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Heini Wernli und Stephan Pfahl

Das komplexe Wettergeschehen auf der Erde wird durch die Energie der einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung angetrieben. Wegen der Kugelform der Erde nimmt diese Energie im Jahresmittel mit zunehmender Distanz vom Äquator ab (Abb. 7.1). Die langwellige Abstrahlung der Erde ist nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann durch die Temperatur bestimmt (MESCHEDE 2006). Sie ist demnach gemäß der klimatologischen Temperaturverteilung auf der Erde in den Subtropen maximal und nimmt gegen die Pole hin ab. Wie die Abbildung 7.1 zeigt, sind auf der Erde im Jahresmittel einfallende und ausgehende Strahlung nicht im Gleichgewicht. In den Tropen und Subtropen herrscht ein Energieüberschuss, das heißt, es fällt mehr Energie ein als im langwelligen Bereich abgestrahlt wird; in den mittleren Breiten und an den Polen besteht hingegen ein Energiedefizit. Diese Situation würde im Prinzip zu einem kontinuierlichen Aufheizen der Tropen und Abkühlen der Polargebiete führen, was aber in der realen Atmosphäre nicht beobachtet werden kann. Der Grund dafür ist, dass etwa im gleichen Umfang Transportprozesse im Ozean und in der Atmosphäre stattfinden und so für den notwendigen Ausgleich sorgen, indem sie Energie von den niederen in die hohen Breiten transportieren. Diesen Transport übernehmen im Ozean warme polwärts und kalte zum Äquator gerichtete Meeresströmungen, zum Beispiel der warme Golfstrom oder der kalte Humboldt-Strom. Die Verlängerung des Golfstromes, der sogenannte Nordatlantikstrom, ist so auch dafür mitverantwortlich, dass die mittleren Temperaturen in Europa um ungefähr 5 °C höher liegen als in anderen Regionen vergleichbarer geographischer Breite. Die Abbildung 7.2 zeigt die Meeresoberflächentemperaturen im östlichen Nordatlantik für Sommer und Winter. Die anomal warmen Meeresregionen, die sich an der europäischen Küste etwa von Frankreich bis nach Spitzbergen erstrecken, sind deutlich sichtbar und haben eine Fläche, die ungefähr derjenigen von West- und Mitteleuropa entspricht.

7.1 Die zonal und zeitlich gemittelte einfallende, kurzwellige Strahlung der Sonne und die von der Erde abgestrahlte langwellige Strahlung variieren mit der geographischen Breite. Die Differenz der beiden zeigt, dass die Erde in den Tropen im Mittel Energie emittierte – das heißt, die absorbierte Energie ist größer als die ausfallende – und in den Polarregionen im Mittel Energie emittiert.

In der Atmosphäre geschieht der Energietransport in erster Linie durch Hoch- und Tiefdruckgebiete. Hierbei spielen Tiefdruckgebiete, die sich stark intensivieren können, eine besonders wichtige Rolle. Auf der Vorderseite von Tiefdruckgebieten werden warme, feuchte Luftmassen aus den Subtropen typischerweise in zwei Tagen über Distanzen von mehreren Tausend Kilometern polwärts getragen (Abb. 7.3). Dabei steigen diese als „warm conveyor belts“bezeichneten Luftmassen auf (Abb. 7.3, roter Pfeil), es kommt zu Wolkenbildung und Niederschlag und damit zur Freisetzung von latenter Wärme polwärts von der Ursprungs-, das heißt der Verdunstungsregion des Wassers. Gleichzeitig führen absteigende Luftströmungen auf der Rückseite von Tiefdruckgebieten (Abb. 7.3, grüner Pfeil) zu einem Transport von kalter Luft in Richtung des Äquators. Energetisch betrachtet sind diese meridionalen Transporte der zentrale Aspekt von (Hoch- und) Tiefdruckgebieten für die allgemeine Zirkulation des Klimasystems der Erde. Aber auch mit Blick auf das tägliche Wettergeschehen in den mittleren Breiten sind diese Wettersysteme und die mit ihnen verbundenen typischen Strömungsmuster von entscheidender Bedeutung.

7.2 Flächentreue Projektion der Meeresoberflächentemperaturen im Nordatlantik im Winter 2002 (a) und im Sommer 2002 (b), wie sie von dem Satelliteninstrument AVHRR (advanced very high resolution radiometer) gemessen worden sind (nach SIROCKO et al. 2005).