Jetstream

 

 

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Jetstreams

Bei Flugreisen aus Amerika nach Europa scheinen die Piloten häufig einen Umweg zu fliegen. Obwohl die direkte Flugstrecke z.B. von New York nach London zwischen dem 40. und 50. Breitengrad liegen würde, fliegt das Flugzeug tatsächlich aber eine Route, welche weit nach Norden abweicht und über das Polargebiet führt. Diese Route ist jedoch nur scheinbar ein Umweg. Der Weg, den das Flugzeug zurückzulegen hat, ist dabei zwar länger, die Flugdauer entspricht allerdings trotzdem annähernd der Zeit der kürzeren Route, vor allem aber ist der Treibstoffverbrauch niedriger.

Der Grund dafür befindet sich in rd. 10 km Höhe. Es ist eine der schnellsten Luftbewegungen, die es auf der Erde gibt: ein sog. Jetstream oder Strahlstrom. Jetstreams sind nach der Definition der Meteorologen Westwinde in der oberen Troposphäre, die Geschwindigkeiten von 250 bis zu 550 km/h erreichen können. Damit wird auch das scheinbar merkwürdige Verhalten der Piloten verständlich: Sie fliegen mit erheblichem Rückenwind! Bei der Wahl der Flugrouten nützt man die Jetstreams, denn dadurch spart man Treibstoff und an günstigen Tagen rd. eine Stunde Flugzeit. Umgekehrt wird aber auch ein Schuh daraus: Bei Flugreisen von Europa nach Amerika gilt es dem Jetstream auszuweichen, um den Gegenwind des Jetstreams zu vermeiden. Manch eine als Umweg erscheinende Flugroute bekommt durch den Jetstream also eine plausible Erklärung.

Vom Boden aus lassen sich Jetstreams manchmal durch sich äußerst schnell bewegende, zerzausten Cirren erkennen, die sich mit dem Jetstream in etwa rechtwinklig zum Bodenwind bewegen (Bild rechts).

Durch Cirrus-Wolken markierter Jetstream

Erscheinungsbild und Arten

Jetstreams sind Starkwinde, die rund um den Globus im Bereich der Tropopause in 8 - 12 km Höhe von West nach Ost, also mit der Erddrehung, wehen. Sie transportieren Luft großräumig von West nach Ost und sind Motor für viele Wetterphänomene. Ein Jetstream bzw. Strahlstrom ist ein schmales, schlauchartiges Starkwindband mit einer nahezu horizontalen Strömungsachse (Jetachse) im Bereich der oberen Troposphäre bzw. der unteren Stratosphäre. Jetstreams entstehen an der Grenze zwischen unterschiedlich temperierten Luftmassen meist über den mittleren Breiten und bilden sich infolge globaler Ausgleichsbewegungen der Luft zwischen verschiedenen Temperaturregionen (planetare Zirkulation) bzw. Hoch- und Tiefdruckgebieten. Es sind die stärksten Winde auf der Erde. Sie liegen in Höhen von rd. 8 - 12 km mit Windgeschwindigkeiten zwischen 100 und 500 km/h und Windspitzen von bis zu 150 m/s (540 km/h), wobei die Windgeschwindigkeit sowohl vertikal als auch horizontal mit zunehmender Entfernung zum Strömungszentrum rasch abfällt. Ein Jetstream ist ca. 100 - 200 km breit und hat eine Mächtigkeit von 1 - 5 km. Jetstreams werden meist den geostrophischen Winden zugerechnet, bei welchen ein Gleichgewicht zwischen Druckgradient- und Corioliskraft herrscht. Im Vergleich zu anderen Wetterphänomenen sind sie sehr konstant und verlässlich in ihrem Vorkommen.

 

 

 

 

Die Jetstreams liegen in der Tropopause jeweils an einer Sprungstelle zwischen zwei unterschiedlich erwärmten Luftschichten, also am Zusammentreffen der Zirkulationszellen. Man unterscheidet den Polarfrontjetstream, der die polare Luftmasse von der subtropischen trennt, sowie den Subtropenjetstream, der die subtropische Luftmasse von der tropischen abgrenzt. Die Grenze zwischen polarer und subtropischer Luft (Polarfront) wird außerdem von einer Zone mit niederem Luftdruck markiert, die pol- und äquatorwärts wiederum von Zonen höheren Luftdrucks begrenzt wird. Wegen der Druckunterschiede strömt die Luft von den Hochdruckgebieten über den polaren sowie subtropischen Regionen zum tieferen Luftdruck und wird dabei durch die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links, d.h. jeweils nach Osten abgelenkt. Infolge der fehlenden Reibung und somit Abbremsung der Luft in der Höhe können sich dort sehr starke Höhenwinde mit Windgeschwindigkeiten zwischen 200 und 400 km/h, teilweise sogar bis 500 km/h entwickeln.

Somit sind 2 Hauptarten von Jetstreams zu unterscheiden:

  • Der Polar-Jetstream befindet sich je nach Lage der Polarfront zwischen 40° und 60° nördlicher bzw. südlicher Breite im Bereich der 250 - 300 hPa Isobare. Er erreicht in seinem Zentrum Geschwindigkeiten von 200 bis 500 km/h (in Japan wurde 1970 eine Stärke von 650 km/h gemessen) und stellt den wichtigsten Strahlstrom dar, wobei er insbesondere für das europäische Wetter von maßgeblicher Bedeutung ist. Da sich in den mittleren Breiten durch das Aufeinandertreffen von kalter Polarluft und gemäßigten wärmeren Luftmassen ein vergleichsweise großer horizontaler Temperaturgradient ausbildet, tritt der Polar-Jetstream das ganze Jahr über auf. Sein Maximum liegt jedoch im Winter, da dann die Temperaturunterschiede der Luft größer sind als im Sommer. Der Polar-Jetstream tritt nur in relativ kurzen Bändern von wenigen tausend Kilometern Länge auf. Es ist dieser Jetstream, der die Flugzeuge auf ihrem Weg von Amerika nach Europa als Rückenwind quasi anschiebt. Mit 10 km Höhe befindet er sich genau in der üblichen Flughöhe der Verkehrsflugzeuge.
    Der Polar-Jetstream ist dadurch insbesondere auch für die Tiefdruckgebiete verantwortlich, die für die Westwindzonen wetterbestimmend sind. Schlägt er polseits aus, so erzeugt er dynamische Tiefdruckgebiete (Zyklonen), also Zonen mit sinkendem Luftdruck. Ein äquatorseitiger Ausschlag erzeugt Hochdruckgebiete (Antizyklonen) mit steigendem Luftdruck. Der Jetstream wirkt so vergleichsweise wie eine "lenkende Autobahn" für die von Westen nach Mitteleuropa hereinziehenden Sturmtiefs samt Tiefausläufern.
  • Der Subtropen-Jetstream liegt über dem subtropischen Hochdruckgürtel in ca. 12 km Höhe, kann seine Lage aber je nach Jahreszeit geringfügig verändern. Er ist ebenfalls ein Westwind-Jetstream in der Nähe der Wendekreise bzw. der Subtropen, also im Bereich von 20° bis 30° geographischer Breite im Bereich der 150 bis 200 hPa Isobare. Er tritt an der Obergrenze des abfallenden Astes der Hadley-Zelle auf, also über dem subtropischen Hochdruckgürtel, und entwickelt sich aus dem Antipassat. Der Subtropen-Jetstream ist schwächer als der Polar-Jetstream und bildet sich oft nur in den jeweiligen Wintermonaten. Ebenso wie der Polar-Jetstream ist er durch einen großen horizontalen Temperaturgradienten bedingt, der sog. Subtropenfront, die sich jedoch im Gegensatz zur Polarfront normalerweise nicht bis zum Boden ausdehnt. Obwohl (oder vielleicht weil) er schwächer ist als der Polar-Jetstream, ist er wesentlich beständiger in Position und Intensität und zieht sich zudem geschlossen um den gesamten Globus.

Jetstreams und Zirkulationszellen

 

Jetstream

 

Tropical Easterly Jet

Ein weiterer troposphärischer Strahlstrom ist über den Tropen zu beobachten. Über dem Gebiet der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ), wo nördliche und südliche Hadley-Zelle aufeinandertreffen, entsteht der äquatoriale oder tropische Jetstream, der im Gegensatz zu den anderen troposphärischen Jetstreams aber ein Ostwindband ist. Dies ist eine besondere Folge der Corioliskraft. Dieser auch als Tropical Easterly Jet (TEJ) bezeichnete Strahlstrom ist über dem in den Sommermonaten aufgeheizten tibetanischen Hochland besonders ausgeprägt, wird aber auch über Afrika angetroffen.

Jetstreams sind durch hohe vertikale und horizontale Windgeschwindigkeitsscherungen charakterisiert und weisen ein oder mehrere Geschwindigkeitsmaxima auf. Der Bereich maximaler Windgeschwindigkeit ist die Strahlstrom- oder Jet-Achse. Sie verläuft nur selten völlig waagerecht und ist meistens nur rd. 50 - 100 km breit. Wenn der Jetstream eine kritische Strömungsgeschwindigkeit überschreitet, fängt er an zu mäandrieren wie ein Flußlauf. Er kann sich dabei in mehrere Äste aufspalten und ist deswegen auch hinsichtlich seiner Lage, Form und Intensität ständigen Veränderungen unterworfen. Die Jetstreams bewegen sich, vereinfacht ausgedrückt, auf bevorzugten Bahnen. Eine solche Bahn des Polar-Jetstreams verläuft von den britischen Inseln über Norddeutschland, Polen usw. Diese Bahnen darf man sich aber nicht als starres „eingefahrenes Gleis“ vorstellen. Der Luftstrom pendelt vielmehr in Schlangenlinien in Richtung Osten. Mal ist der Jetstream breit, mal wird er zwischen tropischen und polaren Luftmassen zu einem schmalen Band zusammengedrückt. Dabei kann es zu starken Ausschlägen nach Süden oder Norden und zu Wellenbildungen kommen. Er trägt damit zur Durchmischung subtropische Warmluft mit polarer Kaltluft bei.

Dieser Vorgang wird im Kapitel Rossby-Wellen näher erläutert.

 

Ursachen

Jetstreams sind Ausdruck großräumiger Turbulenzen in der Troposphäre. Sie entstehen durch die großen Temperaturunterschiede zwischen tropischen und polaren Luftmassen an der Grenze zwischen diesen kalten und warmen Luftmassen bzw. Hoch- und Tiefdruckgebieten. Am Äquator erwärmt die starke Sonneneinstrahlung die bodennahen Luftmassen, während an den Polen der Wärmeverlust durch Abstrahlung überwiegt. Es handelt sich deshalb bei den bodennahen Luftschichten am Äquators um relativ warme Luftmassen, die im Vergleich zu den kälteren Luftmassen der Pole eine geringere Dichte aufweisen. Der vertikale Druckgradient der Luft entlang der den ganzen Erdball umspannenden innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) ist daher wesentlich geringer als bei den niedrigeren Temperaturen an den Polen, so daß der Luftdruck hier mit zunehmender Höhe langsamer sinkt als südlich oder nördlich der ITCZ. Die Troposphäre kann auch deswegen entlang des Äquators bis in eine Höhe von ca. 16 km reichen, während sie an den Polen nur eine durchschnittliche Mächtigkeit von 8 km erreicht. Diese geringere Luftdichte am Äquator geht dabei mit einem relativ niederen Luftdruck einher, weshalb sich ein stabiler Tiefdruckgürtel bildet, eben die schon angesprochene innertropischen Konvergenzzone. In der Höhe herrscht dagegen aufgrund des geringen Druckgradienten ein Hochdruckgebiet. Am Äquator ist somit zwischen einem Tief am Boden und einem Höhenhoch zu unterscheiden.

Über den Polen ist die Luft wegen der geringen Sonneneinstrahlung kalt und lagert aufgrund ihrer höheren Dichte schwerer auf dem Grund, so daß sich am Boden stabile Hochdruckgebiete bilden. Der Druckgradient ist folglich wesentlich größer. Somit findet man hier ein Bodenhoch und ein Höhentief.

Polar-Jetstream

Dehnt sich also durch die starke Sonneneinstrahlung am Äquator die tropische Luft aus und zieht sich gleichzeitig die Polarluft am Pol durch Wärmeabgabe zusammen, verstärkt sich der globale Temperatur- und damit auch der Luftdruckgegensatz. In den Regionen der größten Druckdifferenzen, den so genannten planetarischen Frontalzonen, entstehen dadurch starke Winde, die durch die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links, d.h. jeweils nach Osten, abgelenkt werden. Da in der Höhe die Reibung fehlt, entstehen außerordentlich stürmische, von West nach Ost wehende Höhenwinde mit 200 - 500 km/h Windgeschwindigkeit. Gegenüber dem Polarjet ist der Subtropenjet weniger deutlich ausgeprägt. Je stärker also die Temperaturgegensätze ausgeprägt sind, desto heftiger jagt auch der Jetstream durch die Atmosphäre.

Die Luftdruck- bzw. Temperaturunterschiede zwischen dem Äquator und den Polen sind also thermisch bedingt. Sie resultieren aus der Breitenabhängigkeit der Sonneneinstrahlung, die sich rein geometrisch aus den verschieden großen Einfallswinkeln der Sonnenstrahlung ergibt. Der Antriebsmotor des entstehenden dynamischen Wetter- und Windsystems und somit auch der Jetstreams ist somit letztlich die Sonne.

Auf Planet Schule gibt es dazu den interessanten Lehrfilm: Ganz schön windig
(http://www.planet-schule.de/sf/php/02_sen01.php?sendung=6559 ab Min. 5).

 

Auswirkungen auf das Wetter

Die Ursachen der Jetstreams sind zugleich maßgeblich an der Luftdruckverteilung und somit an der Ausbildung der Wind- und Luftdruckgürtel auf der Erde beteiligt. Außerdem sind aber auch die Jetstreams selbst eine wesentliche Ursache für die Wetterentwicklung und somit ein wichtiges Element für den globalen Wärmetransfer zwischen Tropen und Polen dar: Bei ausreichend großen Temperaturunterschieden zwischen den Luftmassen aus den Subtropen (z. B. Wüsten) und den Polen wird der Windstrom an der Polarfront stark abgelenkt. Grund ist die höhere Dynamik der Polarfront. Durch unterschiedlich starke Vorstöße von warmer Luft in Richtung der Pole bzw. von kalter Polarluft in Richtung Äquator ergibt sich ein unregelmäßiger Verlauf dieser Luftmassengrenze zwischen Polar- und Subtropenluft. In den Wellentälern herrscht kaltes, kühles, Tiefdruckwetter, in den Wellenbergen warmes, trockenes Hochdruckwetter. Der Strahlstrom weht deshalb nicht geradlinig, sondern er mäandriert, was durch die verwirbelnde Wirkung von kontinentalen Gebirgsketten wie dem Himalaya oder den Rocky Mountains noch verstärkt wird.

Diese Mäander werden als Rossby-Wellen bzw. planetare Wellen bezeichnet. Auf dem Erdumfang liegen normalerweise 3 - 5 dieser Wellen. Die Wellenlänge beträgt damit mehrere 1.000 km. Auf der linken, nach Süden ausgebuchteten Seite des Polarjets bilden sich links drehende Tiefdruckgebiete, auf der rechten, nach Norden ausgebuchteten Seite rechtsdrehende Hochdruckgebiete. Bei einer länger anhaltenden ortsfesten Situation eines von zwei Tiefs flankierten Hochs spricht man von einer Omega-Lage. Eine solche Omega-Lage war für die anhaltende Hitzewelle im Sommer 2010 in Russland und die gleichzeitigen gewaltigen Niederschläge in Pakistan verantwortlich.

Rossby-Wellen

Das führt nicht zuletzt auch zur Ausbildung der sog. Rossby-Wellen, die in der Abbildung rechts oben vereinfacht dargestellt sind. Die Darstellung ist zur Erklärung idealisiert, da die Windungen des Jetstreams in der Realität uneinheitlich sind und sich der Polar-Jetstream auch nicht geschlossen um den gesamten Globus windet. Ein reales Bild der mäandrierenden Bänder des Polar-Jetstreams ist oben im Abschnitt "Ursachen" zu sehen.

Der Jetstream reißt zusätzlich die unteren Luftschichten mit, wobei entsprechend der Verwirbelung der Rossby-Wellen dynamische Tiefdruckgebiete (Zyklone) in Richtung Pol (im Gegenuhrzeigersinn verdreht über den ‚Wellentälern‘, sog. Tröge) und in Richtung Äquator Hochdruckgebiete (im Uhrzeigersinn verdreht unter den ‚Wellenbergen‘, sog. Rücken) ausscheren. Schon wegen seiner gegenüber dem Subtropen-Jetstream stärkeren Ausprägung neigt lediglich der Polar-Jetstream zur Ausbildung von Rossby-Wellen. Zudem treten diese auf der Nordhalbkugel wesentlich ausgeprägter in Erscheinung als auf der Südhalbkugel, da sich im Norden deutlich mehr kontinentale Hindernisse befinden, die für Verwirbelungen sorgen können.

Weitere Einzelheiten dieses Vorgangs werden im Kapitel Rossby-Wellen näher beschrieben.

Polar-Jetstream (Amerika), Wanderung mit den Jahreszeiten

Jetstreams "folgen der Sonne"

vergr?rn

Azorenhoch und Isandtief

Bei uns in Mitteleuropa ist nicht jeder Sommer schön, warm und beständig. Auch wechselhafte, regnerische Zeiten gehören zum alljährlichen Sommerbild. Auch dafür ist der Jetstream verantwortlich. Unsere Heimat liegt klimatisch gesehen in den gemäßigten Zonen. Damit sind wir mal südlich, mal nördlich des mäandrierenden Jetstreams und erleben deshalb zeitweise warme, trockene Witterung, dann wieder kühles und nasses Wetter. Der Polar-Jetstream liegt nämlich nicht das ganze Jahr am selben Ort. Vielmehr wandert er mit den Jahreszeiten. Mit zunehmendem Sonnenstand wandert er in unseren Breiten im Frühling jeden Tag etwas weiter nach Norden. Mit dem beginnenden Herbst und abnehmendem Sonnenstand bewegt er sich wieder in Richtung Süden nach Mitteleuropa bzw. in die Vereinigten Staaten und bringt die kühlere Luft ins Land. Im Winter kommt er häufig südlich der Alpen zu liegen, so daß wir uns in der kalten Luft befinden. Im Sommer liegt der Jetstream dagegen zumeist weiter nördlich, weshalb dann auch Deutschland in der warmen Subtropenluft ist.

Eine bekannte Auswirkung der Jetstreams ist ihre Stabilisierung Ende Juni/Anfang Juli auf der Nordhalbkugel: Je nachdem, ob sie sich weiter südlich oder nördlich "einnisten", stabilisiert sich auch die Wetterlage in Mitteleuropa. Dies ist der Hintergrund der Bauernregel über den Siebenschläfertag.

Verläuft der Jetstream über dem Ostatlantik und Europa weit südlich, liegt Mitteleuropa also nördlich des Jetstream-Bandes, so wird im Mittel auch ein hoher Unterschied im Luftdruck zwischen Norden (Islandtief) und Süden (Azorenhoch) aufgebaut. Diese Wetterlage führt oft zu einer übernormal lang andauernden Zufuhr feuchter und im Sommer als kühl empfundener Luftmassen vom Nordatlantik nach Mitteleuropa, weshalb kühles, nasses Wetter zu erwarten ist. Das Islandtief steuert dann mit Winden aus nordwestlichen Richtungen Kaltfronten gegen Mitteleuropa. Das Wetter ist eher unbeständig, wechselhaft und kühl.

 

Bedeutung für die Luftfahrt

Wie schon eingangs erwähnt, ist der Effekt des Jetstreams auf Flügen beispielsweise zwischen Nordamerika und Europa  besonders deutlich spürbar. Da Jetstreams starke und recht zuverlässig wehende Höhenwinde sind, können Flugzeuge sie nutzen, um höhere Geschwindigkeiten und einen niedrigeren Treibstoffverbrauch zu erreichen. Sowohl Flughöhen als auch Flugrouten werden deshalb in der Linienfliegerei auf den aktuellen Verlauf des Jetstreams so abgestimmt, daß er als Rückenwind nutzbar wird oder man ihn als Gegenwind meiden kann. Das ist der einfache Grund dafür, daß in Flughöhen von 10 - 12 km, je nach Höhe und Lage des Jetstreams, Flugrouten weit abseits einer direkten „Luftlinie“ genommen werden.

Orthodrome als kürzeste Strecke

Bei einem Flug über den Atlantik nach Europa verläuft die Route deshalb möglicherweise abseits der Orthodrome (Großkreise) als an sich kürzester Strecke, was aber wegen der Nutzung (bzw. in umgekehrter Richtung Vermeidung) des Jetstreams eine Zeitersparnis von mehreren Stunden mit entsprechender Spritersparnis bedeuten kann.

Auch für die Ballonfahrt ist die Nutzung der Jetstreams interessant. Japan konnte unter Ausnutzung dieser Jetstreams am Ende des Zweiten Weltkriegs das amerikanische Festland mit Sprengstoff führenden Ballons angreifen und auch die Ballon-Weltumrundung von Bertrand Piccard war ebenfalls nur dadurch überhaupt erst möglich.

Die Turbulenzgebiete, welche die Jetstreams begleiten, und die daraus folgenden Belastungen können erhebliche Auswirkungen auf die Stabilität eines Flugzeugs sowie seiner Bauteile und damit letztlich auf die Sicherheit des Fliegens haben. Besonders Teile der Flügel und ihrer Anschlüsse an den Rumpf sind dabei starken Kräften ausgesetzt.

 

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