Atmosphärische & ozeanische Zirkulation

1735 legte der englische Jurist und Privatgelehrte George Hadley eine Erklärung für die Passate vor, von denen das Zeitalter der Segelschifffahrt lebte: Am Äquator steige warme Luft auf, ziehe in der Höhe polwärts, sinke in den Subtropen um 30° Breite ab und laufe an der Oberfläche zum Äquator zurück, wo die Erdrotation sie nach Westen ablenkt — das sind die Ostpassate. Die später nach ihm benannte Hadley-Zelle erwies sich als nur eine von drei Zirkulationszellen je Halbkugel (Hadley, Ferrel, Polar), und die Ablenkung durch die Corioliskraft, die Hadley halb erahnte, liegt jeder großräumigen Strömung auf einem rotierenden Planeten zugrunde. Atmosphäre und Ozean arbeiten als gekoppelte Wärmemaschinen, die die äquatoriale Sonneneinstrahlung polwärts schaffen; und wie sie das im Einzelnen tun — Passate, Monsune, Jetstreams, Wirbel, AMOC, ENSO —, ist genau das, was man vor Ort Klima nennt.

Nach Breiten geordnet, zerfällt die Atmosphäre in drei Zellen je Halbkugel. Am Äquator hebt die starke Einstrahlung die Luft durch die innertropische Konvergenzzone; oben kühlt sie ab, der Wasserdampf kondensiert, und es regnet — daher die tropischen Regenwälder. Trocken sinkt dieselbe Luft in den Subtropen wieder ab und legt um 30° Breite die großen Wüsten der Erde an: Sahara, Arabische Wüste, Atacama, australisches Outback. Von dort strömt sie als Passat zum Äquator zurück, von der Corioliskraft abgelenkt. Die Ferrel-Zelle der mittleren Breiten läuft als Folgeerscheinung der beiden anderen mit; sie bringt die vorherrschenden Westwinde hervor und die mäandernden Jetstreams, deren Rossby-Wellen das Alltagswetter der mittleren Breiten machen. Monsune sind saisonale Umkehrungen, angetrieben davon, dass Land und Meer sich unterschiedlich erwärmen: Kontinente heizen sich schneller auf als die Meere ringsum, über Land bildet sich ein Tief, und feuchte Meeresluft strömt nach — der indische und der ostasiatische Monsun ernähren zusammen etwa 60 % der Menschheit. Die folgenreichste Schwankung von Jahr zu Jahr ist ENSO, El Niño und Südliche Oszillation: In La-Niña-Lagen stauen kräftige Passate warmes Wasser im Westpazifik und lassen im Osten kaltes Wasser aufsteigen; in El-Niño-Jahren erlahmen die Passate, das warme Wasser schwappt nach Osten, der Auftrieb bricht ab, und die Folgen laufen um die halbe Welt — Dürre in Indonesien und Australien, Überschwemmungen in Peru, gestörte Monsune. Der Ozean hat seine eigene Zirkulation: An der Oberfläche schieben windgetriebene Wirbel Wärme polwärts, in der Tiefe treibt die Dichte die thermohaline Zirkulation an — kaltes, salziges Wasser sinkt. Die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC), deren Oberflächenarm der Golfstrom ist, besorgt rund 25 % des polwärtigen Wärmetransports im Nordatlantik und beeinflusst damit das Klima der Region. Paläoklima wie moderne Messungen legen nahe, dass sie seit Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts um rund 15 % nachgelassen hat; ob sie auf einen Kipppunkt zuläuft, ist ernsthaft umstritten.