Eine idealisierte Ansicht von drei großen Zirkulationszellen, die Oberflächenwinde zeigen
Vertikale Geschwindigkeit bei 500 hPa, Juli Durchschnitt. Der Aufstieg (negative Werte) konzentriert sich in der Nähe des Sonnenäquators; Der Abstieg (positive Werte) ist diffuser, tritt aber auch hauptsächlich in der Hadley-Zelle auf.
Die Windgürtel um den Planeten sind in drei Zellen in jeder Hemisphäre organisiert—die Hadley-Zelle, die Ferrel-Zelle und die Polarzelle., Diese Zellen existieren sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen Hemisphäre. Der größte Teil der atmosphärischen Bewegung findet in der Hadley-Zelle statt. Die auf die Erdoberfläche wirkenden Hochdrucksysteme werden durch die Niederdrucksysteme an anderer Stelle ausgeglichen. Infolgedessen wirkt ein Kräfteausgleich auf die Erdoberfläche.
Die Pferdebreiten sind ein Gebiet mit hohem Druck auf etwa 30° bis 35° Breite (Norden oder Süden), in dem Winde in die angrenzenden Zonen von Hadley-oder Ferrel-Zellen divergieren und die typischerweise leichte Winde, sonnigen Himmel und wenig Niederschlag haben.,
Hadley cellEdit
Das Wolkenband des ITCZ über dem östlichen Pazifik und Amerika aus dem Weltraum gesehen
Das von George Hadley beschriebene atmosphärische Zirkulationsmuster war ein Versuch, die Passatwinde zu erklären. Die Hadley-Zelle ist eine geschlossene Zirkulationsschleife, die am Äquator beginnt. Dort wird feuchte Luft von der Erdoberfläche erwärmt, nimmt an Dichte ab und steigt an. Eine ähnliche Luftmasse, die auf der anderen Seite des Äquators aufsteigt, zwingt diese aufsteigenden Luftmassen, sich nach Poleward zu bewegen., Die aufsteigende Luft erzeugt eine Niederdruckzone in der Nähe des Äquators. Wenn sich die Luft nach außen bewegt, kühlt sie ab, wird dichter und sinkt etwa parallel ab, wodurch ein Hochdruckbereich entsteht. Die abgestiegene Luft bewegt sich dann entlang der Oberfläche in Richtung Äquator und ersetzt die Luft, die aus der Äquatorialzone aufsteigt, und schließt die Schleife der Hadley-Zelle. Die Polwärtsbewegung der Luft im oberen Teil der Troposphäre weicht nach Osten ab, verursacht durch die Coriolis-Beschleunigung (eine Manifestation der Erhaltung des Drehimpulses)., Auf Bodenhöhe weicht jedoch die Bewegung der Luft in Richtung Äquator in der unteren Troposphäre nach Westen ab und erzeugt einen Wind aus dem Osten. Die Winde, die nach Westen (von Osten, östlicher Wind) auf Bodenhöhe in der Hadley-Zelle fließen, werden Passatwinde genannt.
Obwohl die Hadley-Zelle als am Äquator gelegen beschrieben wird, verschiebt sie sich in der nördlichen Hemisphäre im Juni und Juli in höhere Breiten und im Dezember und Januar in niedrigere Breiten, was auf die Erwärmung der Oberfläche durch die Sonne zurückzuführen ist., Die Zone, in der die größte Erwärmung stattfindet, wird als „thermischer Äquator“bezeichnet. Da der Sommer der südlichen Hemisphäre Dezember bis März ist, findet dann die Bewegung des thermischen Äquators in höhere südliche Breiten statt.
Das Hadley-System liefert ein Beispiel für eine thermisch direkte Zirkulation. Die Leistung des Hadley-Systems, das als Wärmekraftmaschine gilt, wird auf 200 Terawatt geschätzt.
Ferrel cellEdit
Ein Teil der Luft, die bei 60° Breitengrad steigt, divergiert in großer Höhe zu den Polen und erzeugt die Polarzelle., Der Rest bewegt sich in Richtung Äquator, wo er bei 30° Breite mit der Luft der Hadley-Zelle kollidiert. Dort lässt es nach und stärkt die darunter liegenden Hochdruckkämme. Ein großer Teil der Energie, die die Frettchenzelle antreibt, wird von den polaren und Hadley-Zellen bereitgestellt, die auf beiden Seiten zirkulieren und die die Frettchenzelle mit sich ziehen. Die Ferrel-Zelle, theoretisiert von William Ferrel (1817-1891), ist daher ein sekundäres Zirkulationsmerkmal, dessen Existenz von den Hadley-und Polarzellen auf beiden Seiten abhängt. Es könnte als Eddy gedacht werden, der von den Hadley-und Polarzellen geschaffen wurde.,
Die Luft der Frettchenzelle, die bei 30° Breitengrad abfällt, kehrt auf Bodenhöhe polwärts zurück und weicht dabei nach Osten ab. In der oberen Atmosphäre der Frettchenzelle weicht die Luft, die sich zum Äquator bewegt, nach Westen ab. Beide Abweichungen, wie im Fall der Hadley-und Polarzellen, werden durch die Erhaltung des Drehimpulses angetrieben. Infolgedessen, Genau wie die östlichen Passatwinde unter der Hadley-Zelle gefunden werden, Die Westerlies finden sich unter der Frettchenzelle.,
Die Frettchenzelle ist schwach, weil sie weder eine starke Wärmequelle noch eine starke Spüle hat, so dass der Luftstrom und die Temperaturen in ihr variabel sind. Aus diesem Grund werden die mittleren Breiten manchmal als „Mischzone“ bezeichnet.“Die Hadley-und Polarzellen sind wirklich geschlossene Schleifen, die Ferrel-Zelle nicht, und der entscheidende Punkt ist in den Westerlies, die formal als „die vorherrschenden Westerlies“ bekannt sind.,“Die östlichen Passatwinde und die polaren Ostereien haben nichts zu überwiegen, da ihre Stammzellen stark genug sind und entweder in Form massiver Geländemerkmale oder Hochdruckzonen wenigen Hindernissen ausgesetzt sind. Die schwächeren Westerlies der Frettchenzelle können jedoch gestört werden. Die lokale Passage einer Kaltfront kann das in wenigen Minuten ändern und tut dies häufig. Infolgedessen können Winde an der Oberfläche abrupt in Richtung variieren. Aber die Winde über der Oberfläche, wo sie weniger durch Gelände gestört werden, sind im Wesentlichen westlich., Eine Niederdruckzone bei 60° Breitengrad, die sich in Richtung Äquator bewegt, oder eine Hochdruckzone bei 30° Breitengrad, die sich nach Poleward bewegt, beschleunigt die Westerlies der Frettchenzelle. Ein starker hoher, sich bewegender Pol kann tagelang Westwind bringen.
Das Ferrel-System wirkt als Wärmepumpe mit einem Leistungskoeffizienten von 12,1 und verbraucht kinetische Energie aus den Hadley-und Polarsystemen mit einer ungefähren Rate von 275 Terawatt.
Polar cellEdit
Die Polarzelle ist ein einfaches System mit starken Konvektionstreibern., Obwohl die Luftmassen im Verhältnis zur äquatorialen Luft kühl und trocken sind, sind sie am 60.noch ausreichend warm und feucht, um sich einer Konvektion zu unterziehen und eine thermische Schleife anzutreiben. Parallel steigt die Luft in die Tropopause (etwa 8 km in diesem Breitengrad) und bewegt sich polwärts. Dabei weicht die Luftmasse der oberen Ebene nach Osten ab. Wenn die Luft die Polargebiete erreicht, hat sie sich durch Strahlung in den Weltraum abgekühlt und ist wesentlich dichter als die darunter liegende Luft. Es sinkt ab und schafft einen kalten, trockenen Hochdruckbereich., Auf der polaren Oberflächenebene wird die Luftmasse vom Pol in Richtung der 60. Parallele weggetrieben, wodurch die dort aufsteigende Luft ersetzt wird und die polare Zirkulationszelle vollständig ist. Wenn sich die Luft an der Oberfläche in Richtung Äquator bewegt, weicht sie nach Westen ab. Auch hier sind die Abweichungen der Luftmassen das Ergebnis des Coriolis-Effekts. Die Luftströme an der Oberfläche werden als polare Osterlies bezeichnet und fließen von Nordosten nach Südwesten in der Nähe des Nordpols und von Südosten nach Nordwesten in der Nähe des Südpols.,
Der Abfluss von Luftmasse aus der Zelle erzeugt harmonische Wellen in der Atmosphäre, die als Rossby-Wellen bezeichnet werden. Diese ultralangen Wellen bestimmen den Weg des polaren Strahlstroms, der sich innerhalb der Übergangszone zwischen der Tropopause und der Frettchenzelle bewegt. Durch die Einwirkung als Kühlkörper bewegt die Polarzelle die reichlich vorhandene Wärme vom Äquator in Richtung der Polarregionen.
Die Hadley-Zelle und die Polarzelle sind insofern ähnlich, als sie thermisch direkt sind; mit anderen Worten, sie existieren als direkte Folge von Oberflächentemperaturen. Ihre thermischen Eigenschaften treiben das Wetter in ihrer Domäne an., Die schiere Menge an Energie, die die Hadley-Zelle transportiert, und die Tiefe des in der Polarzelle enthaltenen Kühlkörpers stellen sicher, dass vorübergehende Wetterphänomene nicht nur vernachlässigbare Auswirkungen auf die Systeme als Ganzes haben, sondern — außer unter ungewöhnlichen Umständen — sie bilden sich nicht. Die endlose Kette von vorbeiziehenden Höhen und Tiefen, die für Bewohner mittlerer Breiten zum Alltag gehört, unter der Frettchenzelle in Breiten zwischen 30 und 60° Breite, ist über dem 60. und unter dem 30., Es gibt einige bemerkenswerte Ausnahmen von dieser Regel; In ganz Europa erstreckt sich das instabile Wetter auf mindestens den 70.
Die Polarzelle, das Gelände und die katabatischen Winde in der Antarktis können sehr kalte Bedingungen an der Oberfläche schaffen, zum Beispiel die niedrigste Temperatur, die auf der Erde aufgezeichnet wurde: -89.2 °C an der Wostok-Station in der Antarktis, gemessen 1983.