Hadley-Zelle (einfach)

Schematische Darstellung der Hadley-Zirkulation

Die Hadley-Zelle ist Teil der atmosphärischen Zirkulation. Sie ist das zentrale Element der atmosphärischen Zirkulation in den Tropen. An sie schließt sich in den mittleren Breiten die Ferrell-Zelle an (s. Abb.). In der Nähe des Äquators steigt in der Hadley-Zelle im Mittel die Luft auf, strömt in der Höhe um 10-13 km nach Norden und Süden und sinkt über den Subtropen bei knapp 30 °N bzw. °S wieder ab. In Bodennähe strömt sie dann in Richtung Äquator zurück.

Einsteigen und Absteigen von Luftmassen

Die Ursache dieser Luftbewegung ist die unterschiedlich starke Einstrahlung auf der Erde: In den inneren Tropen kommt viel Sonnenstrahlung an, in den Subtropen weniger. Daher wird die Luft in den Tropen sehr stark aufgeheizt. Warme Luft wird leichter und steigt nach oben und breitet sich dort in Richtung höhere Breiten aus. Dabei kühlt sie sich ab und wird außerdem durch den geringeren Erdumfang dichter. Dadurch wir die Luft schwerer und sinkt über den Subtropen wieder ab.

In den Tropen ist es nicht nur warm, sondern auch sehr feucht. Die starke Sonneneinstrahlung bewirkt, dass sehr viel Wasser verdunstet. Bei der Verdunstung wird der Umgebung viel Energie entzogen, die in dem Verdunsteten Wasserdampf gebunden ist. Diese Energie wird als latente Wärme bezeichnet. Beim Aufsteigen der Luft kühlt sie sich jedoch ab, und der Wasserdampf kondensiert und bildet Tröpfchen und Wolken. Dabei wird die latente Wärme wieder frei und führt zum weiteren Aufsteigen der Luft. Die vielen hohen Gewitterwolken der Tropen, in denen sehr viel Wasser kondensiert, stellen also eine gewaltige Energiemenge für die Atmosphäre dar. Die Luft wird dabei aufgeheizt.

In den Subtropen geschieht das Umgekehrte. Die kühlere und dichtere Luft sinkt ab. Dabei erwärmt sie sich und wird immer trockener, weil auch noch Reste von Wolken in ihr verdunsten. Da am Tage dadurch die Sonnenstrahlung ungehindert durch die klare Luft gelangen kann, werden die unteren Luftschichten stark aufgeheizt. Das führt dazu, dass die Erde viel Energie in den Weltraum abstrahlt. Es geht also hier ständig Energie verloren.

Die Wirkung der Corioliskraft

Würde sich die Erde nicht um sich selbst drehen, sähe die Hadleyzelle folgendermaßen aus: Die Luft würde in den Tropen aufsteigen, sich in der Höhe in die hohen Breiten bewegen, in den Polargebieten, wo es am kältesten ist, wieder absinken, und dann in die Tropen zurückströmen. In Wahrheit kann sie aber nicht auf direktem Weg von Norden nach Süden und umgekehrt fließen, weil die Rotation der Erde über die Corioliskraft zu einer Ablenkung führt. Die Erddrehung begrenzt also die Hadleyzelle in ihrer Ausdehnung. Ohne weitere Kräfte würde der Wind aber sogar parallel zu den Temperaturunterschieden (also in Ost-West-Richtung) wehen - die Wärme könnte also gar nicht in höhere Breiten transportiert werden. Dass dies doch geschieht, liegt daran, dass am Boden die Luft durch Reibung gebremst wird und das Gleichgewicht dadurch gestört wird. So kann sie, vom Luftdruck angetrieben, in Richtung Äquator rutschen. Diese bodennahe Luftströmung ist als „Passatwind“ bekannt und war Seefahrern schon vor vielen Jahrhunderten bekannt. Wie viele meteorologischen Phänomene ist die Hadleyzelle von positiven Rückkopplungen geprägt. Das heißt, durch die Existenz der Zelle entstehen Bedingungen, die dazu beitragen, die Zelle weiter zu stärken. Zum einen sorgt das Absinken der Luft über den Subtropen dafür, dass die Luft trocken und wolkenarm ist. So kann viel langwellige Strahlung in den Weltraum abgegeben werden; die Landoberfläche der Erde ist aufgrund der Trockenheit zudem nicht stark bewachsen und hell, so dass wenig Sonnenlicht absorbiert wird. Die Passatwinde sind also anfangs warm und trocken und nehmen auf ihrem Weg in die inneren Tropen somit viel Wasser auf, das vor allem aus dem Ozean verdunstet. All die feuchte Luft strömt nahe des Äquators nun zusammen und beim Aufsteigen wird viel Kondensationswärme frei, was das Aufsteigen weiter verstärkt.

Die Bedeutung der Hadleyzelle im Klimasystem ist jedoch nicht nur die Umverteilung von Wärme, sondern auch der Transport von Impuls (Bewegung) und Drehimpuls (Drehbewegung). Die Strömung nach Osten in der Höhe wird über den Subtropen aufgrund der Bewegungsgesetze schneller, es bilden sich dort starke Winde, die als Subtropenjets bekannt sind.

Siehe auch

• Hadley-Zelle
• Atmosphärische Zirkulation (einfach)
• Atmosphäre (einfach)

Unterricht

• Ein Experiment zum Selbermachen (vor allem im Winter geeignet): Hat man einen gut beheizten Raum und eine Tür zu einem deutlich kälteren Raum (z.B. die Haustür nach draußen), kann man eine thermisch (also durch Temperaturunterschiede) angetriebene Zirkulation selbst beobachten: Öffnet man die Tür, so strömt die warme Luft oben in der Tür nach draußen und die kalte, schwerere Luft strömt am Fußboden nach drinnen. Wenn man eine Kerze auf den Boden stellt und eine oben in die Tür hält, kann man den Luftzug gut sehen (Achtung, nicht den Türrahmen ankokeln). Allerdings gibt es Unterschiede zur Hadleyzelle, denn das Haus ist erstens viel zu klein, um einen Einfluss der Corioliskraft zu erlauben, und zweitens gibt es in dem Experiment keine Umwandlungen von Wasserdampf. Der grundlegende Mechanismus aber ist der selbe.

• Passatkreislauf Unterrichtseinheit für die 9. Klasse (ETH Zürich)