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Atmosphärische Zirkulation

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Team Entdeckungsreise
Atmosphärische Zirkulation
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Grundlagen zum Thema Atmosphärische Zirkulation

Inhalt

Was ist die atmosphärische Zirkulation? – Definition

Unter der globalen atmosphärischen Zirkulation, auch planetarische Zirkulation genannt, versteht man alle Zirkulationssysteme und somit auch alle vertikalen und horizontalen Luftbewegungen auf der Erde. Hierzu zählen auch alle globalen Windsysteme.

Die atmosphärische Zirkulation meint alle Zirkulationssysteme und somit auch alle vertikalen und horizontalen Luftbewegungen auf der Erde.

Wie entsteht die atmosphärische Zirkulation?

Ursache für die Entstehung

Um die Entstehung der atmosphärischen Zirkulation zu erklären, muss man zuerst die unterschiedliche Erwärmung von äquatornahen und polnahen Erdoberflächen betrachten. So liegen am Äquator stets höhere Temperaturen vor, während an den Polen niedrige Temperaturen herrschen. Dies beruht auf dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche. Diese treffen in Äquatornähe relativ senkrecht auf die Erdoberfläche und somit mit einem viel steileren Einfallswinkel als in höheren geografischen Breiten wie den Polarregionen. Dies führt zu einer stärkeren Erwärmung der Erdoberfläche am Äquator und einer immer mehr abnehmenden in Polrichtung.

Die atmosphärische Zirkulation entsteht aufgrund des Einfallswinkels der Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche und der dadurch bedingten unterschiedlichen Erwärmung.

Warum gibt es auf der Erde unterschiedliche Temperaturen?
Wo ist es auf der Erde am heißesten, wo am kältesten?

Prozess (Hadley-Zelle)

  • Je stärker sich die Erdoberfläche am Äquator erwärmt, desto stärker erwärmt sich auch die Luft über der Erdoberfläche. Die warme Luft dehnt sich aus und steigt nach oben, was dazu führt, dass hoch über dem Äquator ein höherer Luftdruck herrscht als beispielsweise über dem 30. Breitenkreis.

  • Ausgelöst durch diesen Druckunterschied strömen Luftmassen in der Höhe vom Äquator aus in Richtung der Pole. Durch die Verschiebung dieser Luftmassen kommt es zu einer Erhöhung des Luftdrucks am Erdboden auf 30° geografische Breite. Hier liegen also Hochdruckgebiete auf Bodenhöhe vor, die sich um den ganzen Erdball erstrecken. Man spricht hier von den Subtropischen Hochdruckgürteln. Am Äquator hingegen bilden sich auf Bodenhöhe Tiefdruckgebiete, die sogenannte Äquatoriale Tiefdruckrinne, die sich ebenfalls um den Erdball zieht.

  • Die Subtropischen Hochdruckgürtel und die Äquatoriale Tiefdruckrinne sind Bestandteile der atmosphärischen Zirkulation in den Tropen. Durch die vorliegenden Druckunterschiede strömen Luftmassen in Bodenhöhe in Richtung Äquator und in größeren Höhen von dem Äquator jeweils in Richtung des 30. Breitenkreises. Auf der Nord- und Südhalbkugel ist so je ein gigantischer Luftkreislauf entstanden, der als Hadley-Zelle bezeichnet wird. Diese ist auch in der Abbildung zu erkennen. Die bodennahen Strömungen werden als Passatwinde bezeichnet. Allerdings strömen durch die Corioliskraft, eine Scheinkraft, die Luftmassen nicht geradlinig zum Äquator, sondern werden nach Westen gelenkt. Es entstehen dadurch Nordostpassate auf der Nordhalbkugel und Südostpassate auf der Südhalbkugel.

Nicht nur in den Tropen kommt es zu solchen Zirkulationssystemen, sondern es liegt eine atmosphärische Zirkulation auch in anderen Klimazonen vor. Ein ähnliches System befindet sich so in den Polarzonen. Hierdurch entstehen auf die gleiche Weise wie schon in den Tropen die Polar-Zellen und aufgrund der Ablenkung durch die Corioliskraft die polaren Ostwinde.

Zwischen Polar-Zellen und Hadley-Zellen, also zwischen Subtropischem Hochdruckgürtel und Subpolarer Tiefdruckrinne, liegen die Ferrel-Zellen, die eine entgegengesetzte Zirkulationsrichtung zu den Polar-Zellen und Hadley-Zellen haben. Durch die Corioliskraft entstehen hier auf beiden Erdhalbkugeln die Westwindzonen. Die Abbildung zeigt die gesamte atmosphärische Zirkulation.

Die atmosphärische Zirkulation

Was ist eine Hadley-Zelle?

Warum ist die globale atmosphärische Zirkulation so wichtig?

Die globale atmosphärische Zirkulation, die durch die unterschiedlich starke Sonneneinstrahlung verursacht wird, wirkt als Klimaanlage unseres Planeten. Ohne den so entstehenden Austausch von Luftmassen wären die Temperaturunterschiede zwischen dem Äquator und den Polen so enorm, dass Leben an vielen Orten nicht möglich wäre.

Die atmosphärischen Zirkulation wirkt als Klimaanlage der Erde und ermöglicht das Leben auf unserem Planeten.

Die atmosphärische Zirkulation – Zusammenfassung

Unter dem Begriff der atmosphärischen Zirkulation fasst man alle vertikalen und horizontalen Luftbewegungen auf der Erde zusammen. Hierbei wird in der Regel zwischen der Polar-Zelle, der Hadley-Zelle und der Ferrel-Zelle unterschieden.

Die Corioliskraft bewirkt, dass die Winde nicht geradlinig strömen. Man unterscheidet dabei drei große Windsysteme: die Passatwinde aus Osten in Äquatornähe, die Westwindzone in den gemäßigten Breiten und die polaren Ostwinde in den polaren Zonen.

Zusammenfassung Atmosphärische Zirkulation
Definition alle vertikalen und horizontalen Luftbewegungen auf der Erde
Zirkulationssysteme Hadley-Zellen, Ferrel-Zellen, Polar-Zellen
Globales Windsystem Entstehung durch die Corioliskraft, die bewirkt, dass die Winde nicht geradlinig strömen – insgesamt drei große Windsysteme: Passatwinde, Westwindzonen, polare Ostwinde

Häufig gestellte Fragen zum Thema Atmosphärische Zirkulation

Was ist die atmosphärische Zirkulation?
Wie funktioniert die atmosphärische Zirkulation?
Warum ist globale atmosphärische Zirkulation wichtig?
Was sind die drei großen Windsysteme auf der Erde?
Was versteht man unter dem Begriff Corioliskraft?

Transkript Atmosphärische Zirkulation

Thema dieses Films ist die atmosphärische Zirkulation. Wer einen erfahrenen Seemann nach der besten Segelroute von Europa nach Nordamerika fragt, der erhält eine überraschende Antwort. Man soll nämlich nicht etwa die direkte Route wählen, sondern den Atlantik erst auf der Höhe Nordafrikas überqueren. Auf den ersten Blick ist das ein riesiger Umweg. Warum sich die längere Route dennoch lohnt, erklärt sich aus den das ganze Jahr über vorherrschenden Winden auf der Erde, der sogenannten atmosphärischen Zirkulation. Auf der direkten Route müsste man nämlich stetig gegen Westwinde ansegeln. Auf der längeren Route hingegen wird das Segelboot von den Ostwinden begünstigt. Die Ursache für die Entstehung der großräumigen Windsysteme auf der Erde ist die Sonne, genauer gesagt die unterschiedlich starke Erwärmung der Erde am Äquator und an den Polen. Denn in der Nähe des Äquators fallen die Sonnenstrahlen in einem viel steileren Winkel ein als in höheren geographischen Breiten. Deswegen erwärmt sich die Erdoberfläche in Äquatornähe viel stärker als etwa am 30. Breitenkreis. Am Äquator wird so auch die Luft stärker erwärmt als auf 30 Grad geographischer Breite. Sie dehnt sich aus und steigt nach oben. Dadurch herrscht hoch über dem Äquator ein deutlich höherer Luftdruck als über dem 30. Breitenkreis. Als Folge des Druckunterschieds strömen die Luftmassen in der Höhe in Richtung der Pole. Die Verschiebung der Luftmassen wiederum bewirkt, dass am Erdboden auf 30 Grad geographischer Breite ein höherer Luftdruck herrscht als in Äquatornähe. Hier entstehen also Hochdruckgebiete auf Bodenhöhe, die sich um die gesamte Erde ziehen. Man spricht auch vom subtropischen Hochdruckgürtel. Am Äquator hingegen bildet sich die äquatoriale Tiefdruckrinne. Durch die Druckunterschiede in Bodenhöhe strömen die Luftmassen hier nun in Richtung des Äquators. Zwischen dem Äquator und dem 30. Breitenkreis entsteht so auf der Nord- wie auf der Südhalbkugel jeweils ein gigantischer Luftkreislauf, die sogenannte Hadley-Zelle. Die jeweiligen bodennahen Luftströme bezeichnet man dabei als Passatwinde. Allerdings strömen die Passatwinde nicht geradlinig in Richtung des Äquators, denn durch die Drehung der Erde werden die Luftströme abgelenkt. Ein Blick aus dem Weltall auf die rotierende Erde verdeutlicht dies. Ein Punkt auf dem 30. Breitengrad legt im selben Zeitraum eine kürzere Strecke zurück als ein Punkt auf dem Äquator. Die zum Äquator strömenden Luftmassen behalten ihre niedrige ostwärts gerichtete Geschwindigkeit bei. Umso weiter jedoch die Winde in Richtung des Äquators gelangen, desto stärker dreht sich die Erdoberfläche unter ihnen hinweg. Auf der Nordhalbkugel werden die Winde so in Richtung Westen abgelenkt, daher zum Nord-Ost-Passat und auf der Südhalbkugel entsprechend zum Süd-Ost-Passat. Die scheinbare Kraft, die für die Entstehung der Ostwindzone in Äquatornähe verantwortlich ist, ist die Corioliskraft. Ein weiteres, ganz ähnliches Windsystem wie die Hadley-Zelle mit den Passatwinden findet sich in den Polarzonen, denn auf etwa 60 Grad geographischer Breite fallen die Sonnenstrahlen wieder in einem deutlich steileren Winkel ein als an den Polen. Die Luft wird hier deutlich stärker erwärmt, dehnt sich aus und steigt nach oben. Gegenüber der Luft hoch über den Polen entsteht ein Druckgefälle und die Luftmassen strömen polwärts. Durch die zusätzlichen Luftmassen über den Polen entstehen hier wieder Hochdruckgebiete in Bodennähe. Dies sind die polaren Kältehochs. Hier ist der Luftdruck nun deutlich höher als in Bodennähe auf dem 60. Breitengrad, auf dem sich die subpolare Tiefdruckrinne bildet. So entstehen jeweils äquatorwärts gerichtete Luftströme auf Bodenhöhe. Die entstehenden Luftkreisläufe bilden auf den Nord- und auf der Südhalbkugel die Polarzellen. Wie die Passatwinde werden auch die bodennahen Luftströmungen in den Polarzellen durch die Corioliskraft in Richtung Westen abgelenkt. Die Polarzellen erzeugen daher die polaren Ostwinde. Die beiden globalen Luftdruckgebiete, die durch die unterschiedlich starke Erwärmung der Erdoberfläche entstehen, erzeugen schließlich noch ein drittes Windsystem zwischen dem 30. und dem 60. Breitenkreis. In diesem strömt die bodennahe Luft durch den Druckunterschied zwischen subtropischem Hochdruckgürtel und polarer Tiefdruckrinne in Richtung der Pole. Die Höhenluft bewegt sich wiederum in die entgegengesetzte Richtung. Der auf beiden Erdhalbkugeln entstehende Luftkreislauf wird Ferrel-Zelle genannt. Bei diesem Windsystem ist die Rotationsrichtung also jeweils genau entgegengesetzt zu der in Hadley-Zelle und Polarzelle. Die bodennahen Luftströmungen, die ihren Ausgangspunkt am subtropischen Hochdruckgürtel haben, behalten ihre hohe ostwärts gerichtete Geschwindigkeit auf dem Weg in Richtung der polaren Tiefdruckrinne bei. Die Winde überholen gewissermaßen die sich langsamer unter ihnen drehende Erdoberfläche. Die Corioliskraft lenkt die Luftströme daher nach Osten ab. In den gemäßigten Breiten auf beiden Erdhalbkugeln entstehen darum Westwindzonen. Die atmosphärische Zirkulation der Erde besteht also aus drei großen Windsystemen. In Äquatornähe wehen die Passatwinde aus Osten. Die gemäßigten Breiten werden wegen der Westwinde auch Westwindzone genannt und in den polaren Zonen herrschen polare Ostwinde vor. Die atmosphärische Zirkulation hat übrigens für das Leben auf der Erde eine viel größere Bedeutung, als lediglich Segelschiffe von A nach B zu befördern. Ohne den ständigen Austausch von Luftmassen wären nämlich die Temperaturunterschiede zwischen den Polen und dem Äquator so extrem, dass menschliches Leben vielerorts gar nicht möglich wäre. Die atmosphärische Zirkulation ist gewissermaßen die Klimaanlage unseres Planeten, betrieben mit 100 Prozent Sonnenenergie.

Atmosphärische Zirkulation Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Atmosphärische Zirkulation kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Grund für die Entstehung von Winden.

    Tipps

    Achtung! Es handelt sich um zwei Sätze.

    Die oben stehende Abbildung zeigt dir den Grund.

    Lösung

    Für die Entstehung von großräumigen Windsystemen ist die Sonne verantwortlich. Sie bewirkt nämlich eine unterschiedlich starke Erwärmung der Erde am Äquator und an den Polen, da sich der Einfallswinkel der Sonne auf die Erde unterscheidet. Daher wird die Luft auch unterschiedlich stark erwärmt, was zu Luftströmungen bzw. zu den Winden führt.

  • Zeige die sinnvollste Segelroute von Europa nach Nordamerika auf.

    Tipps

    Nicht immer ist die kürzeste Route auch die schnellste Route. Dies kennst du vielleicht auch schon von Navigationssystemen für Autos.

    Lösung

    Die schnellste Segelroute von Europa nach Nordamerika ist in diesem Fall die in der Abbildung blau eingezeichnete Route, obwohl sie länger ist. Dies beruht auf den dort vorherrschenden Winden. Wie du auf der Abbildung erkennen kannst, müsstest du auf der kürzeren Route gegen Westwinde segeln. Auf der blauen Route wirst du von Ostwinden unterstützt. Du segelst also mit dem Wind.

  • Erkläre die Entstehung der äquatorialen Tiefdruckrinne und des subtropischen Hochdruckgürtels.

    Tipps

    Achte auf den Einfallwinkel der Sonnenstrahlen.

    Achte auf die Lage der Subtropischen Hochdruckgürtel.

    Lösung

    Die Sonnenstrahlen treffen, wie du in der Abbildung erkennen kannst, in einem unterschiedlichen Winkel auf die Erde. $\rightarrow$ So fallen sie in der Nähe des Äquators in einem viel steileren Winkel ein als auf 30° geografischer Breite. Deswegen erwärmt sich die Oberfläche am Äquator auch stärker, die Luft dehnt sich aus und steigt nach oben.

    Durch die Verschiebung der Luftmassen entsteht am Erdboden bei 30° geografischer Breite ein höherer Luftdruck als in Äquatornähe. $\rightarrow$ So entstehen die Subtropischen Hochdruckgürtel am 30° Breitengrad und am Äquator die Äquatoriale Tiefdruckrinne.

  • Ermittle die unterschiedlichen Zellen.

    Tipps

    Bei den Hadley-Zellen strömt nördlich und südlich des Äquators in Bodennähe Luft in Richtung des Äquators (0°).

    Bei der Hadley-Zelle strömt in Bodennähe Luft in Richtung Äquator und in der Höhe in Richtung des 30. Breitengrads.

    Bei der Ferrel-Zelle zirkuliert die Luft mit dem Uhrzeigersinn.

    Bei der Polar-Zelle zirkuliert die Luft gegen den Uhrzeigersinn.

    Lösung

    Du hast nun viel über die verschiedenen Windsysteme gelernt. Auf der Abbildung siehst du noch einmal die globale Lage der unterschiedlichen Zellen. Diese kommen natürlich sowohl auf der Nordhalbkugel als auch auf der Südhalbkugel vor.

    • Die Hadley-Zelle liegt jeweils zwischen dem Äquator und dem 30. Breitengrad.
    • Die Ferrel-Zelle liegt jeweils zwischen dem 30. und dem 60. Breitengrad.
    • Die Polar-Zelle (auch Polare Zelle genannt) liegt zwischen dem 60. und dem 90. Breitengrad.
  • Bestimme die für die Ablenkung von Winden entscheidende Kraft.

    Tipps

    Die gesuchte Kraft beginnt mit dem Buchstaben C.

    Die oben stehende Abbildung zeigt die Auswirkung der Corioliskraft.

    Lösung

    Die für die Ablenkung von Winden entscheidende Kraft auf der Erde ist die Corioliskraft. Die Corioliskraft entsteht durch die Erdrotation. Winde strömen hierdurch nicht gerade, sondern werden abgelenkt. Vom Nordpol strömende Winde werden auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt. Dies kannst du auch auf der Abbildung sehen.

  • Stelle die unterschiedlichen Windsysteme dar.

    Tipps

    Zwischen dem Nord-Ost-Passat und dem Süd-Ost-Passat liegt die Äquatoriale Tiefdruckrinne.

    Die Subtropischen Hochdruckgürtel liegen jeweils bei 30°.

    In den Subpolaren Tiefdruckrinnen stoßen Luftströmungen aufeinander.

    Lösung

    Mit den globalen Windsystemen bist du nun bestens vertraut. Die Abbildung gibt dir hierüber noch einmal einen genauen Überblick. Hier erkennst du ebenfalls, dass die Sonne bzw. die Sonnenstrahlen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Windsysteme spielen. Außerdem kannst du nochmals die Lage der Polar-Zelle und der Hadley-Zelle ausmachen, die du bereits vorher kennengelernt hast. Zudem erkennst du die Westwindzonen zwischen dem 30. und 60. Breitengrad.

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