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 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, 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 wird über die Konvektion in die polwärts gerichteten Höhenströme (Antipassate) eingeführt. Der mit ihnen vollzogene Energietransfer erfolgt sowohl über einen Wärme- als auch über einen Drehimpulstransport, denn aus der Äquatornähe stammende Luftpakete haben infolge des größeren Abstandes zur Rotationsachse einen stärkeren Drehimpuls als die Luft der Höheren Breiten. Auf dem Weg zu den Polen kühlt die Luft ab und sinkt.

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. Die äquatorwärts wehenden Passate erfahren gleichermaßen eine Rechts-Ablenkung, sodass sie aus östlicher Richtung zum Äquator strömen. Da die Einstrahlung durch die Sonne sich mit den Jahreszeiten ändert, ist die Position der Hadleyzelle unterschiedlich. Besonders gut erkennbar ist sie während der Sommer- und Wintermonate, der Bereich des Absinkens liegt dabei immer auf der Winterhemisphäre. Mittelt man die Strömung also über ein ganzes Jahr, so sieht man einen aufsteigenden und zwei absinkende Äste, die aber in Wahrheit immer nur abwechselnd aktiv sind, da die Zelle hin- und her wandert.

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.

Veränderungen durch die globale Erwärmung

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. Nach Modellpronognosen soll sich der tropische Klimagürtel durch die globale Erwärmung im 21. Jahrhundert um etwa 2 Längengrade ausdehnen. Erstaunlicherweise zeigen empirische Untersuchungen, dass sich der Tropengürtel bereits in der Zeit seit Ende der 1970er Jahre um diesen Betrag oder sogar mehr ausgeweitet hat. Misst man die Tropen an der Höhe der Tropopause, so haben sie sich zwischen 1979 und 2005 um 5-8 Breitengrade ausgedehnt. Da sich gleichzeitig auch die Tropopause um einige Zehner von Metern angehoben hat, hat sich das Volumen des Tropengürtels um etwa 5 % ausgeweitet. Mit der Ausweitung der Tropen verschieben sich auch die anderen Klimazonen, insbesondere die Subtropen, und die Jetstreams polwärts. Damit wandern aber auch die Niederschlagszonen mit gravierenden Folgen für die Landwirtschaft und die Wasserversorgung in Richtung Pole. Besonders kritisch ist dies für die subtropischen Trockengürtel einschließlich des Mittelmeerraumes, des Südwestens der USA, Südaustraliens, Südafrikas und anderer Gebiete.

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Kontakt: Dieter Kasang