1735 versuchte der englische Jurist und Amateurwissenschaftler George Hadley die Passatwinde zu erklären, die das Zeitalter der Segelschifffahrt trugen. Warme Luft steige am Äquator auf, schlug er vor, ströme in der Höhe polwärts, sinke in den Subtropen um 30° Breite ab und kehre an der Oberfläche zum Äquator zurück, wo die Erdrotation sie westwärts in die Ostpassate ablenkt. Die Hadley-Zelle — rückblickend so benannt — entpuppte sich als eine von drei atmosphärischen Zirkulationszellen pro Hemisphäre (Hadley, Ferrel, Polar), und die Coriolis-getriebene Ablenkung, die er halb erahnte, liegt aller großräumigen Strömung auf einem rotierenden Planeten zugrunde. Atmosphäre und Ozean sind gekoppelte Wärmemaschinen, die die äquatoriale Sonneneinstrahlung polwärts verteilen; die Muster dieser Umverteilung — Passate, Monsune, Jetstreams, Wirbel, AMOC, ENSO — sind das, was lokale Klimata ausmacht.
Das Drei-Zellen-Modell ordnet die Atmosphäre nach Breite: am Äquator treibt starke Sonneneinstrahlung Luft durch die innertropische Konvergenzzone nach oben, dort kühlt sie ab, Wasserdampf kondensiert, und es entstehen die tropischen Regenwälder; die getrocknete Luft sinkt in den Subtropen ab und erzeugt um etwa 30° Breite die großen Wüsten der Welt (Sahara, Arabische Wüste, Atacama, australisches Outback), bevor sie als Coriolis-abgelenkte Passate zum Äquator zurückströmt. Die Ferrel-Zelle in den mittleren Breiten läuft als Folge der beiden anderen mit, treibt die vorherrschenden Westwinde und die mäandernden Jetstreams, deren Rossby-Wellen das tägliche Wetter der mittleren Breiten ausmachen. Monsune sind saisonale Umkehrungen, die aus der unterschiedlichen Erwärmung von Land und Meer entstehen: Kontinente erwärmen sich schneller als die umliegenden Meere, im Landesinneren bildet sich ein Tief, feuchte Meeresluft strömt herein — der indische und der ostasiatische Monsun zusammen ernähren rund 60 % der Menschheit. ENSO (El Niño / Südliche Oszillation) ist die folgenreichste interannuelle Schwankung der Erde: bei La Niña stauen kräftige Passate warmes Wasser im westlichen Pazifik und treiben kalten Auftrieb im Osten; in El-Niño-Jahren schwächen die Passate ab, warmes Wasser schwappt nach Osten, der Auftrieb bricht zusammen, und die Folgen reichen global — Dürre in Indonesien und Australien, Überflutungen in Peru, gestörte Monsune. Der Ozean führt seine eigene Zirkulation: windgetriebene Wirbel verteilen Wärme an der Oberfläche polwärts; die tiefe thermohaline Zirkulation läuft über Dichte — kaltes, salziges Wasser sinkt ab. Die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) trägt rund 25 % des polwärtigen Wärmetransports im Nordatlantik, der Golfstrom ist ihr Oberflächenarm, und sie hält Westeuropa etwa 5 °C wärmer, als es sonst wäre. Paläoklima und moderne Messungen deuten beide darauf hin, dass die AMOC sich seit Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts um etwa 15 % abgeschwächt hat; ob sie sich einem Kipppunkt nähert, ist ernsthaft umstritten.
Die ENSO-Vorhersage greift heute zuverlässig mit 6 bis 9 Monaten Vorlauf — in vielen Entwicklungsländern der Unterschied zwischen einer funktionierenden Landwirtschaft und einer Hungersnot. Die Hadley-Zelle dehnt sich polwärts mit etwa 0,5° Breite pro Jahrzehnt aus, schiebt subtropische Trockenzonen in die mittleren Breiten und treibt damit Dürren in Südeuropa, im Südwesten der USA und in Australien. Der Jetstream wird unter der arktischen Verstärkung womöglich welliger — Blockadelagen, die extreme Hitzewellen und Kälteeinbrüche einfrieren, lassen sich plausibel damit verknüpfen, sind aber Gegenstand laufender Forschung. Das RAPID-Array misst seit 2004 die AMOC-Stärke bei 26,5° N direkt, und van Westen et al. (2023) argumentierten anhand eines hochauflösenden Modells, die AMOC stehe näher am Kippen als bisher angenommen — umstritten. Atmosphären- und Ozeanzirkulation übersetzen die globale mittlere Treibhauserwärmung in lokales Klima.