Hadley-Zelle

Abb. 1: Schematische Darstellung der Hadley-Zirkulation

Die Hadley-Zirkulation ist ein wichtiger Bestandteil der Atmosphärischen Zirkulation. Sie ist eine planetarische, thermisch bedingte Vertikalzirkulation zwischen dem Subtropen-Hochdruckgürtel und der äquatorialen Tiefdruckrinne. In Beobachtungen ist sie recht gut zu erfassen, zeigen doch Wolkenkonvektion, Lage des Subtropenjets oder die permanent wehenden Passatwinde stets die Ausdehnung der Zelle an.

Aufbau und Dynamik

Die Hadley-Zirkulation (Abb. 1) umfasst grob den tropischen Klimagürtel und besteht aus zwei Zellen, eine nördlich, die andere südlich der innertropischen Kovergenzzone (ITC für Inter Tropic Convergence). Im Bereich der mit dem Stand der Sonne wandernden ITC wird die Luft durch die Einstrahlung der Sonne stark erwärmt, steigt auf, kühlt sich ab, fließt in der Höhe nach Norden und Süden, sinkt über den Subtropen ab und fließt Richtung ITC zurück. Andere Merkmale dieses Klimagürtels sind eine hohe Tropopause von ca. 15 km und eine geringe Ozonkonzentration über der Tropopause in der unteren Stratosphäre. Die mit der geographischen Breite variable Strahlungsbilanz bewirkt ein permanentes Temperaturgefälle zwischen den äquatorialen und den polaren Gebieten der Erde. Zum Ausgleich findet ein meridionaler Energietransport statt, der sowohl über die Ozeane als auch über die Atmosphäre erfolgt. Beobachtungen zeigen, dass diese thermisch angeregte Zirkulation jedoch nicht von den Tropen bis zu den Polen reicht, sondern nur bis zu den Subtropen bei ca. 30° geographische Breite realisiert ist.

Im Bereich des Subtropen-Hochdruckgürtels sinkt trockene Luft ab (absteigender Ast der Hadley-Zelle) und fließt bodennah in den sogenannten Passatwinden zum Äquator. Dabei nimmt sie vor allem über den Ozeanen große Mengen an thermischer Energie in Form von fühlbarer und latenter Wärme auf. Im Bereich der äquatorialen Tiefdruckrinne (ITC) wird sie durch Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen und kühlt sich dabei ab, was schnell zu Sättigung und anschließender Kondensation führt. Folglich ist der aufsteigende Ast der Hadley-Zelle durch starke Quellbewölkung und ergiebige konvektive Niederschläge geprägt (tropische Regenzone). In der Höhe fließt die Luft als polwärts gerichtete Höhenströme (Antipassate) zunächst meridional gerichtet ab. Durch die Corioliskraft werden diese mit wachsender Entfernung vom Äquator auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links zunehmend abgelenkt, bis sie im Bereich von 30° geographischer Breite zu einer zonal gerichteten Westströmung werden. Hier sinken die Luftmassen durch Abkühlung und Verdichtung infolge des verringerten Umfangs der Erde ab und bilden die subtropischen Hochdruckzellen. Die von ihnen Richtung äquatoriale Tiefdruckrinne strömenden Passate werden ebenfalls nach rechts bzw. links abgelenkt, sodass sie aus nord-/südöstlicher Richtung zum Äquator strömen. Da die Einstrahlung durch die Sonne sich mit den Jahreszeiten ändert, verschiebt sich die Position der Hadleyzelle im Jahresverlauf.

Ein großer Teil des meridionalen Temperaturgefälles wird innerhalb der Hadley-Zelle weitgehend abgebaut. Durch ihre Begrenzung erfolgt dieser Ausgleich jedoch nicht über die gesamte Hemisphäre, wodurch sich der Temperaturgegensatz der anschließenden Klimazone, der mittleren Breiten, auf einen relativ schmalen Bereich verdichtet. In dieser Zone findet der weitere meridionale Energietransport durch horizontale zyklonale (entgegen dem Uhrzeigersinn drehende) und antizyklonale (mit dem Uhrzeigersinn drehende) Wirbel statt, die durch die Instabilitäten der oberen Westwindströmung ausgelöst werden.

Abb. 2: Änderung der globalen Zirkulation durch den Klimawandel. Die roten Pfeile weisen hin auf die Erwärmung durch Treibhausgase (CO₂). Die orangenen Pfeile deuten die Ausweitung der Hadley-Zirkulation Richtung Pole und die Anhebung der Tropopause an.

Die Ausweitung der Hadley-Zelle

Mehrere Studien haben eine Ausdehnung der Hadley-Zirkulation festgestellt (Abb. 2), ohne sich über die Größenordnung einig zu sein. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen 0 und 2 Breitengrade pro Jahrzehnt. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Hadley-Zirkulation in den letzten 40 Jahren primär auf der Nordhalbkugel polwärts um 0,1-0,5 Breitengrade pro Jahrzehnt ausgedehnt hat. Besonders war das im Sommer und Herbst der Fall. Studien, die sich auf dynamische Kriterien, d.h. auf die Zirkulation selbst, beziehen, haben festgestellt, dass die Ausdehnung auf der Nordhalbkugel schneller erfolgt als auf der Südhemisphäre und eine Ausdehnung von mehr als 2° pro Jahrzehnt aufweist, während die der Südhalbkugel bei 1,3° liegt. Die expandierende Hadley-Zelle zeichnet sich dadurch aus, dass sich ihre Ränder polwärts verschieben. Da die Hadley-Zelle bestimmt, wie weit sich die Tropen ausdehnen, wird die Ausbreitung der Hadley-Zelle auch als Ausdehnung der Tropen bezeichnet.

Klimamodelle projizieren eine allgemeine Expansion auf der Südhemisphäre, aber regional unterschiedliche Muster in der Nordhemisphäre. Eine deutliche Mehrheit der Modellsimulationen zeigt, dass die globale Erwärmung zu einer Abschwächung der Hadley-Zelle führt und dass das auch in Zukunft der Fall sein wird. Große Unsicherheit besteht über den quantitativen Umfang dieser Abschwächung, der auf 0-4% geschätzt wird.

Ursachen der Ausweitung der Hadley-Zelle

Trotz zahlreicher Untersuchungen gibt es immer noch keinen Konsens über die treibenden Mechanismen der Ausweitung der Tropen. Frühere Studien haben die Zunahme der Treibhausgas-Konzentration, die Ozonveränderung in der Stratosphäre und die Aerosol-Verbreitung als Hauptursache vorgeschlagen. Yang et al. (2023) sehen als wichtigen Faktor die Erwärmung des subtropischen Ozeans durch eine erhöhte Treibhausgaskonzentration. Die Erhöhung der langwelligen Strahlung durch CO₂ ist hiernach in den Subtropen wegen des geringen Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und fast fehlender Wolken besonders stark, was durch Beobachtungen und zahlreiche Modellsimulationen bestätigt wurde. Die Folge ist eine relativ starke Erwärmung des subtropischen Ozeans, wodurch sich der Temperaturgegensatz der Meeresoberflächentemperatur zwischen Subtropen und mittleren Breiten erhöht. Dieser meridionale Temperatur-Gradient verschiebt sich dabei Richtung Pol, was wiederum eine Expansion der Tropen bedeutet, die besonders ausgeprägt auf der ozeandominierten Südhalbkugel ist.

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor besonders auf der Südhemisphäre wird in der Zunahme der stratosphärischen Ozonzerstörung in den 1980er und den 1990er Jahren gesehen. Durch die Ozonzerstörung kühlt sich die untere Stratosphäre ab, insbesondere über den Polregionen. Dadurch entstehen starke zirkumpolare Winde, die eine meridionale Mischung der Luftmassen verhindern. Nach Modellsimulationen war die Folge für die Hadley-Zirkulation eine Ausweitung und eine leichte Intensivierung. Seit der allmählichen Wiederherstellung der Ozonschicht durch das Montrealer Protokoll wird der gegenteilige Effekt erwartet. Eine vorübergehende und den Treibhausgaseinfluss abschwächende Wirkung haben in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch die zunehmenden anthropogenen Aerosole auf die Hadley-Zirkulation ausgeübt. Die für das 21. Jahrhundert erwartete Abschwächung der anthropogenen Aerosolkonzentration wird daher besonders auf der Nordhalbkugel die Wirkung der Treibhausgase verstärken und zu einer Ausweitung der Hadley-Zirkulation Richtung Pol beitragen, wobei der Effekt insgesamt jedoch als relativ schwach eingeschätzt wird.

Zusätzlich zu den anthropogenen Antrieben werden auch natürliche Klimaschwankungen als ein Faktor für die Ausdehnung der Hadley-Zelle gesehen. So dehnen sich die Tropen während einer La Niña aus und ziehen sich bei einem El-Niño-Ereignis zusammen. Über längere Zeiträume besitzt nach Grise et al. (2019) auch die Pazifische Dekaden Oszillation einen Einfluss auf die Hadley-Zelle. Um natürliche von anthropogenen Einflüssen zu unterscheiden, fehlen allerdings längere Beobachtungsdaten.

Folgen

Der absteigende Zweig der Hadley-Zirkulation hat großen Einfluss auf das Klima und das trockene und regenarme Wetter in den Subtropen. Die polwärts gerichtete Ausdehnung der Hadley-Zelle könnte zu einer Ausdehnung dieser Trockengebiete in höhere Breiten führen. Z.B. wurden in Südaustralien, der Mittelmeerregion und Nordchina verringerte Niederschläge und häufigere Dürren beobachtet, die mit der Ausbreitung der Hadley-Zirkulation in den letzten Jahrzehnten in Zusammenhang gebracht wurden. Auch die in den letzten Jahren in Europa häufig auftretenden extremen Hitzewellen werden darauf zurückgeführt. Durch die Ausweitung der Hadley-Zirkulation kommt es auch zu einer Verschiebung der Westwinde und Tiefdruckbahnen der mittleren Breiten in Richtung Pol.

Die bereits beobachtete Verschiebung der Tiefdruckbahnen bedeutet weniger Niederschläge in den Subtropen, wodurch häufigere Dürren in dicht besiedelten Regionen auftreten können. Ebenso können sich die subtropischen Wüsten polwärts ausdehnen und Waldbrände im Mittelmeerraum, Kalifornien oder Australien häufiger werden. Die Subtropen-Hochs über den Ozeanen sind durch hohen Salzgehalt, da in ihrem Bereich sehr viel Wasser verdunstet, und eine niedrige marine Bioproduktion gekennzeichnet. Eine Ausweitung der Hadley-Zellen bedeutet eine Expansion dieser Regionen. Auch die Entstehung tropischer Wirbelstürme könnte auf der Nordhalbkugel durch die Ausdehnung der Hadley-Zirkulation zukünftig weiter nördlich stattfinden, insbesondere im westlichen Nordpazifik. Als Folge sind von diesen Änderungen auch menschliche Siedlungen, die Landwirtschaft und die Wasserressourcen vor allem in den Subtropen betroffen. Besonders verletzlich sind semiaride Regionen wie der Mittelmeerraum, der Südwesten der USA, der Norden Mexikos, das südliche Afrika, südliche Australien und Südamerika.

Ein besonders ausgeprägtes Beispiel für die Auswirkungen der Ausdehnung der Hadley-Zelle Richtung Pol ist das südliche Afrika. Die Region erhält ihre Niederschläge hauptsächlich im Winter durch Tiefdruckzellen der mittleren Breiten. Durch die Ausdehnung der Hadley-Zelle werden diese Tiefs nach Süden abgedrängt und der Westen Südafrikas gerät unter den Einfluss des subtropischen Hochdrucksystems, das die winterlichen Niederschläge reduziert. Das hat u.a. zu der extremen Dürre in der Region Kapstadt 2018 geführt. Satelliten- und andere Beobachtungsdaten haben gezeigt, dass die Kalahari-Wüste im Westen Südafrikas in landwirtschaftlich produktives Land nach Osten vordringt und sich das semiaride Klima im Innern Südafrikas in den letzten Jahrzehnten um 50.000 km² ausgeweitet hat. Die Grenze zwischen semiariden und subhumiden Klimaverhältnissen hat sich dabei vom 25. zum 27. östlichen Längengrad bzw. um Hunderte von Kilometern verschoben. Das südafrikanische Hochland trocknet über weite Strecken aus.

• Siehe auch: Änderung der Klimazonen

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Kontakt: Dieter Kasang