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Grundmechanismus & Einbettung in allgemeine Zirkulation:
Die Sonne sorgt durch ihre kurzwellige Solarstrahlung auf
unserem Planeten ununterbrochen für eine sogenannte differentielle
Erwärmung. Das heißt, die ohnehin schon warmen tropischen
Regionen erfahren einen Strahlungsüberschuß
(werden als ständig erwärmt), während die polaren
Regionen eine negative Strahlungsbilanz aufweisen.
Demzufolge entstehen in der Troposphäre vom Äquator in
Richtung der Pole abwärts geneigte Temperaturflächen.
Entsprechend umgekehrt verhält es sich mit den Flächen
der potentiellen Temperatur. Diese haben eine polwärts
positive Neigung. Ebenfalls invers zu den vertikal abnehmenden
Temperaturwerten verhalten sich die mit der Höhe zunehmenden
potentiellen Temperaturen, da die Troposphäre im
Mittel stabil geschichtet
ist. Aufgrund dieser geneigten Temperaturflächen
ist die untere Atmosphäre im Mittel barokliner Natur,
da auf einer isobaren Fläche stets
ein Temperaturgradient existieren wird.
Betrachtet man nun eine meridionale Bewegung eines Luftpartikels,
so wird dieses ohne äußere Zwangskräfte
auf einer geneigten isentropen
Fläche bleiben. Unterwirft man diese Bewegung nun einer
kleinen vertikalen Störung (z.B. Orographie), so ergeben sich
je nach Auslenkung eine Dämpfung oder Verstärkung der
Ausgangsstörung.
Im ersten Fall bei der die Stör-Partikeltrajektorie
einen größeren Steigungswinkel aufweist als die Isentrope,
wird die Störbewegung durch die großräumige Stabiltät
allgemein gedämpft. Dies wird anschaulich klar, wenn man
ein Luftpartikel auf seiner Stör-Trajektorie z.B. auf seinem
Weg Richtung Pol verfolgt. Dabei kreuzt es die Isentropen
Flächen von unten her nach oben und gelangt somit in eine wärmere
Umgebung.
Betrachtet man im zweiten Fall nun eine ebenfalls zum Pol
hin ansteigende Stör-Trajektorie, die allerdings weniger stark
ansteigt als die Isentropen selbst.
Nun durchqueren die Stör-Partikel auf dem Weg Richtung Pol
die Isentropen von oben nach unten,
so dass sie in eine kältere Umgebung gelangen. Dadurch bekommt
die ohnehin schon (leicht) ansteigende Stör-Trajektorie einen
zusätzlichen (verstärkenden) vertikalen Impuls.
Man bezeichnet diesen Vorgang daher auch als Neigunskonvektion.
Da dieser entstabilisierende Auftrieb erst durch das Vorhandensein
einer baroklinen Atmosphäre ausgelöst wird, ist auch die
Neigungskonvektion ein Prozeß der baroklinen Instabilität.
Anmerkung:
In den mittleren Breiten ist der horizontale Temperaturgradient
und damit auch die Baroklinität vor allem in der oberen Troposphäre
besonders stark, da hier die beiden oberen meridionalen Strömungsäste
der (thermisch direkten) tropischen HADLEY-Zirkulation (polwärts
gerichteter Wind) und der (thermisch indirekten) FERREL-Zelle (äquatorwärts
gerichteter Wind) zusammentreffen.
Daher ist dort der Prozess der baroklinen Neigunskonvektion am stärksten
ausgeprägt.
Energetische Betrachtung
Die Betrachtung des entstabilisierenden Auftriebfalls ist besonders
in energetischer Hinsicht interessant. Ein Teil der in der
Atmosphäre vorhandenen totalen potentiellen Energie
(Summe aus innerer und potentieller Energie) wird durch den
Prozeß der Neigungskonvektion verfügbar gemacht
und kann in kinetische Energie umgewandelt werden,
was allgemein zyklogenetisch
beim aufsteigenden Ast bzw. antizyklogenetisch beim absinkenden
Ast wirkt.
Dies geschieht durch die allgemeine Senkung des Schwerpunkts
des Luftpakets, welches sich auf der im Fall 2 diskutierten (leicht)
ansteigenden Stör-Trajektorie bewegt. Warme und damit leichtere
Luft gelangt auf seinem polwärtigen Weg in höhere Schichten,
während kalte (schwerere) Luft auf dem umgekehrten Weg in tiefere
Schichten gelangt. Netto ist mit diesen beiden Prozessen anschaulich
eine Schwerpunktserniedrigung verbunden. Dieser scheinbare
"Verlust" an totaler potentieller Energie wird in der
Atmosphäre nun instantan ausgeglichen durch die "Entstehung"
von kinetischer Energie. Durch Energiedissipation in Folge
von Reibung schließt sich dieser Kreislauf dann wieder, denn
durch diesen Prozess erhöht sich die totale potentielle Energie
(hauptsächlich Gewinn an innerer Energie) und somit steigt
auch wieder der Schwerpunkt an.
Tatsächlich ist dieser Prozess von Schwerpunktserniedrigung
über Energieumwandlung und Schwerpunktserhöhung natürlich
kein wirklicher Kreislauf. Alle drei Prozesse laufen mehr oder weniger
parallel ab.
Klimatologie der Neigungskonvektion:
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Neigungskonvektion
und damit auch die Rate der Zyklogenese
bzw. Antizyklogenese abhängig von der Baroklinität.
Durch die unterschiedlichen Einstrahlungsverhältnisse im Sommer
und Winter ist der horizontale Temperaturgradient
unterschiedlich stark ausgeprägt. In den jeweiligen hemisphärischen
Wintermonaten ist der mittlere Temperaturgradient größer
als in den Sommermonaten. Daraus resultiert auch eine größere
Baroklinität im Winter, so dass ein größerer
Antrieb für die Neigungskonvektion besteht.
Dies erklärt auch die allgemein stärker angeregte Zirkulation
in den Wintermonaten.
© Marcus Boljahn, Sebastian Unger
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