Das Wetter und der Klimawandel

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Ein Satellitenbild erklärt das Wetter

Der europäische Wettersatellit Meteosat, der die Erde auf einer geostationären Bahn in rund 36.000 km Höhe umkreist liefert täglich aktuelle Ansichten unseres Planeten. Auf dieser eingefärbten Infrarotaufnahme vom 06. Juni 2009 lassen sich die wichtigen Erscheinungen des globalen Wettergeschehens gut erkennen.

 Infrarotaufnahmen bilden die unsichtbare Wärmestrahlung ab, die vom Land, den Wasserflächen und den Wolken ausgeht. Warme Objekte erscheinen dunkel, kalte Objekte dagegen hell. Aus den Helligkeiten der Objekte ist somit ein direkter Rückschluß auf deren Temperatur möglich. Infrarotbilder gelingen auch in der Dunkelheit der Nacht, denn im Gegensatz zum sichtbaren Licht ist die Wärmestrahlung immer vorhanden. Quellwolken, die sich bis in große Höhen auftürmen sind wegen der mit der Höhe abnehmenden Lufttemperatur an ihrer Oberseite relativ kalt und erscheinen daher hell. Dasselbe gilt für die nur in großer Höhe entstehenden Eiswolken. Niedrige Wolken sind dagegen schon fast genauso warm wie die Erdoberfläche darunter und erscheinen somit ähnlich dunkel. Diese Aufnahme ist zusätzlich noch eingefärbt (RGB-Komposit), wodurch sich die verschiedenen Luftmassen gut unterscheiden lassen.

Wetterlage am 06. Juni 2009 Infrarot-Komposit Meteosat; grün = tropische Warmluft, blau = polare Kaltluft, weiss = hohe Wolken, ockergelb = mittelhohe Wolken, rot = absinkende Luftmassen in der Stratosphäre zeigen Tiefdruckgebiete an (Durch Divergenzen in der Höhenströmung werden nicht nur Luftmassen von unten gehoben, sondern auch von oben angesaugt; Ausbildung einer Tropopausenfalte und Absinken der darüber befindlichen stratosphärischen Luft). Die ITCZ zeigt sich in der Äquatorregion als Wolkenband mit zahlreichen hochreichenden Gewitterzellen (hellgelbe Wolken). Gut zu erkennen sind auch die girlandenartig aufgereihten dynamischen Tiefdruckwirbel in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel. Quelle: EUMETSAT

Das Satellitenbild zeigt sehr schön die globale Luftzirkulation der Erde und die damit einhergehenden Wettererscheinungen, welche für einen Temperaturausgleich zwischen den von der Sonne unterschiedlich stark beschienenen Regionen des Planeten sorgen. Die Pole bekommen im Vergleich zur Äquatorregion (Tropen) deutlich weniger Sonnenenergie ab. Die Folge ist ein Temperaturgefälle (Temperaturgradient) von der Äquatorregion zu den Polen auf beiden Erdhalbkugeln.

Die mittleren Breiten: Sowohl auf der Nord- als auch auf der Südhalbkugel treffen tropische Warmluft und polare Kaltluft  jeweils in den mittleren Breiten aufeinander. Da warme Luft sich (vertikal) mehr ausdehnt als kalte Luft, erzeugt das Temperaturgefälle zwischen beiden Luftmassen auch ein Druckgefälle, das mit wachsender Höhe zunimmt. Daraus resultieren über beiden Erdhalbkugeln polwärts gerichtete Winde, die unter dem Einfluß der Erdrotation  zu Westwinden abgelenkt werden. In grösserer Höhe (obere Troposphäre) bilden sich wegen des dort sehr hohen Druckgradienten Starkwindbänder, die  Jetstreams. Aus Turbulenzen im Jetstream entwickeln sich (unter der Einwirkung der Erdrotation) aufwärtsgerichtete dynamische Tiefdruckwirbel (Cyclonen) und abwärtsgerichtete dynamische Hochdruckwirbel (Anticyclonen). Innerhalb der Cyclonen wird die Luft gehoben und kühlt dabei ab, so dass sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit viele Wolken bilden können (Schlechtwetter). Bei den Anticyclonen verhält es sich genau umgekehrt (Schönwetter). Beide Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Die Cyclonen bewegen sich mit der Höhenströmung in Richtung Osten und sorgen unter ihren Zugbahnen (zusammen mit Zwischenhochs) für ein mildes, aber auch wechselhaftes Wetter.

Es ist so ähnlich wie bei einem Fluss mit Stromschnellen: Wenn das Gefälle zunimmt oder Felsblöcke  das Flußbett verengen, dann bilden sich Wirbel, welche mit der Strömung davongetragen werden. Dem Gefälle des Flusses entspricht beim Jetstream das Temperatur- bzw. Druckgefälle zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft. Die Rolle der Felsblöcke spielen hohe Gebirge, welche die Höhenströmung stören.

Tiefdruckwirbel (Cyclonen): Durch die vom Tiefdruckzentrum ausgehende Drehbewegung stösst warme Luft polwärts gegen die Kaltluft vor (Warmfront), und im Gegenzug stösst kalte Luft äquatorwärts gegen die Warmluft vor (Kaltfront). An der Warmfront, wo die warme Luft langsam über die kältere Luft nach oben gleitet, bildet sich eine Schichtbewölkung (Stratus) Häufig regnet es über längere Zeit (Landregen). In größeren Höhen, wo es noch kälter ist, bilden sich Eiswolken (Cirrus). Die Kaltfront und die dahinter befindliche Kaltluft bewegen sich wesentlich schneller als die vorauseilende Warmluft, da letztere aufgrund ihrer Aufstiegstendenz eine schwächer ausgeprägte Vorwärtsbewegung hat. Die Warmluft wird so nach und nach von der sie einholenden Kaltluft durchdrungen und erfährt dabei, da sie leichter ist, einen starken Auftrieb (labile Luftschichtung). Durch Konvektion bildet sich eine ausgeprägte Quellbewölkung. Bei kräftigen Winden kommt es zu heftigen Regenfällen, oft auch zu Gewittern mit Hagel. Der Warmluftsektor wird nach und nach zusammengeschoben. Warm- und Kaltfront vereinigen sich zu einer Mischfront (Okklusion) bis schließlich der Warmluftsektor vollkommen verschwunden ist. Später löst sich das Tief dann ganz auf. Die durchschnittliche Lebensdauer dynamischer Tiefdruckwirbel liegt bei knapp einer Woche. An den Kaltfronten älterer Tiefdruckgebiete können kleine Wellenstörungen auftreten und die Bildung weiterer dynamischer Tiefdruckgebiete (Randtiefs, Tochtertiefs) auslösen. Quelle: Geo Special Nr. 2 Wetter 1982

Cyclonen beziehen ihre Energie nicht nur aus den sie hervorbringenden Jetstreams, sondern auch aus der latenten Wärme (Kondensationswärme), die bei der Wolkenbildung  frei wird. Die Cyclonen ihrerseits übertragen einen Teil ihrer Energie  wiederum an ihren Jetstream.

Cyclonen und Anticyclonen erzeugen Schwingungen innerhalb der Jetstreams. Bei Überschreiten einer kritischen Windgeschwindigkeit beginnt der Jetstream dann zu mäandern und bildet Rossby-Wellen aus. In den cyclonalen Wellentälern (Höhentrögen) wird polare Kaltluft äquatorwärts, in den anticyclonalen Wellenbergen (Hochkeilen, Rücken) tropische Warmluft polwärts transportiert (meridionaler Transport). Bei einem stark mäandernden Jetstream bricht die Höhenströmung teilweise zusammen, so daß sich cyclonale und anticyclonale Wirbel abspalten können (Cut Off). Anschließend erneuert sich weiter polwärts die Höhenströmung wieder.

Jetstream mit Höhentrögen, Hochkeilen und dem Cut Off eines Kaltlufttropfens Quelle: http://www.britannica.com/

Die cyclonalen Wirbel (Kaltlufttropfen, kalte Höhentiefs) bewegen sich (langsam) mit den jeweils vorherrschenden Winden und bringen schlechtes Wetter. Die anticyclonalen Wirbel bleiben oft stationär und zwingen als blockierende Hochdruckgebiete die von Westen herannahenden dynamischen Tiefdruckgebiete zu oft großen Umwegen. In ihrem Einflußbereich herrscht sonniges Wetter bei zumeist wolkenfreiem Himmel. Nachts kann es  wegen der fehlenden Wolken allerdings auch empfindlich kalt werden. Bei ausreichender Luftfeuchtigkeit bilden sich dann bodennahe Nebel.

Die Pole: Über den Polen der Erde bilden sich in der Stratosphäre abwärtsgerichtete, kalte Tiefdruckwirbel, welche bis in die mittlere Troposphäre hinabreichen, die Polarwirbel.

Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, wo sich das meiste Wettergeschehen abspielt. In der Stratosphäre gehtes hingegen vergleichsweise ruhig zu. Sie enthält nur wenig Wasserdampf, dafür aber größere Mengen Ozon, das die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dadurch wird die Stratosphäre deutlich wärmer als die obere Troposphäre.

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen kalt genug ist. Während der Polarnacht nimmt der jeweilige Polarwirbel an Stärke zu. Dann ist der stratosphärische Temperaturgradient besonders hoch und treibt dementsprechend den Stratosphärenjetstream an, gleichzeitig der äussere Rand des Polarwirbels.

Die Tropen: Auf beiden Erdhalbkugeln bildet eine Reihe dynamischer Hochdruckwirbel (Anticyclonen) jeweils einen subtropischen Hochdruckgürtel, welche wegen der zumeist fehlenden Wolken auf Satellitenbildern gut auszumachen sind  (Wüstenklima der Subtropen). Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) strömen die warmen Luftmassen aus den Subtropenhochs von Nord- und Südhalbkugel zusammen (Konvergenz) und werden gehoben. Wegen der hohen Luftfeuchtigkeit in den Tropen bilden sich hier auffällig viele Wolken (tropisch feuchtes Klima mit häufigen und heftigen Gewittern). Die über der ITCZ gehobenen Luftmassen erreichen die Subtropenhochs, um dort wieder abzusinken. ITCZ und Subtropenhochs sind somit (auf beiden Erdhalbkugeln) über eine Reihe von Konvektionszellen miteinander verbunden, die Hadley-Zellen.

Über den Subtropen entwickelt sich unter dem Einfluss der Erdrotation  eine von Westen nach Osten gerichtete Höhenströmung, die bei ausreichender Energiezufuhr in Form von latenter Wärme aus den Hadley-Zellen einen Subtropenjetstream ausbildet.

Jens Christian Heuer

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