Hadley-Zelle

Schematische Darstellung der Hadley-Zirkulation

Die Hadley-Zirkulation ist ein wichtiger Bestandteil der Atmosphärische 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 umfasst grob den tropischen Klimagürtel. 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 muss ein meridionaler Energietransport stattfinden, 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 ca. 30° geographischer Breite realisiert ist. Diese Strömung wird Passatzirkulation oder auch Hadley-Zirkulation genannt und in einfachen, idealisierten Beschreibungen als eine geschlossene Zelle angesehen.

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 uhnd 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). Die Energie fließt über die Konvektion in die polwärts gerichteten Höhenströme (Antipassate). Für die Begrenzung der Hadley-Zelle ist die Corioliskraft verantwortlich. Sie lenkt die zunächst meridional gerichteten Antipassate mit wachsender Entfernung vom Äquator zunehmend wirksamer ab, bis diese 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 erfahren werden ebenfalls nach Rechts abgelenkt, sodass sie aus nordöstlicher Richtung zum Äquator strömen. Da die Einstrahlung durch die Sonne sich mit den Jahreszeiten ändert, verschiebt sich die Position der Hadleyzelle.

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 Zonen auf einen relativ schmalen und dadurch stark baroklinen 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.

Änderung der globalen Zirkulation durch den Klimawandel. Die roten Pfeile weisen 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, ohne sich über die Größenordnung einig zu sein. Die meisten Ergebnisse liegen zwischen 0 und 2 Breitengrade pro Jahrzehnt. Jüngere 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 THG-Konzentration, die Ozonveränderung in der Stratosphäre und die Aerosol-Verbreitung als Hauptursache vorgeschlagen. Von Yang et al. (2023) wurde als wichtiger Faktor die Erwärmung des subtropischen Ozeans durch eine erhöhte Treibhausgaskonzentration vorgeschlagen. Die Erhöhung der langwelligen Strahlung durch CO2 ist 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 Meeressoberflächentemperatur 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 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.

Für die Nordhalbkugel werden zusätzlich auch natürliche Klimaschwankungen als ein Faktor für die Ausdehnung der Hadley-Zelle gesehen. So dehnen sich die Tropen während einer La Nina aus und ziehen sich bei einem El-Nino-Ereignis zusammen. Über längere Zeiträume besitzt auch die Pazifische Dekaden-Oszillation einen Einfluss auf die Hadley-Zelle. Um natürliche von anthropogenen Einflüssen zu unterscheiden, fehlen allerdings längere Beobachtungsdaten.

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Kontakt: Dieter Kasang