M1 Allgemeine atmosphärische Zirkulation

Thema

Die allgemeine atmosphärische Zirkulation ist das über lange Zeiträume gemittelte Strömungsmuster, das Wärme, Feuchtigkeit und Impuls von den Tropen zu den Polen transportiert. Dieser Transport ermöglicht es der Atmosphäre, auf das Strahlungsungleichgewicht zwischen den verschiedenen Breitengraden zu reagieren. Dieses Ungleichgewicht führt dazu, dass sich die allgemeine atmosphärische Zirkulation in drei ausgeprägte meridionale Zirkulationsbänder aufteilt: die Hadley-Zelle in den Tropen, die Ferrel-Zelle in den mittleren Breiten und die Polarzelle in den höchsten Breiten.

Die grundlegende Antriebskraft dieser gesamten allgemeinen atmosphärischen Zirkulation ist genau dieses Strahlungsungleichgewicht zwischen den Breitengraden: Die Tropen absorbieren mehr Sonnenenergie, als sie ins Weltall abgeben, während die Pole mehr Energie abgeben, als sie von der Sonne empfangen. Dieser Unterschied bedeutet, dass die Atmosphäre zwischen fünf und sechs Petawatt Energie von den Tropen in die mittleren Breiten transportieren muss. Dieser Transport erfolgt nicht durch einen einzigen Mechanismus, sondern ist auf zwei aufgeteilt: die mittlere Zirkulation der Hadley-Zelle, die den Transport innerhalb der Tropen dominiert, und die baroklinen Wirbel in den mittleren Breiten, die den Transport bestimmen, sobald die Wärme die Tropen verlassen hat.

Diese baroklinen Wirbel in den mittleren Breiten sind zusammen mit dem Temperaturgradienten auch für die Aufrechterhaltung der durch diese Breiten mäandernden Jetstreams verantwortlich: Die Geschwindigkeit eines Jetstreams ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen dem meridionalen Impulstransport, der durch die baroklinen Wirbel erzeugt wird, und dem meridionalen Temperaturgradienten, der diese antreibt. Diese Abhängigkeit folgt der sogenannten thermischen Windbeziehung: Je größer der meridionale Temperaturgradient zwischen den Tropen und den Polen ist, desto stärker ist der Jetstream, den dieser Gradient verursacht.

Während die Jetstreams der mittleren Breiten somit vom Temperaturgradienten abhängen, hängt die Ausdehnung der Hadley-Zelle von einer anderen Bedingung ab: einem Kriterium der Windstabilität in der Höhe, nahe dem Ende der Troposphäre. Dieses Kriterium bestimmt, wie weit sich die Zelle ausdehnen kann, bevor sie instabil wird. Es wird prognostiziert, dass sich diese Stabilitätsgrenze mit der Erwärmung des Planeten zu höheren Breiten verschiebt, wodurch sich die Hadley-Zelle entsprechend ausdehnt und ihre Grenze weiter von den Tropen entfernt liegt als heute.

Die Klimaerwärmung verschiebt nicht nur die Grenze der Hadley-Zelle; sie verstärkt voraussichtlich auch die Jetstreams der mittleren Breiten, und zwar indirekt über denselben meridionalen Temperaturgradienten, von dem diese Jetstreams abhängen. Wenn die Erwärmung nicht in allen Breiten gleich stark ist – wenn sich der Pol anders erwärmt als der Rest der Atmosphäre –, verändert dieser Unterschied den meridionalen Temperaturgradienten. Dieser veränderte Gradient, wiederum beeinflusst vom thermischen Wind, bestimmt, ob der von ihm aufrechterhaltene Jetstream stärker oder schwächer wird als zuvor.

Vom Strahlungsungleichgewicht, das die allgemeine atmosphärische Zirkulation in Gang setzt, über die drei meridionalen Zellen, die diese Zirkulation bildet, und die Jetstreams, die durch den Temperaturgradienten zwischen ihnen entstehen, bis hin zur Verschiebung des Randes der Hadley-Zelle und der Verstärkung der Jetstreams infolge der Klimaerwärmung – die gesamte allgemeine atmosphärische Zirkulation wird von einer einzigen Kette von Ereignissen bestimmt. In dieser Kette ist es der Erwärmungsunterschied zwischen den Tropen und den Polen, der die Luftströmungen des gesamten Planeten in ihrer jetzigen Form antreibt und fortsetzt.

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