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atmosphärische Dynamik

beschreibt die in der Atmosphäre wirkenden Kräfte und die daraus resultierenden Luftbewegungen und Zirkulationsmuster. Die allgemeine Bewegungsgleichung für ein Luftpaket lautet: atmosphärische Dynamik (dies ist die um einen Reibungsterm erweiterte Eulersche Gleichung für ein inkompressibles Fluid in einem rotierenden Bezugssystem, Navier-Stokes-Gleichung). Dabei bezeichnet atmosphärische Dynamik die Geschwindigkeit der betrachteten Luftmasse, p den Luftdruck, F das Geopotential, W die Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation und FR die durch Scherkräfte bedingte Reibungskraft. Ñp wird als Druckgradientenkraft, 2atmosphärische Dynamik als Coriolis-Kraft bezeichnet. Aufgrund der gegenüber der vertikalen sehr viel grösseren horizontalen Ausdehnung der Erdatmosphäre können die vertikalen Komponenten der Coriolis-Kraft und der Reibungskräfte zur Berechnung atmosphärischer Strömungen i.a. vernachlässigt werden. Auch die aus dem Schwerefeld der Erde resultierende Kräfte spielen nur eine untergeordnete Rolle, und in der freien Atmosphäre (oberhalb etwa 1km Höhe) können noch die Reibungskräfte vernachlässigt werden. Die entstehenden Luftbewegungen werden so nur noch durch das Zusammenspiel von Druckgradientenkraft und Coriolis-Kraft bestimmt. Die resultierenden Strömungen werden als geostrophische Winde bezeichnet (geostrophisches Gleichgewicht). Sie verlaufen parallel zu den Isobaren, können Druckunterschiede also nicht ausgleichen. In der darunterliegenden planetaren Grenzschicht macht sich zunehmend der Einfluss der Bodenreibung bemerkbar, und der Wind dreht mit abnehmender Höhe immer mehr in die Richtung des Druckgradienten (Ekman-Spirale). Häufig lässt sich die Druckgradientenkraft direkt auf ein horizontales Temperaturgefälle zurückführen, der resultierende geostrophische Wind wird dann als thermischer Wind bezeichnet. Seine Geschwindigkeit steigt mit der Höhe linear an und kann direkt aus dem horizontalen Temperaturgradienten T/y (siehe Abbildung) berechnet werden:

atmosphärische Dynamik

Hierbei beschreibt z die vertikale, x und y die horizontalen Achsen eines kartesischen Koordinatensystems (Abb.), g die Schwerebeschleunigung der Erde, j die geographische Breite und T die über die Höhe gemittelte Temperatur. Vor allem die atmosphärische Zirkulation in mittleren Breiten (Zone der Westwinddrift) lässt sich im Mittel als thermischer Wind beschreiben. In äquatorialen Breiten dagegen ist der Einfluss der Coriolis-Kraft nur gering. Unter solchen Bedingungen kommt es zur Ausbildung einer direkten Zirkulation in meridionaler, d.h. in etwa Nord-Süd-Richtung (Hadley-Zelle, Passatwinde). Viele dynamische Vorgänge in der Atmosphäre lassen sich auch anhand der Gleichungen zur Erhaltung der Vortizität (englisch: vorticity) beschreiben. Diese ist ein Mass für die Wirbelstärke atmosphärischer Strömungen. [TW2]

atmosphärische Dynamik

Atmosphärische Dynamik: Höhenprofil der Geschwindigkeit des thermischen Windes in x-Richtung, atmosphärische Dynamikx, bei einem Temperaturgradienten DT in y-Richtung.

 

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