Passatkreislauf PDF

14 Der Passatkreislauf –eine Einführung in einige Grundbegriffe der Klimatologie Einleitung Anfang Juni am Strand der indischen Stadt Mumbai: Auch heute haben sich wieder viele Menschen einge- funden. Sie schauen gespannt zum Himmel. Schon seit Tagen beobachten sie, wie sich über dem Meer immer häu...

14 Der Passatkreislauf –eine Einführung in einige Grundbegriffe der Klimatologie Einleitung Anfang Juni am Strand der indischen Stadt Mumbai: Auch heute haben sich wieder viele Menschen einge- funden. Sie schauen gespannt zum Himmel. Schon seit Tagen beobachten sie, wie sich über dem Meer immer häufiger Wolken bilden. Heute türmen sie sich zu gewaltigen Wolkenbänken. Und dann beginnt es fast schlag- artig zu regnen. Die Menschen jubeln, tanzen und freuen sich. Der lebensspendende Regen hat nach monate- langer Dürre endlich eingesetzt. Dieses Naturereignis wiederholt sich Jahr für Jahr. Ursache dafür sind Winde, die die feuchten Luftmassen bringen. Wie entstehen aber Luftdruckgebiete und Winde; und weshalb regnet es? Lernziele  Die Grundbegriffe der Klimatologie kennen, erklären und anwenden können.  Den Passatkreislauf verstehen, grafisch darstellen und erklären können.  Die zeitliche und räumliche Verschiebung des Passatkreislaufes (insbesondere der ITC) interpretieren können.  Die Abhängigkeit der Vegetationszonen vom Passatkreislauf erklären können. Grundlagen der Klimatologie Der Luftdruck Wenn Sie mit einer Seilbahn sehr schnell auf einem Berg „angehoben“ werden oder wenn Sie einen Start in einem Flugzeug erleben, so fällt Ihnen bestimmt auf, dass Ihnen die Ohren wehtun (Gehören Sie nicht zu dieser Leid tragenden Mehrheit, haben Sie zumindest wohl schon davon gehört!). Der Grund ist, dass die Luft, die aus Gasen besteht, ein Gewicht hat. Je höher man geht, umso weniger Luftteilchen hat es über einem. Der Luftdruck nimmt also mit zunehmender Meereshöhe ab (siehe Grafik, rechts). Vor allem bei Menschen, die sich in grossen Höhen begeben, kann ab einer Höhe von ca. 2'500 m ü. M. die so genannte Höhenkrankheit auftreten. Symptome sind u. a. Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen, Müdigkeit, Atemnot und Schwindel. Ausgelöst werden sie von einer Sauerstoffunterversorgung. Der Körper kann sich innerhalb weni- ger Tage in gewissem Ausmass an diese Situation anpassen, indem er mehr rote Blut- körperchen produziert, die bekanntlich den Sauerstoff binden. Bemerkt man beim Bergsteigen akute Symptome der Höhenkrankheit, sollte man sofort absteigen, da sie im schlimmsten Fall tödlich enden können. Das Teelicht-Karussell 1.) Kerze anzünden. 😉😉 Überlegen Sie sich, wie Sie Ihre Beobachtung erklären könnten. 2.) „Heissluftballone“ haben unten eine ringförmige Öffnung über einem Gasbrenner. Der Ballonfahrer bringt die Heissluft zum Steigen, indem er mit dem Gasbrenner die Luft in der Ballonhülle erwärmt. Der Auftrieb eines Heissluftballons wird also durch die Erwärmung der Luft in der Ballonhülle erzeugt. Die warme Luft steigt. Überlegen Sie sich, warum die warme Luft steigen kann! Tipp: Erinnern Sie sich an ihren Chemieunterricht! ⇒ Die Lösungen finden Sie auf dem Poster!  15 Druckgebiete und Wind Über einem erwärmten Gebiet dehnt sich Luft nach oben aus. Dadurch verringern sich dort die Anzahl der Luftteilchen und damit die Dichte (Druck) der Luft. Am Boden entsteht so ein Gebiet geringen Luftdrucks (Tiefdruckgebiet). Bodennahe Luft wird dann von allen Seiten angesogen, um die nach oben entweichende Luft zu ersetzen. Über kälterem Boden entsteht dagegen ein Hochdruckgebiet. Die Luftmassen sinken dort ab und es kommt am Boden zu einem Überschuss an Luft- teilchen. Wind ist bewegte Luft. Die Luftströmung entsteht als Aus- gleich zwischen Gebieten mit hohem Druck ⇒ Hochdruck- gebiet (Luftteilchenüberschuss) und solchen mit niedrigem Druck ⇒ Tiefdruckgebiet (Luftteilchenmangel). Druckunterschiede entstehen meist durch unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche. Je grösser das Druck- gefälle, desto stärker ist der Wind. Die Windrichtung wird nach der Richtung bezeichnet, aus welcher der Wind kommt. Ein Westwind weht also von West nach Ost. Die Corioliskraft (ablenkende Kraft der Erdrotation = Corioliskraft) Die Corioliskraft ist eine aus der Erdrotation resultierende Scheinkraft, die Winde auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links ablenkt. Die Erde dreht sich von West nach Ost in hoher Geschwindigkeit. Dadurch, dass die Erde (nahezu) eine Kugel ist, haben Orte unterschiedlicher Breite eine unterschiedliche Drehgeschwindigkeit. Am Äquator ist die Geschwindigkeit am höchsten (40'000 km / 24 Stunden) und nimmt mit zunehmender Breite ab (siehe Abbildung). Beispiel: Wenn nun Luftmassen vom Äquator in Richtung Norden abfliessen, dann behalten 887 km/h sie die Rotationsgeschwindigkeit des Äquators bei, also 1674 km/h. Wenn Sie dann auf 23,5° N ankommen, fliessen sie rund 150 km/h schneller, als die Erde sich 1529 km/h unter ihnen bewegt. Die Luft eilt der Erde voraus. Dies ergibt eine Rechtsab- weichung; aus dem Südwind entsteht ein Südwestwind. Wenn sich umgekehrt Luft 1674 km/h aus 23,5° N gegen Süden bewegt, dann eilt ihr am Äquator die Erde voraus. Der Nordwind wird nach rechts zu einem Nordostwind abgedreht. ⇒ Spielerisch wird der Einfluss der Corioliskraft als ablenkende Kraft der (Erd)- Rotation demonstriert: https://www.youtube.com/watch?v=Z7CfrEGrp5M (1:40) ⇒ Ein im Film „Passatkreislauf“ gezeigtes Experiment wird den Corioliseffekt später nochmals verdeut- lichen! Luftfeuchtigkeit Mit Feuchtigkeit bezeichnet man den Gehalt der Sättigungskurve Atmosphäre an Wasserdampf. Er gelangt durch Ver- (Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf) dunstung in die Atmosphäre, insbesondere an der 35 Oberfläche von Meeren und Gewässern, aber auch 30 30.4 durch die Vegetation 2. Die Menge des von der Luft gr. H2O / m3 Luft 25 23.1 aufgenommenen Wasserdampfes hängt in erster 20 17.3 Linie von der Temperatur ab: Je höher die Lufttem- 15 12.7 peratur ist, desto mehr Wasser kann die Luft auf- 9.4 nehmen. Warmluftmassen haben daher einen grös- 10 6.8 4.8 seren Wasserdampfgehalt als Kaltluftmassen. Die 5 3.4 1.6 2.3 Luft ist dann gesättigt, wenn sie die grösstmögliche 0 Wasserdampfmenge bei einer bestimmten Tempe- -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 ratur aufnehmen kann (siehe Sättigungskurve). °C 2 Gesamtheit des Pflanzenbestandes (eines bestimmten Gebietes) 16 Warum regnet es? Kühlt sich die Luft ab, die bereits mit Wasserdampf gesättigt ist, so werden die überschüssigen Wassermoleküle als Wassertropfen ausgeschieden. Diesen Vorgang nennt man Kondensation. Wolken sind nichts Anderes als bereits kondensierter Wasserdampf. Damit es also aus einer Luftmasse regnet, muss sie zuerst abgekühlt werden. Damit dies geschieht muss eine Luftmasse angehoben werden, erst dann wird sie kälter und da ja kältere Luft weniger Wasserdampf auf- nehmen kann, kondensiert der Wasserdampf –und es regnet (siehe Sättigungskurve). Zwei wichtige Ursachen der Niederschlagsbildung 1. Aufsteigende, stark erwärmte Bodenluft kühlt sich in der Höhe ab; es erfolgt eine Kondensation. Dies führt bei uns zu einem Sommergewitter und in den Tropen zu Zenitalregen. 1. Typischer Wetterablauf bei Zenitalregen (innerhalb der ITC) 2. Eine wichtige Ursache der Niederschlagsbildung finden wir an 2. den Luv 3-Seiten von Gebirgen. Durch das Aufsteigen feuchter Luftmassen an solchen Luvseiten erfolgt die Abkühlung und damit verbundenen Niederschlag. Solche Niederschläge wer- den Steigungs- oder Stauregen genannt. Der Passatkreislauf  Passatkreislauf (6:26) Nach der studierten Theorie (S. 14-16) schauen Sie sich nun den Film Passatkreislauf an. Einige Begriffe wie u. a. die Corioliskraft werden darin nochmals angesprochen. Zudem führt er ins Thema Passatkreislauf ein. Die Voraussetzungen zum Verständnis haben Sie vorhin gelernt. Schema Passatkreislauf 3 die dem Wind zugewandte Seite (Das Gegenteil ist Lee: die dem Wind abgekehrte Seite)  17 Die Beschreibung und Erklärung des Passatkreislaufes (siehe Schema, S. 16) Da die Sonne am Äquator zur Mittagszeit nahezu senkrecht steht, ist dort die Erwärmung durch die Sonne sehr gross. Die warme Luft dehnt sich aus, strömt dabei in die Höhe und der Luftdruck am Boden sinkt ab. Es entsteht dort ein ständiges Tiefdruckgebiet, die so genannte Innertropische Konvergenzzone (ITC) oder die äquatoriale Tiefdruckrinne. Die dort aufsteigende Luft kühlt sich ab. Da die Luft mit abnehmender Temperatur weniger Wasserdampf aufnehmen kann, kommt es zur Kondensation und damit zu Wolkenbildung und Niederschlägen. Diese Niederschläge werden Zenitalregen genannt. In der Höhe strömt die Luft nach Norden und Süden. Dieser als Antipassat bezeichnete Höhenwind weht in Richtung der Wendekreise, wobei sich die Luft abkühlt und anschliessend absinkt. Beim Absinken erwärmt sich diese Luft wieder. Ähnlich wie beim Aufpumpen eines Veloreifens: Die Pumpe wird durch das Zusammendrücken der Luft erwärmt. Da aber wärmere Luft mehr Wasserdampf aufnehmen könnte –aber beim Absteigen der neuen Luftmassen keine mehr dazu kommt (!), trocknen diese Luftmassen immer mehr aus. Typisch für Hochdruckgebiete sind daher ein wolkenloser Himmel und das Ausbleiben von Niederschlägen. Der Hauptteil der absinkenden Luft erreicht bei ca. 30° N beziehungsweise bei 30° S den Boden. Die sich hier bildenden Hochdruckgebiete werden als subtropische Hochdruckgürtel bezeichnet. Zwischen dem subtropischen Hochdruckgürtel und der ITC kommt es zum Druckausgleich (Wind), der zum Äquator gerichtet ist. Auf der Nordhalbkugel wird dieser Wind nach rechts abgelenkt (Corioliskraft). Somit gibt es hier einen beständigen Nordostwind (Nordost-Passat). Auf der Südhalbkugel wird der Passat nach links abgelenkt (Südost-Passat). Etwa im Äquatorbereich treffen die Passate der Nord- und Südhalbkugel zusammen und steigen auf. Dadurch entstehen in diesem Gebiet der Innertropischen Konvergenzzone 4 (ITC) ständig Niederschläge. Historisches: Seit der Zeit der grossen geografischen Entdeckungen haben Schiffsbesatzungen den Passat zur Überfahrt nach Amerika genutzt. Daher erhielt dieser den Namen Passat (passata = Überfahrt). Gefürchtet waren dabei die Rossbreiten (altes Synonym für das Subtropenhoch). Da es im Bereich der Hochdruckgebiete meist windstill ist, kamen Segelschiffe oft wochenlang nicht weiter, und die Trinkwasservorräte wurden knapp. Um Trinkwasser zu sparen, wurden die Pferde (Pferd = Ross) über Bord geworfen. Deshalb wird der subtropische Hochdruckgürtel auch als „Rossbreiten“ bezeichnet. Animationen zum Passatkreislauf finden Sie auf folgender Internetseite: https://www.youtube.com/watch?v=QshwgF99SEg ⇒ gute, kurze Zusammenfassung des oberen Textes und des Schemas Passatkreislaufes (S. 16) http://satgeo.zum.de/satgeo/beispiele/luft/Glossar/d02.htm (Animation, links) Die Verschiebung des Passatkreislaufes Da der zenitale oder senkrechte Sonnenstand zwischen den beiden Wendekreisen pendelt (siehe Modul Revo- lution) verlagert sich die Innertropische Konvergenzzone (ITC) im Nordsommer gegen Norden und im Süd- sommer gegen Süden. Dadurch kommet es auch zu einer Verlagerung der Druckzentren und der Windgürtel um 5°-8° nach Norden bzw. nach Süden. Als Folge ergeben sich Übergangszonen wie die wechselfeuchten Tropen (Trockenzeit und Regenzeit). Eine Animation zur Verschiebung des Passatkreislaufes finden Sie auf folgender Internetseite: http://satgeo.zum.de/satgeo/beispiele/luft/Glossar/d02.htm (Animation, rechts) ⇒ Beobachtung: Die ITC hinkt dem zenitalen Sonnenstand hinterher. Der Grund ist, dass sich der Boden zuerst „aufheizen“ muss. Der stark erwärmte Erdboden erwärmt dann die bodennahe Luft, die sich ausdehnt und nach oben steigt −ein Tiefdruckgebiet entsteht. 4 konvergieren – zusammenlaufen (Der NO-Passat und der SO-Passat konvergieren!) 18 Die Vegetationszonen der Tropen (siehe Schema Passatkreislauf auf Seite 16): Tropischer Regenwald (Immerfeuchte Tropen): Diese Zone liegt ganzjährig im Einflussbereich der ITC (Innertropische Konvergenzzone). Mächtige Wolkenbildungen und tägliche Gewitter kennzeichnen das Gebiet des immergrünen tropischen Regenwaldes. Es gibt keine ausgeprägten Jahreszeiten. Die Temperatur liegt in Meereshöhe Monat für Monat bei 25-27°C, dafür gibt es grosse Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht. Es herrscht ein Tageszeitenklima vor. Savannenklima (Wechselfeuchte Tropen): Klimatisch wird diese Zone geprägt durch eine Regenzeit im Sommer (ITC) und die Trockenheit im Winter (Passate), sowie weitgehender Frostfreiheit. In dieser Zone findet man die Savanne, für die der Wechsel von Gras- und Holzgewächsen typisch ist. Je länger die Regenzeit dauert, umso grösser ist der Baumanteil. Waldstreifen findet man entlang von Tälern mit oder ohne fliessende Gewässer. Diese so genannten Galeriewälder existieren in erster Linie vom Grundwasser. Wüstenzonen (Wendekreiswüsten): Das Klima dieser Zone wird überwiegend vom subtropischen Hochdruck- gürtel und den Passaten bestimmt. Flüsse sind selten, meist handelt es sich um Fremdlingsflüsse, die ihr Wasser aus einer feuchteren Klimazone beziehen. Die Wüsten der Sahara oder Kalahari liegen beispielsweise in dieser Zone. Übungsaufgaben zum Kapitel „Jahreszeiten und der Sonnenstand“ 17. Wo auf unserer Erde ist der Luftdruck am grössten? 18. Bemalen Sie diejenigen Winde, die korrekt (entsprechend der Corioliskraft) abgelenkt werden; also bei A: 1 oder 2 … Dies ist eine theoretische Aufgabe; vergleichen Sie sie also nicht mit dem Passatkreislauf! 19. Stellen Sie sich vor, Sie wären in Singapur und würden dort in einem grossen Einkaufszentrum „shoppen“ gehen. Da Singapur sehr nahe am Äquator liegt und es deshalb dort sehr heiss ist, muss das Einkaufszentrum mit Hilfe von Klimaanlagen abgekühlt werden. Schildern und begründen Sie, was mit Ihrer Brille passiert, wenn Sie das Shopping-Center verlassen. 20. Welches Druckgebilde ist verantwortlich für den Niederschlag im tropischen Regenwald, sowie für die Regenzeiten in den wechselfeuchten Tropen? 21. Das Satellitenbild zeigt den Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre. Weisse Flächen sind Wolken, Je dunkler eine Fläche ist, umso trockener ist die Luft. Beantworten Sie die unten aufgeführten Fragen: http://satgeo.zum.de/satgeo/methoden/anwendungen/S119a.htm a.) Suchen Sie nach den Wolkentürmen der ITC aus denen der Zenitalregen fällt. Zu welcher Tageszeit sind die blumenkohlartigen Wolken im tropischen Afrika voll entwickelt? Begründen Sie Ihre Beobachtung! b.) Suchen Sie nach den Subtropenhochs. Welchen Drehsinn (Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn) besitzen die Subtropenhochs auf der Nord- und welchen Drehsinn auf der Südhalbkugel? Begründen Sie Ihre Beobachtungen! 22. Lückentext: Passatkreislauf ⇒ http://www.klima-der-erde.de/lk_passat.html (sehr gute Übung!)