Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 4. Zirkulationssysteme PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000

Bild-Quelle: von Storch et al., 1999 zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (i) barotrope Bedingungen ausgehend von einer Oberfläche mit gleichmäßiger Temperaturverteilung Druck und Temperatur nehmen mit der Höhe ab. (gestrichelt) Isothermen (durchgezogene Linien) Isobaren Bild-Quelle: von Storch et al., 1999

Bild-Quelle: von Storch et al., 1999 zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (i) barotrop Isobaren Isothermen baroklin nun nimmt in der rechten Bildhälfte die Temperatur der Oberfläche zu; mögliche Ursachen: 1. höhere Einstrahlung Pol Äquator 2. gleiche Einstrahlung, aber: rechts: geringere Wärmekapazität, stärkere Erwärmung Wasser Land Bild-Quelle: von Storch et al., 1999

Bild-Quelle: von Storch et al., 1999 zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (i) Isobaren Isothermen Folge ist die Ausgleichsströmung bzw. thermische Zirkulation, z.B. Seewind Wasser Land Durch den thermischen Antrieb entsteht eine Zellen-Zirkulation, in der Wärmeunterschiede in Bewegungsenergie umgewandelt werden. Im „thermischen Hoch“ herrscht Absinkbewegung Bild-Quelle: von Storch et al., 1999

Florida aus dem Space Shuttle zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (i) Florida aus dem Space Shuttle Quelle: http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/kl_Hauptseite.htm

zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (i) aber: Land und See sind auf der Erde nicht regelmäßig verteilt; außerdem gilt es den Einfluss der Coriolis - Kraft zu berücksichtigen. Quelle: http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Klimatologie/kl_Hauptseite.htm

zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (ii) die Coriolis - „Kraft“: unter der Wirkung eines Druckgradienten entlang einer räumlichen Achse x erfährt Luft eine Kraft F, die zu einer Beschleunigung entlang x führt) wenn allerdings das Koordinatensystem, von dem aus die Bewegung betrachtet wird, nicht mit dem Koordinatensystem identisch ist, in dem die Kraft beschrieben ist, führt dies zu scheinbaren Abweichungen der resultierenden Bewegung: Bild-Quelle: Ahrens, 1999

 zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (ii) Die Erde ist ein rotierender Körper. Jeder Körper, der sich mit der Erde dreht, hat einen Drehimpuls, der eine Erhaltungsgröße ist. Der Drehimpuls L = Masse x Rotationsgeschwindigkeit x (Abstand zur Drehachse)2 Rotationsgeschwindigkeit Drehimpuls Radius Impuls Masse Geschwindigkeit Bild: http://www.physik.rwth-aachen.de/group/IIIphys/INFOS/Exscript/5Kapitel/V3Kapitel.html  Vermindert man den Abstand zur Achse, erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit. Dies erklärt den Beitrag der Coriolis- Beschleunigung bei Bewegungen in nördlicher und südlicher Richtung

zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (ii) aber auch Bewegungen in West-Ost-Richtung werden von der Corioliskraft beeinflusst: auf die Masse m wirkt u.a. die Zentrifugalkraft k wird die Geschwindigkeit v der Masse m erhöht (Bewegung W → E), erhöht sich auch die Zentrifugalkraft, die Bewegung wird nach rechts abgelenkt. Bild-Quelle: Ahrens, 1999

The Coriolis Illusion Coriolis Illusion (Important Safety Note: Do not attempt this illusion. The description that follows is for illustrative purposes only. The Coriolis Illusion is the most powerful of the illusions described in this publication and it can result in total disorientation, dizziness, and nausea.) What to Do - Have the volunteer grip the arm rests with both hands. Instruct the volunteer to lean forward slightly and turn the head to the side. Spin the chair at least 6 times. While keeping the chair rotating and the volunteers eyes still closed, instruct the volunteer to sit upright again. Continue spinning the chair two more times. Tell the volunteer to open his or her eyes. (Important Safety Note: Remain near the chair and be ready to offer physical assistance in case the rider loses grips on the arm rests and tries to tumble off the chair. This illusion may lead to nausea and it is prudent to have a wastebasket and towels available just in case.) What Happens - The volunteer becomes totally disoriented and may become nauseous. Why - In the Coriolis illusion, the endolymph in more than one canal is moving at the same time. In this example, it is the pitch and yaw canals that are stimulated. For airplane pilots, this illusion can be disastrous if it occurs near the ground. If visual conditions are good, the pilot can see that something is amiss but in limited visibility situations, the pilot may spiral the airplane into the ground. To attempt to prevent this situation, pilots are schooled to recognize the symptoms and to trust the airplane's instruments. Special Note: While it is possible to stimulate all three semicircular canals with the Barany Chair, it is not recommended. Simultaneous stimulation of the three canals can occur in aerobatic flight and in space flight, leading to total spatial disorientation sensation. http://weboflife.ksc.nasa.gov/learningResources/humanVestibularSystem.htm#illusion5

zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (ii) Die Coriolis-Kraft ist folglich eine Scheinkraft, besser eine Scheinbeschleunigung. Sie lenkt auf der Nord-Halbkugel alle Bewegungen nach rechts ab, auf der Südhalbkugel nach links. im reibungsfreien Zustand führt dies dazu, dass die Bewegung parallel zu den Isobaren verläuft: „geostrophischer Wind“ in dieser Form gültig auf der N-Halbkugel. Auf der S-Halbkugel genau umgekehrt !

zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (ii) in Tiefdruckgebiete (Zyklone) fließt (auf der N-Halbkugel) die Luft gegen den Uhrzeigersinn ein. Um Hochdruckzonen fließt die Luft im Uhrzeigersinn Bild-Quelle: Ahrens, 1999 in dieser Form gültig auf der N-Halbkugel. Auf der S-Halbkugel genau umgekehrt !

zwei wichtige Ursachen für Zirkulationssysteme: (ii) Coriolis-Kraft C f = Coriolis-Parameter für  = 45° ergibt sich f = 1.03 10-4 s-1, dies führt zu einem 10-4-fachen der Schwerebeschleunigung

Bild-Quelle: von Storch et al., 1999, verändert, Häckel, 1999 globales Zirkulationssystem: Land- und Wassermassen sind auf der Erde ungleich verteilt. Thermische Zirkulation und Coriolis-Kraft treiben die globalen (und regionalen) Zirkulationen an: Bild-Quelle: von Storch et al., 1999, verändert, Häckel, 1999

aus: Malberg (2001)

aus: Roedel (2000)

aus: Roedel (2000)

http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals, verändert H T http://www.routledge.com/textbooks/fundamentals, verändert

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Walker - Zirkulation http://www.m-forkel.de/klima/walkz-eln.html