Warum der Wind weht: Druck, Corioliskraft und globale Zirkulation

Im Sommer 1735, irgendwo westlich der Kanarischen Inseln, lief eine hölzerne Brigg unter einer stetigen östlichen Brise nach Westen. Der Wind schien nie seine Richtung zu ändern. Es war derselbe Passatwind, der iberische, niederländische und englische Schiffe zwei Jahrhunderte lang über den Atlantik getragen hatte, das verlässliche Förderband des Zeitalters der Segelschifffahrt. Ein Kapitän konnte eine Reise um ihn herum planen, weil er immer da war, immer aus ungefähr derselben Richtung wehte, Tag für Tag für Tag.

Im selben Jahr trat in London ein quäkerischer Anwalt und Hobby-Naturphilosoph namens George Hadley vor die Royal Society und verlas eine kurze Abhandlung, die behauptete, dieser Wind sei überhaupt kein Zufall des Wetters. Er sei, so seine Behauptung, der bodennahe Arm einer gewaltigen Zirkulation, die den gesamten Planeten umspannte, angetrieben von der Hitze der Sonne und gebogen durch die Rotation der Erde. Die Brise im Rücken jener einzelnen Brigg war ein sichtbarer Faden einer Maschine von der Größe einer Hemisphäre. Warum also weht der Wind, und warum weht er dort und so, wie er es tut?

Luft fällt immer ein Druckgefälle hinab

Streicht man die Komplikationen weg, ist Wind etwas Einfaches. Er ist Luft, die von Orten hohen Drucks zu Orten niedrigen Drucks strömt. Die Kraft, die diese Strömung antreibt, ist die Druckgradientkraft, und sie wirkt genau so, wie Wasser bergab fließt: Je steiler das Gefälle, desto schneller die Bewegung. Wo zwei Regionen der Atmosphäre nur einen kleinen Druckunterschied aufweisen, ist der Wind sanft. Wo der Unterschied groß ist und auf eine kurze Strecke zusammengedrängt, heult der Wind.

Die nächste Frage ist, woher diese Druckunterschiede überhaupt kommen, und die Antwort lautet: Sonnenlicht. Die Sonne erwärmt die Erde ungleichmäßig. Der Äquator empfängt das Sonnenlicht das ganze Jahr über nahezu senkrecht, während die Pole dieselben Strahlen über einen streifenden Winkel und eine viel größere Fläche verschmiert erhalten. In Bodennähe erwärmte Luft dehnt sich aus, sodass die Luftsäule über einem heißen Stück Boden eine größere Höhe einnimmt und anders nach unten drückt als die Säule über einem kalten Stück. Ungleichmäßige Erwärmung erzeugt eine ungleiche Ausdehnung der Luftsäule, die über jedem Quadratmeter Oberfläche steht, und ungleiche Ausdehnung erzeugt die Druckunterschiede, die der Wind dann auszugleichen versucht. Die Sonne kippt sozusagen ständig den Tisch, und die Luft rutscht immer wieder über ihn hinweg.

Die Rotation des Planeten biegt alles, was sich bewegt

Wäre der Druck die ganze Geschichte, würde der Wind in einer geraden Linie von hoch nach niedrig wehen und die Sache wäre erledigt. Das ist sie nicht, und der Grund dafür ist, dass die Oberfläche, über die er weht, sich dreht. Die Erde rotiert alle vierundzwanzig Stunden einmal nach Osten, und auf einer rotierenden Kugel scheint jedes Objekt, das sich frei über die Oberfläche bewegt, von einer geraden Bahn abzuweichen. Auf der Nordhalbkugel erfolgt die Ablenkung nach rechts der Bewegungsrichtung; auf der Südhalbkugel nach links.

Diese scheinbare Krümmung ist der Corioliseffekt, benannt nach Gaspard-Gustave de Coriolis, dem französischen Ingenieur und Mathematiker, der seine Mathematik 1835 herleitete. Zwei Merkmale des Effekts sind für das Verständnis des Windes wichtig. Erstens hängt seine Stärke von der geografischen Breite ab: Er ist am Äquator null und erreicht sein Maximum an den Polen, sodass derselbe Wind in den Tropen fast keine Ablenkung erfährt und in hohen Breiten eine kräftige. Zweitens wirkt er auf alles, was sich in anhaltender freier Bewegung über den Planeten befindet, nicht nur auf die Luft, weshalb er auch Meeresströmungen und die Flugbahnen weitreichender Artilleriegeschosse anstößt. Ohne den Corioliseffekt würde der Wind geradewegs von hohem zu niedrigem Druck laufen. Mit ihm wird die Strömung in die großen geschwungenen Muster verdreht, die wir tatsächlich an der Oberfläche beobachten, und der Passatwind, der Hadleys imaginäre Brigg trug, wird nicht zu einem geraden, sondern zu einem gebogenen Schub.

Hadleys Schleife und der Motor der Tropen

Hadleys Beitrag bestand darin, den tropischen Wind als Teil einer Schleife zu sehen. In seiner Abhandlung von 1735 schlug er vor, dass die intensive Sonneneinstrahlung entlang des Äquators in jeder Hemisphäre einen einzigen großen konvektiven Kreislauf antreibt. Warme, feuchte Luft steigt entlang des Äquators auf, klettert bis zur Spitze der unteren Atmosphäre und breitet sich polwärts aus. Während sie wandert, kühlt sie ab und wird dichter, bis sie um etwa dreißig Grad geografischer Breite wieder zur Oberfläche absinkt. Dort dreht sie und strömt in Bodennähe zum Äquator zurück, und während sie das tut, biegt die Rotation der Erde sie nach Westen und erzeugt die stetigen östlichen Passatwinde, die europäische Segelschiffe über den Atlantik trieben.

Dieser Kreislauf ist die Hadley-Zelle, und sie ist das, was der Atmosphäre einer Wärmekraftmaschine, die man auf einer einzigen Seite zeichnen könnte, am nächsten kommt: Wärmezufuhr am Äquator, Aufstieg, polwärtige Strömung in der Höhe, Absinken in den Subtropen und eine Rückströmung an der Oberfläche, gebogen zu den Passaten. Die beiden Kräfte aus den vorherigen Abschnitten sind in ihr beide zugleich sichtbar. Die Druckgradientkraft hebt und zirkuliert die Luft, weil der Äquator heiß und niedrig im Bodendruck ist, während die Subtropen kühl und hoch sind; die Coriolisablenkung biegt die zurückkehrende Bodenströmung in einen Ostwind statt in eine gerade nord- oder südwärts gerichtete Strömung. Dieselbe Paarung taucht weit oben wieder auf, wo die schärfsten Temperaturkontraste nahe der Spitze der unteren Atmosphäre die schnellsten, am stärksten konzentrierten Winde des Planeten antreiben.

Drei Zellen, drei Windgürtel

Hadley hatte mit den Tropen recht, aber eine einzige Schleife kann nicht bis zu den Polen reichen. Das Bild wurde 1856 vom amerikanischen Meteorologen William Ferrel vervollständigt, der in jeder Hemisphäre zwei weitere Zellen hinzufügte. Das Ergebnis ist das Drei-Zellen-Modell: die Hadley-Zelle, die vom Äquator bis etwa dreißig Grad reicht, die Ferrel-Zelle von etwa dreißig bis sechzig Grad und die Polarzelle von sechzig bis neunzig Grad. Die Zellen greifen ineinander wie Zahnräder, der absinkende Arm der einen speist den aufsteigenden Arm der nächsten, sodass die gesamte Hemisphäre vom Äquator bis zum Pol gekachelt ist.

Jede Zelle prägt der Oberfläche unter ihr einen charakteristischen Wind auf. Unter der Hadley-Zelle wehen die östlichen Passatwinde. Unter der Ferrel-Zelle wehen die vorherrschenden Westwinde der mittleren Breiten. Unter der Polarzelle wehen die polaren Ostwinde. Diese drei Gürtel sind keine regionalen Eigenheiten; sie sind die Signatur der globalen Zirkulation an der Oberfläche, und sie treten an ungefähr denselben Stellen über jedem Ozean und Kontinent auf, weil die Physik, die sie hervorbringt, überall dieselbe ist. Das Modell ist eine Idealisierung, ein sauberes Diagramm, über einen unordentlichen Planeten gelegt, aber es erfasst das Gerüst dessen, wie sich die Luft um die Welt bewegt.

Warum die geografische Breite über das Klima entscheidet

Da jede Zelle einen bestimmten Bodenwind und ein bestimmtes Druckmerkmal erzeugt, ordnet die Drei-Zellen-Zirkulation das Klima des gesamten Planeten in Bänder, die parallel zum Äquator verlaufen. Die geografische Breite eines Ortes verrät überraschend viel über sein Wetter, bevor man sonst irgendetwas über ihn weiß, und der Grund dafür ist die Zelle, die darüber sitzt.

Zwei Bänder machen das anschaulich. Um dreißig Grad geografischer Breite, in beiden Hemisphären, sinkt die Luft der Hadley-Zelle ab. Absinkende Luft erwärmt sich und trocknet aus, während sie sich zusammendrückt, was Wolken und Niederschlag unterdrückt, und genau entlang dieser absinkenden Arme sind die großen Wüsten der Welt aufgereiht: die Sahara, die arabischen Wüsten, die Wüsten des amerikanischen Südwestens und Australiens, allesamt nahe dreißig Grad geballt. Um sechzig Grad hingegen trifft die kalte Polarluft entlang der Polarfront auf die wärmere Luft der mittleren Breiten, und diese Kollisionszone ist der Ort, an dem die großen Sturmbahnen der Welt leben und die Parade von Tiefdrucksystemen erzeugen, die den mittleren Breiten ihr wechselhaftes, böiges Wetter verleiht. Wüsten bei dreißig, Stürme bei sechzig: Die Geografie folgt aus den Zellen.

Die Passatwinde und die vorherrschenden Westwinde verdienen einen eigenen Moment, denn sie zu verwechseln ist der häufigste Fehler in der gesamten atmosphärischen Geografie. Beide sind Bodenwinde, aber sie gehören zu verschiedenen Zellen, wehen in entgegengesetzte Richtungen und haben zwei sehr unterschiedliche maritime Welten geformt. Die Passate wehen aus dem Osten über die Tropen, und die Westwinde wehen aus dem Westen über die mittleren Breiten. Segelschiffe nutzten beide aus, ritten auf den östlichen Passaten hinaus über die niederen Breiten und fingen die Westwinde für den Rückweg in höheren Breiten ein, weshalb die großen Handelsrouten des Zeitalters der Segelschifffahrt riesige Schleifen statt gerader Linien über die Ozeane zeichnen.

Jetstreams und die Grenzen eines ordentlichen Modells

Die Zellen haben auch ein Gegenstück in großer Höhe, das das Wetter weit darunter formt. An den Grenzen zwischen den Zellen, nahe der Spitze der unteren Atmosphäre an der Tropopause in etwa neun bis zwölf Kilometern Höhe, ist der Temperaturkontrast über die Grenze hinweg am schärfsten, und wo die Temperaturgradienten am steilsten sind, ist der Wind am schnellsten. Das Ergebnis sind die Jetstreams, schmale Bänder aus westlichem Wind mit hoher Geschwindigkeit. Der Polarjet verläuft nahe sechzig Grad und der Subtropenjet nahe dreißig Grad, und beide können Geschwindigkeiten von zweihundert bis vierhundert Kilometern pro Stunde erreichen. Sie steuern die Bahn praktisch jedes Wettersystems der mittleren Breiten, weshalb Meteorologen sie so genau beobachten.

Zwei Vorbehalte halten dieses Bild ehrlich. Der erste betrifft einen berühmten Mythos. Der Corioliseffekt biegt tatsächlich Winde, Meeresströmungen und Artilleriegeschosse, aber er entscheidet nicht, in welche Richtung sich Wasser in einem Badewannenabfluss oder einer spülenden Toilette dreht. Auf der Skala eines Waschbeckens wird der Effekt völlig von der Geometrie des Beckens, der Form des Abflusses und davon, wie sich das Wasser bei seiner Ankunft bewegte, überlagert. Die Badewannengeschichte überlebt nur, weil die Variante mit den Himmelsrichtungen einprägsam ist, nicht weil die Physik standhält, wenn man sie herunterskaliert. Der zweite Vorbehalt ist umfassender: Das Drei-Zellen-Modell ist eine Idealisierung, keine Fotografie. Die wirkliche Atmosphäre wird durch die unregelmäßige Anordnung von Land und Meer zerstückelt, durch die saisonale Nord-Süd-Wanderung der innertropischen Konvergenzzone, wo sich die Passatwinde treffen, durch Monsune, die von den unterschiedlichen Raten angetrieben werden, mit denen sich Land und Meer erwärmen und abkühlen, und durch Schwankungen von Jahr zu Jahr wie El Niño und den Indischen-Ozean-Dipol, die das gesamte System modulieren. Die Zellen sind das Gerüst, an dem das Wetter hängt, nicht seine vollständige Beschreibung.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Wind ist Luft, die unter der Druckgradientkraft von hohem zu niedrigem Druck strömt, welche existiert, weil die Sonne die Erde ungleichmäßig erwärmt und ungleiche Erwärmung die Luftsäule von Ort zu Ort unterschiedlich ausdehnt; der rotierende Planet lenkt diese Strömung dann durch den Corioliseffekt ab, nach rechts auf der Nordhalbkugel und nach links auf der Südhalbkugel, null am Äquator und am stärksten an den Polen. George Hadley skizzierte 1735 die tropische Schleife, Gaspard-Gustave de Coriolis leitete 1835 die Mathematik der Ablenkung her, und William Ferrel vervollständigte 1856 das Drei-Zellen-Bild, das jeder Hemisphäre eine Hadley-Zelle, eine Ferrel-Zelle und eine Polarzelle gibt, die die Passatwinde, die vorherrschenden Westwinde und die polaren Ostwinde erzeugen, mit schnellen westlichen Jetstreams, die entlang der Zellgrenzen nahe der Tropopause verlaufen. Diese Bänder erklären, warum sich Wüsten nahe dreißig Grad und Sturmbahnen nahe sechzig Grad ballen, warum die Passate und die Westwinde in entgegengesetzte Richtungen wehen und warum die geografische Breite ein so starker Prädiktor des Klimas ist; aber das Modell ist eine Idealisierung, die Land, Meer, die wandernde innertropische Konvergenzzone, Monsune und Zyklen wie El Niño alle verkomplizieren, und es regiert, der Legende zum Trotz, nicht den Strudel eines auslaufenden Waschbeckens.