Höhe der Tropopause zu den Polen hin geneigt. Diese räumliche Einengung drängt auch die Luftmassen zusammen und zwingt sie in Richtung Erdoberfläche. Ein Großteil der in der Höhe polwärts strömenden Luftmassen sinkt infolge weiterer Abkühlung bei etwa 30° nördlicher bzw. südlicher Breite ab. Im Jahresmittel reicht der Einfluß der Zellen bis etwa 35° Breite. Auf diese Weise entstehen im Bereich der größten Luftdruckgegensätze sog. Tropopausenbrüche oder Luftdrucktreppen mit eng begrenzten Zonen großer Windgeschwindigkeiten in der Höhe: die Subtropenjets. 

Der Bereich, in dem die Luftmassen zur Erde zurücksinken, bildet den subtropischen Hochdruckgürtel mit seinen stabilen Hochdruckgebieten, wie z.B. das Azorenhoch, welches Mitteleuropa vor allem im Sommer häufig länger andauernde Schönwetterperioden bringt. Weil sich absinkende Luft trockenadiabatisch erwärmt, kann sie wieder mehr Wasser aufnehmen. In der Höhe fehlt aber die Möglichkeit zur Feuchtigkeitsaufnahme. Nachdem sie durch die tropischen Regengüsse schon viel Feuchtigkeit verloren hat, wird die ohnehin schon trockene Luft jetzt sehr trocken. Die Ausbildung von Trockenzonen mit mehr oder weniger großen Wüsten in diesem Bereich wird somit einsichtig.

Die aus dem Hochdruckgebiet am Boden ausströmende Luft folgt nun wieder dem Luftdruckgefälle, so daß die Hauptströmungen zur äquatorialen Tiefdruckrinne hin wehen. Diese Winde sind relativ stabil. Diese großräumigen Luftströmungen unterliegen der Corioliskraft, welche die nördlich des Äquators herrschenden Höhensüdwinde zu Südwestwinden bzw. die südlich des Äquators in der Höhe herrschenden Nordwinde zu Nordwestwinden ablenkt. Die bodennahen Nord- bzw. Südwinde werden analog auf der Nordhalbkugel zu Nordostwinden, dem Nordostpassat, bzw. zu Südostwinden, dem Südostpassat, auf der Südhalbkugel. Diese Strömung wird Passatzirkulation oder auch Hadley-Zirkulation genannt und in einfachen, idealisierten Beschreibungen als eine geschlossene Zelle angesehen (siehe untere Abbildung ganz oben rechts). Sie werden aufgrund der Erdrotation (Coriolis-Kraft) zu leicht östlichen Winden abgelenkt, nämlich auf der Nordhalbkugel in Strömungsrichtung nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links. So entstehen die Nordost- bzw. Südost-Passate, die sich allerdings im Jahreslauf verändern (siehe unten). Diese Winde sind in ihrer Richtung, Stärke und in Temperatur- und Niederschlagsverhältnissen so charakteristisch, daß sie schon früh in der Seefahrt genutzt wurden. Bereits die frühen Seefahrer haben diese konstant wehenden Passatwinde zur Navigation benutzt.

Das Zusammenströmen der Passate gibt der innertropischen Konvergenzzone ihren Namen.

An die Zone der Passatwinde schließt sich polwärts der subtropische Hochdruckgürtel ("Roßbreiten") mit häufiger Windstille und stabilen Hochdruckgebieten an (z.B. Azorenhoch).

Passatwinde

Passatwinde über dem Atlantik

Über dem Atlantik weht der starke (violette) Passatwind stetig von den kühleren subtropischen Meeresbereichen zum warmen Wasser der innertropischen Konvergenz-Zone (ITCZ), knapp nördlich des Äquators. Sowohl das Konvergenz-Gebiet im Bereich der  ITCZ als auch das Divergenzgebiet an den Roßbreiten werden durch niedrige Windgeschwindigkeit (blau) angezeigt. In den mittleren Breiten sind starke Verwirbelungen zu erkennen, die von der Erdrotation verursacht werden und aus denen sich spiralförmige Wettersysteme bilden. Der Nordatlantik wird von einem Hochdrucksystem beherrscht, dessen antizyklonale (im Uhrzeigersinn) Strömung zu starken Winden parallel zur Küste Portugals und Marokkos führt (Nordostpassat).

Östlich der Bahamas ist Wirbelsturm Floyd mit seinen starken Winden (gelb) zu sehen. Mitten im Atlantik formt sich ein tropisches Tief als sich gegen den Uhrzeigersinn drehende Spirale, das sich später zu einen Hurrikan entwickeln wird.

 

 

 

Bild: NASA

Passatwanderung

Aufgrund der Schiefe der Ekliptik verändert sich der Zenitalstand der Sonne im Jahreslauf. Diese veränderlichen Strahlungsverhältnisse verlagern die innertropischen Konvergenzzone und mit ihr das Windsystem der Passatzirkulationen je nach Jahreszeit nach Norden oder Süden (siehe: Tropischer Regen auf Wanderschaft). Der Verlauf der ITCZ wird zudem von der unterschiedlichen Verteilung von Land und Wasser bzw. deren unterschiedlichen Erwärmung beeinflußt. Über Nordpakistan verlagert sich die innertropische Konvergenzzone im Nordsommer deswegen bis über 35° N hinaus.

Dadurch geraten viele tropische Regionen im Jahreslauf regelmäßig unter den Einfluß unterschiedlicher Winde bzw. Passate. Wechselt der Passat jahreszeitlich bedingt stark die Richtung, so wird er als Monsun bezeichnet.

Ein Wechsel der Niederschlagseigenschaften des Passats ist z. B. am Golf von Guinea in Westafrika zu beobachten, wo der Wind jahreszeitlich bedingt die Richtung ändert. Die Regenzeit der Monate Mai bis Juli verdanken die Küstenregionen hauptsächlich dem Südostpassat, der freilich beim Übertritt auf die Nordhalbkugel in Strömungsrichtung nach rechts abgelenkt und damit zum Südwestmonsun wird. Dieser Wind bringt hier reichlichen Niederschlag, da er zuvor über dem Golf von Guinea Feuchtigkeit aufnehmen konnte. Während der übrigen Monate weht in den meisten dieser Regionen jedoch der Nordost-Passat aus den Trockengebieten Nordafrikas und Asiens.

Der indische Monsun ist ebenfalls eine Sonderform des Südost-Passats. Durch die starke Erwärmung der asiatischen Landmasse im Nordsommer verschiebt sich die ITCZ über Indien bis zum 30. Breitengrad. Für den herrschenden Südost-Passat bedeutet das, daß er entsprechend der auf ihn einwirkenden Gradientkraft den Äquator überqueren muß und somit von der Corioliskraft nicht mehr nach links, sondern nach rechts abgelenkt wird. Der Südost-Passat wird zum Südwest-Passat, der über den indischen Ozean zu der im Norden Indiens liegenden ITCZ weht. Die Luftmassen nehmen beim Überqueren des indischen Ozeans viel Feuchtigkeit auf, die über Indien als Monsun abregnet.

Der Südost-Passat ist außerdem maßgeblich an der Bildung der Atacama-Wüste im Norden Chiles beteiligt. Durch den Passatwind kaltes Tiefenwasser vor die Küste Südamerikas verfrachtet, wo es zur Oberfläche aufsteigt. Dieses Phänomen ist ein Teil des Humboldtstroms. Das kalte Tiefenwasser erzeugt ein stabiles, niederschlagsarmes Hochdruckgebiet. Somit hat der Passatwind auch Verknüpfungspunkte mit der Walker-Zirkulation und dem El-Niño-Phänomen.

Im Sommer, wenn sich die äquatoriale Tiefdruckrinne weiter nach Norden verschiebt und gleichzeitig stark ausgeprägt ist, können die Passatwinde in Europa zeitweise bis an die portugiesische Küste heran reichen. Ansonsten ist in Europa von diesem Phänomen fast nichts zu bemerken. Allein die Urlauber und Bewohner auf den Kanaren und auf Madeira, die politisch zu Spanien bzw. Portugal gehören, bekommen den Nordost-Passat häufiger zu spüren.

 

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