Die außertropische Zirkulation der Atmosphäre

Planetarische Frontalzone, Zyklonen, Jetstreams

Zwischen dem Subtropischen Hochdruckgürtel und der Subpolaren Tiefdruckrinne geht es nun nicht mehr so ruhig zu wie in der Passatwindzone. Das Gebiet zwischen den Subtropenhochs und der Subpolaren Tiefdruckrinne wird als Planetarische Frontalzone bezeichnet. Sie wird polwärts von der Polarfront und zum Äquator durch die Subtropenfront begrenzt. Damit erstreckt sie sich etwa von 30N bzw. S bis 60N bzw S. Im Gegensatz zur Passatzone, wo am Boden und in der Höhe die Winde entgegengesetzt wehen, strömen zwischen 30 und 60 die Winde in die gleiche Richtung. Am Boden wehen die außertropischen Westwinde und in der Höhe die Jetstreams. Im Bereich dieser Winde trifft also die kalte Polarluft von den Polen auf die warme Tropikluft vom Äquator. Dieser globale Temperaturgegensatz muss daher in der Planetarischen Frontalzone abgebaut werden.

Planetarische Frontalzone

Der Temperatur- und Luftmassengegensatz wird durch die Tiefdruckwirbel (Zyklonen) am Boden und durch den Polarfrontjetstream in der Höhe abgebaut.

Der Tiefdruckwirbel (Zyklone, wanderndes Tiefdruckgebiet)

Wenn man - in Mitteleuropa - den Wetterbericht hört, ist immer wieder von Tiefs und Hochs die Rede, die unser Wetter beeinflussen. Wir befinden uns in der Zone der außertropischen Westwinde. Diese Westwinde transportieren Hochdruckgebiete (Antizyklonen) und Tiefdruckgebiete (Zyklonen). Deshalb werden diese Luftdruckgebiete auch als wandernde oder dynamische Druckgebiete bezeichnet. Allerdings bilden sich die Zyklonen und Antizyklonen ständig neu und lösen sich auch wieder auf. Die Entwicklung einer Zyklone von der "Geburt" bis zum "Tod" soll nun erklärt werden.

Entwicklung einer Zyklone/eines Tiefdruckwirbels (Zyklogenese)

Entstehung und Entwicklung eines Tiefdruckwirbels (Animation)

Wenn man Europa betrachtet, bilden sich die Zyklonen im Bereich Islands, aus dem Islandtief heraus, und sie lösen sich zwischen Polen und Russland auf.

Tief, Phase 1

1. Anfangszustand
Im Bereich Islands trifft Warmluft von Süden (Tropikluft) mit Kaltluft von Norden (Polarluft) zusammen. Die Westwinde strömen laminar (langsam).

Tief, Phase 2

2. Wellenstörung
Durch den hohen Temperaturgegensatz gerät die Grenzfläche zwischen beiden Luftmassen in Schwingungen. Die Winde beginnen zu mäandrieren (turbulente Strömung).
An der Grenze zwischen warmer und kalter Luft fällt der Luftdruck gegenüber der Umgebung. Es entsteht ein Tiefdruckgebiet.

Tief, Phase 3

3. Entwicklung
Warme Luft strömt auf der Vorderseite des Tiefs nach Norden. Der vordere Rand der Warmluft wird als Warmfront bezeichnet und so: Warmfront dargestellt.

Kalte Luft strömt auf der Rückseite des Tiefs nach Süden. Der vordere Rand der Kaltluft wird als Kaltfront bezeichnet und so: Kaltfront dargestellt.

Tief, Phase 4

4. Reifestadium
Die warme Luft schiebt sich weiter nach Norden und die kalte Luft weiter nach Süden. Das kleine Tiefdruckgebiet hat sich zu einem Wirbel entwickelt. Dieser Wirbel wandert während seiner Entwicklung nach Osten, weil er sich in einer Westströmung (außertropische Westwinde) befindet.

Die kalte Luft schiebt sich nun unter die warme Luft, wobei diese angehoben wird; dabei gleitet sie auf die Kaltluft auf. Die warme Luft vom Äquator vermischt sich nun mit der kalten Luft von den Polargebieten!

Das Gebiet zwischen Warm- und Kaltfront, in dem sich warme Luft befindet, wird als Warmsektor bezeichnet.

Fronten einer Zyklone
Tief, Phase 5

5. Okklusion
Die Kaltfront erreicht die Warmfront, weil die Kaltfront schneller wandert (die Warmluft benötigt Energie um auf die davorliegende Kaltluft aufzugleiten, deshalb ist sie langsamer). Die kalte Luft hat sich nun fast vollständig unter die Warmluft geschoben und diese angehoben. Es bildet sich so eine neue Front - die Mischfront (Okklusion). Die Zyklone okkludiert. Die in die Höhe strömende Warmluft kühlt sich weiter ab. Der globale Temperaturaustausch in der Atmosphäre hat nun stattgefunden.

Fronten einer Zyklone im Querschnitt

Tief, Phase 6

6. Endzustand:
Die Mischfront löst sich schließlich auf und damit auch das Tief. Gebiete, in denen Zyklonen "sterben", werden als "Zyklonenfriedhöfe" bezeichnet; sie liegen zwischen dem Osten Polens und Rußland.

In einer Zyklone verwirbeln sich also warme Tropikluft und kalte Polarluft. Dabei werden die Temperaturgegensätze zwischen diesen beiden Luftmassen ausgeglichen. Die Zyklonen sorgen also für den Energieausgleich in der Planetarischen Frontalzone.

Die Entwicklung und Wanderung einer Zyklone über Europa zeigt auch diese Animation.

Wie bereits gesagt, bestimmen Hoch- und Tiefdruckgebiete (Zyklonen) unser Wetter. Wie sich das Wetter beim Durchzug einer Zyklone verhält, wird hier erklärt.

Neben den Zyklonen - am Boden - ist auch der Polarfront-Jetstream - in der Höhe - für den Temperaturausgleich in der Planetarischen Frontalzone verantwortlich.

Die Jetstreams - der Polarfrontjetstream

Jetstreams (Strahlströme) sind Windbänder aus Westen in der oberen Troposphäre mit Höchstgeschwindigkeiten von 250 - 360 km/h.

Es gibt verschiedene Jetstreams:

  1. Äquatorialer/tropischer Jetstream: im Sommer über Tropen in 15 km Höhe, manchmal bis 50 km Höhe
  2. Subtropen-Jetstream: über dem subtropischen Hochdruckgürtel in ca. 12 km Höhe mit geringen, jahreszeitlich bedingten Lageschwankungen
  3. Polarfront-Jetstream: über der Polarfront in 10 km Höhe, seine Lage schwankt zwischen 40 und 70 N bzw. S und er weist große Geschwindigkeitsänderungen auf

Die Entstehung der Jetstreams

Wenn sich durch eine starke Sonneneinstrahlung am Äquator die Warmluft ausdehnt und sich die kalte Luft am Pol durch Wärmeabgabe mehr zusammenzieht, dann wird der globale Temperatur- und Luftdruckgegensatzgegensatz größer. Es bilden sich daher in den Regionen der größten Druckdifferenzen - in 8 bis 16 km Höhe - starke Winde aus. Durch die Coriolis-Kraft werden diese Winde auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt - es werden Westwinde. Diese Druckausgleichströmungen sind die Jetstreams. Im Nordwinter weht der Polarfront-Jetstream heftiger, da zu dieser Jahreszeit der Nordpol stärker auskühlt.

Der Polarfrontjetstream und seine Bedeutung für den globalen Temperaturaustausch

Der Polarfrontjetstream weht über der Polarfront. Am Boden wird die Polarfront durch die Tiefdruckwirbel repräsentiert und in der Höhe durch den Polarfrontjetstream. Die Prozesse, die am Boden und in der Höhe stattfinden, sind aber ähnlich. In den Tiefdruckgebieten verwirbelt sich die Luft (s.o.) und der Polarfront-Jetstream wird in Wellenbewegungen versetzt, d.h. er bildet Mäander.

Mäander des Jetstreams

Das Mäandrieren des Jetstream (Animation)
Wenn die Temperaturunterschiede zwischen Äquator und Polen noch größer werden, beginnt der Jetstream zu mäandrieren; er bildet Schlingen. Die Bildung dieser Mäander wird auch noch durch die Reibung der Kontinente unterstützt. Dieses Wellenband, das sich um die gesamte Erde zieht, wird als Rossby-Welle bezeichnet. In diese Schlingen strömt einerseits vom Pol kommende Kaltluft und anderseits vom Äquator kommende Warmluft ein. Dabei vermischt sich die warme und die kalte Luft.

Der Tiefdruckwirbel (Zyklone) - am Boden - und die Mäander des Jetstreams - in der Höhe - treten gemeinsam auf. Die aufsteigende Luft aus den bodennahen Tiefs wird vom Jetstream aufgenommen und die absinkende Luft der Jetstreams strömt aus den Hochdruckgebieten (Antizyklonen) aus.

Für die Nordhalbkugel gilt also: Bildet der (Polarfront-)Jetstream eine Schlinge nach Norden, dann befindet sich südlich dieser Schlinge ein Hochdruckgebiet. Ist die Schlinge nach Süden ausgerichtet, dann liegt nördlich dieser Schlinge ein Tiefdruckgebiet.

Jetstream und dynamische Druckgebiete

Die Planetarische Frontalzone ist also der "Berührungspunkt" zwischen Tropikluft und Polarluft. Durch die Tiefdruckwirbel am Boden und durch den Polarfront-Jetstream in der Höhe wird die warme und die kalte Luft ausgetauscht. Die Planetarische Frontalzone mit den außertropischen Westwinden am Boden und den Jetstreams in der Höhe ist also ein Ort, in dem sich warme mit kalter Luft verwirbelt. Dies spiegelt sich auch im unruhigen Wettergeschehen wieder.

Der globale Luftmassen- und Temperaturaustausch findet in der Planetarischen Frontalzone statt und wird hier abgeschlossen.

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Interaktive Aufgabe:
Benennungs-Aufgabe: Die Tiefdruckwirbel

Materialien
Der Tiefdruckwirbel

Zum Weiterlesen:
Entstehung und Entwicklung einer Zyklone (Animation), Entwicklung einer Zyklone über Europa (Animation), Entstehung der Jetstreams (Animation), Mäandrieren des Jetstreams (Animation), Luftdruckgebiete, Winde, Coriolis-Kraft, Zyklonen auf Satellitenbildern, Wetterablauf beim Durchzug einer Zyklone, Hauptluftmassen und Großwetterlagen, Höhenwetterkarten