Klimabeeinflussung durch Wind

Klimabeeinflussung durch Wind
a. Entstehung von Wind
Kurzdefinition:
Wind ist bewegte Luft. Der Begriff wird im Allgemeinen auf natürliche, horizontale
Bewegungen der Atmosphäre angewandt. Bewegungen dieser Art in vertikaler oder
nahezu vertikaler Richtung bezeichnet man als Strömungen.
Entstehung von Wind
- Grundvoraussetzungen:
 Ungleichmäßige Sonneneinstrahlung
 Unterschiedliche thermische Beschaffenheit der Oberfläche von Land und
Wasser
 Für globale Windsysteme ist die Erdrotation und die daraus resultierende
Corioliskraft eine entscheidende Einflussgröße
- Diese Faktoren bewirken:
 Ortsabhängige Verteilung der Sonnenenergie führt zu
Temperaturunterschieden
 Atmosphärische Druckunterschiede zwischen verschiedenen Gebieten
 Ausgleich dieser Druckdifferenzen erfolgt durch Luftbewegung
 Großräumige Winde werden durch die Erdrotation (Corioliskraft) abgelenkt
Man differenziert Winde aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung und ihrem
Wirkungsgebiet.
Daraus folgende Einteilung:
1. Globale Windsysteme
2. Jahreszeitlich wechselnde Winde
3. Lokale Winde
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b. Wichtige Windsysteme
Globale Windsysteme
- beruhen auf globalen Druckunterschieden der Atmosphäre
Grund: ungleiche Sonneneinstrahlung durch verschiedene Einfallswinkel
 Großflächige Hochdruck bzw. Tiefdruckgebiete
Detaillierte Verteilung
- In Äquatornähe:
 Tiefdruckgürtel der Kalmen (auch innertropische Konvergenzzone )
Heiße und schwule Luft, weitgehend windstille Regionen
- Im Bereich der nördlichen und südlichen Wendekreise (30 Breitengrade vom
Äquator auf beiden Erdhalbkugeln entfernt)
 Subtropischer Hochdruckgürtel (Rossbreiten)
Gebiete mit Windstille oder leicht veränderlichen Winden
- Polwärts:
 Abnahme des Atmosphärischen Drucks bewirken die Tiefdruckzonen der
mittleren und hohen Breiten
Die daraus resultierenden Winde werden durch die Erdrotation abgelenkt 
Westwindzirkulation
 An den kälteren Regionen der Pole entstehen Hochdruckzentren
Die von diesen Regionen ausgehenden winde werden zu polaren
Westwinden abgelenkt  Polarzirkulation
Die Resultate dieser Druckunterschiede sind Ausgleichbewegungen durch Wind.
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Passat:
Der Wind, der bodennah vom Subtropischen Hochdruckgürtel zur ITC weht, ist der
Passat, der vorherrschende Wind der niederen Breiten. Auf der nördlichen
Erdhalbkugel wird die Luft, die von Norden her Richtung Äquator strömt, von der
durch die Erdrotation bewirkten Corioliskraft abgelenkt, so dass der Wind aus
Nordosten weht; er wird als Nordost-Passat bezeichnet. Auf der südlichen
Erdhalbkugel erfährt die von Süden nach Norden strömende Luft eine entsprechende
Ablenkung und wird zum Südost-Passat.
Dieses wohl bekannteste planetarische Windsystem beeinflusst in entscheidendem
Maße die Klima- und Wetterbedingungen auf der Erde.
Bemerkenswert ist weiterhin, dass die Geschwindigkeit dieser Westwinde mit
zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche größer wird. Ein Ergebnis dieser
wachsenden Geschwindigkeit ist der sogenannte Jetstream. Dieser Wind
konzentriert sich auf einen schmalen Gürtel in einer Höhe von ungefähr zehn
Kilometern und bewegt sich mit Spitzengeschwindigkeiten um 550 Kilometern pro
Stunde. Speziell im Flugverkehr wird dieser Luftströmung eine entscheidende
Bedeutung beigemessen. Besonders Transatlantik-Verbindungen profitieren
hinsichtlich Flugdauer und Kerosinverbrauch von diesem Strahlstrom.
Jahrezeitlich wechselnde Winde
- Beruhen auf den jahreszeitlichen Temperaturdifferenzen
 Über dem Land ist die Luft im Sommer wärmer und im Winter kälter als über
dem benachbarten Meer
 Im Sommer: Entstehung von Tiefdruckgebieten über den
kontinentalen Landmassen
 Wind weht von den kälteren Ozeanen Richtung Kontinent
 Im Winter: Bildung von kontinentalen Hochdruckgebieten mit der
Konsequenz, dass die Winde in Richtung der wärmeren Ozeane wehen
 Typisches Beispiel für einen jahreszeitlichen Wind sind die Monsune
(arabisch mausim: Jahreszeit) vorwiegend im indischen Ozean.
Besonderheiten:
- Ändert seine Richtung im Jahreszeitlichen Wechsel
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Wirkungszeit im allgemeinen von April bis Oktober aus Südwest und
von Oktober bis April aus Nordost, also der entgegengesetzten
Richtung
- Der Südwest oder Sommermonsun wird in der Regel von schweren
Regenfällen begleitet
 Bestimmendes Klimaereignis der Region um Indien und Indonesien
-
Monsunähnliche Windverhältnisse finden sich auch in zahlreichen anderen Regionen
der Erde.
Verhältnisse während der Monsunzeit
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Lokale Winde
Vergleichbar mit dem jahreszeitlichen Wechsel von Temperatur und damit Druck
über Land und Wasser gibt es einen Wechsel zwischen tag und nacht, aber mit eher
lokalen Auswirkungen.
See-Land-Wind:
Land-See-Wind:
Insbesondere im Sommer ist das Land bei Tag wärmer und bei Nacht kälter als das
Meer. Die auf diese Weise entstehenden Druckunterschiede erzeugen Winde, die
tagsüber landwärts und in der Nacht seewärts wehen. Diese Land- und Seewinde
wehen in einer Zone, die sich etwa 50 Kilometer auf das Meer und 50 Kilometer auf
das Land erstreckt.
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Der Föhn
Der Föhn ist ein weiteres lokales Windphänomen.
Föhn: - warmer und trockener Fallwind häufig in Gebirgsregionen
- nach einem Steigungsregen an der Luv-Seite einer Gebirgskette erfolgt
diese Windbewegung an der gegenüberliegenden Lee-Seite
Entstehung des Föhnwinds: -Luft wird zum Aufsteigen vor einem Gebirge „
„gezwungen“
- Abkühlung der Luft  max. Luftfeuchte sinkt
- Ab einer bestimmten Temperatur kondensiert das Wasser  Wolkenbildung
- beim weiteren Aufstieg kühlt die Luft langsamer ab
- erreicht die Wolke ihre Sättigungsgrenze, fällt der sogenannte Steigungsregen
- nach Überschreitung des Gipfels erwärmt sich die Luft, es kommt zur Auflösung
der Wolken; der warme, trockene Fallwind ist entstanden
Auswirkungen auf den Menschen:
Bei Föhnwinden kommt es immer wieder zu einem Anstieg von Herz- und
Kreislaufproblemen. Bei vielen Personen sind weitere Symptome erkennbar:
Reizbarkeit, Kopfschmerzen, Übelkeit, rasche Ermüdung. Die Ursachen für die so
genannte Föhnkrankheit sind noch nicht vollständig erforscht.
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c. Physikalische Betrachtung von Wind

Wind ist bewegte Luft. Luft setzt sich wiederum nur in Bewegung wenn ein
Druckgradient (Druckgefälle) herrscht; die Atmosphäre ist bestrebt
Druckunterschiede möglichst auszugleichen. Ein Hochdruckgebiet wird
durch einen Luftstrom abgebaut. Im Gegenzug wird damit ein Tief aufgefüllt.
Den Luftstrom bezeichnet man allgemein als Wind. Falls die Luft
beschleunigt noch abgebremst wird stehen folgende Kräfte in einem
Gleichgewicht
1. Die Druckgradientenkraft bringt das Luftteilchen dazu sich aus dem Hoch zum
Tief zu bewegen. Sie ist immer zum Punkt mit dem tiefsten Druck gerichtet
2. Die eben schon angesprochene Corioliskraft lenkt auf der Nordhalbkugel alle
bewegten Teilchen bezüglich der Erdoberfläche nach rechts. Die Luftteilchen
umströmen Hoch und Tief in einer Spiralbewegung.
3. Die Zentrifugalkraft (F) spielt aufgrund der Tatsache, dass sich die
Luftteilchen in einer Art Kreisbewegung um Hochs und Tiefs bewegen ebenso
eine Rolle.
4. Die Gravitationskraft hingegen ist im Vergleich zu den oben genannten
Kräften (aufgrund der geringen Masse der Luftteilchen) sehr gering und somit
vernachlässigbar.
Mathematischer, physikalischer Hintergrund:
Druckgradientenkraft:
p = - m/φ grad (p)
p: Druckgradientenkraft in Newton.
m: Masse in Kg
φ : Dichte in kg/m³
grad (p): Druckgradient in Pascal pro Meter
Corioliskraft:
C= -2 m Ω v
C:
m:
Ω:
v:
Corioliskraft
Masse in Kg
Richtung der Erdachse und Drehgeschwindigkeit der Erde
Bewegungsrichtung und –geschwindigkeit der Teilchen
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Physikalisches Windmodell
Geostrophischer Wind

starke Vereinfachung der Realität (Isobaren als Geraden betrachtet)
→ Wind parallel zu den Isobaren ( Linien gleichen Luftdrucks)
→ die Zentrifugalkraft fällt weg
C: Corioliskraft
Fz: Zentrifugalkraft
P: Druckgradientenkraft
v: Windrichtung und -Stärke
Veranschaulichung der wirksamen Kräfte
Wenn das Luftteilchen in Bewegungsrichtung schaut, so muss das Hoch rechts des
bewegten Teilchens liegen; das Tief links. Demzufolge wirkt die
Druckgradientenkraft nach links ins Tief hinein, die Corioliskraft nach rechts zum
Hoch. Die beiden Kräfte stehen im Gleichgeweicht, so dass sie ihre Wirkung gerade
aufhebt.
Es gilt P = C
Die daraus resultierende Windgeschwindigkeit lässt sich also folgendermaßen
berechnen,:
V = 1/[f*p] *Δ p /Δ x
V: Windgeschwindigkeit in m/s
F: Coriolisparameter
(allgemein: f= 2*ω sinΦ
wobei Φ Breitengrad,
ω = 360° /24h ≈ 7,27 *10-5 rad /sec) Winkelgeschwindigkeit der Erde
φ : Dichte der Luft angenähert kann 1 kg/m³ genommen werden.
Δ p : Druckunterschied zw. 2 Punkten in Pascal
Δ x : Distanz zwischen diesen Beiden Punkten in m
Bei gekrümmten Isobaren also weniger idealisierten Bedingungen wird als
Beschreibung für den Wind der Gradientenwind verwendet. Also bewegt sich die
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Luft unter Einwirkung der drei Kräfte Druckgradientenkraft, Corioliskraft,
Zentrifugalkraft.
Dabei ist zu beachten, dass Corioliskraft und Zentrifugalkraft von der
Bewegungsgeschwindigkeit des Luftteilchens abhängen. Die Druckgradientenkraft
ist dagegen lediglich vom herrschenden Druckunterschied abhängig.
Also gilt:

→

beim Tief
- Druckgradientenkraft zeigt ins Zentrum
- Entgegen wirken also die Corioliskraft und die Zentrifugalkraft
- Annahme , dass keine Beschleunigung auftritt, also ein
Kräftegleichgewicht besteht
es gilt P = C + F
Beim Hoch
- Druckgradientenkraft zeigt vom Zentrum weg in die gleiche Richtung wie
die Zentrifugalkraft
- Dagegen zeigt die Corioliskraft als Gegenkraft in die entgegen gesetzte
Richtung
→
beim Kräftegleichgewicht gilt also: C= P+F bzw. P = C-F
Vorausgesetzt bei einem Hoch und einem Tief herrschen identische
Geschwindigkeiten, so muss der Druckgradient unterschiedlich sein. Durch eine
Verkleinerung des Abstands der Isobaren, vergrößert sich der Druckgradient. Beim
Hoch müssen also die Isobaren (um die gleiche Windgeschwindigkeit zu erhalten)
weiter auseinander liegen.
Tatsächlich ist dieser Sachverhalt auch auf Wetterkarten zu beobachten: Tiefs
weisen engere Isobaren auf als Hochs.
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d. Potentielle Gefahren und Präventivmaßnahmen
Wirbelwinde
Hurrikane



Tropische Wirbelstürme in Äquatornähe
Im westlichen Pazifik als Taifune bezeichnet
Entstehung innerhalb des Kalmengürtels zwischen den nordöstlichen und den
südöstlichen Passatwinden
 (also gekennzeichnet durch: -periodisch auftretende Windstillen
-häufige Böen)
 Hurrikane-Saison: Sommer und Herbstmonate
 Entstehungsvorrausetzungen:
-sehr warme Ozeane (minimal 26°C Wassertemperatur)
Luftwirbel (feuchtwarme Luftmassen steigen in große Höhe in Richtung
Zentrum fällt der Luftdruck rapide ab Zunahme der Windgeschwindigkeit) dreht
sich um eine Tiefdruckzone im Zentrum
 Höchstgeschwindigkeit in der Nähe des Punktes mit den niedrigsten Luftdruck
(900hPa, auf Meeresniveau)
 Beschreibung eines solchen Wirbelsturmes:
o Windgeschwindigkeit bis zu 200km/h
o Gesamtdurchmesser von ungefähr 250km, in seinen Randbereichen in
einem Umkreis von 500km registrierbar
o 20km breites Zentrum (Auge des Sturms: windschwach,
niederschlagsarm)
Bahn des Hurrikans ähnelt im Allgemeinen einer Parabel
 nördliche Halbkugel: Bewegung zunächst in nordwestlicher Richtung, dann in
höheren Breiten abdrehen nach Nordosten
 südliche Halbkugel : analoges Verhalten(zunächst südwestlich dann
nordöstlich)
Tornado







wandernder Wirbelsturm vor allem im südöstlichen Nordamerika
als schlauchförmiger Wirbel durch aufgenommenen Staub und
Kondensation von Wasser sichtbar
Durchmesser von wenigen hundert Metern
Kurze Lebensdauer
Streckenlänge von bis zu 30km
Geschätzte Höchstgeschwindigkeit von bis zu 500 km
Entstehung
o Bildung aus Zyklonen(Tiefdruckgebiet über tropischen
Atlantikgewässern)
o Aufeinander treffen starker thermischer Gegensätze
o Genauer Verlauf aufgrund der extremen Bedingungen in der Nähe
eines Tornados bislang ungeklärt
o Bekannt ist: - Im Zentrum herrscht ein extremer Unterdruck
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-Nordhalbkugel: Drehung gegen den Uhrzeigersinn
-Südhalbkugel: Rotation im Uhrzeigersinn
o Hauptsächliche Vorkommen in den Monaten Mai und Juni
o Mit zunehmenden Breitengraden verzögert sich das auftreten auf
spätere Monate

Konsequenz der Wirbelstürme
o Schwerste Verwüstungen speziell durch Tornados
o Ursachen : -Windstärke
- extremer Tiefdruck (Bernoulli Prinzip: Mit zunehmender
Geschwindigkeit sinkt der Druck)
o Erschreckendste Beispiele des 20. Jahrhunderts
- Gilbert (1988) verwüstetet Jamaika und teile Mexikos
- Agnes (1972) mit einem geschätzten Sachschaden von 4
Milliarden
Dollar und 134 Toten
- Andrew (1992) verursachte Schäden von über 12 Milliarden
Dollar und forderte über 50 Todesopfer sowie zahllose
obdachlose
Erforschung und Präventivmaßnahmen







Seit 1943 fliegen Flugzeuge der US-Luftwaffe zur Bestimmung von
Windgeschwindigkeit und -richtung zur Messung der Luftdrücke und
thermischer Verhältnisse in die Wirbelstürme hinein
Seit den fünfziger Jahren wird ein damals entwickeltes Ordnunksystem
solcher Windphänomene ständig weiter entwickelt
Seit 1966: Aufzeichnung bestimmter Daten durch geosynchrone
Wettersatteliten, Radargeräte
Reduktion der Todesopferzahlen mit Hilfe von verbesserten Diagnosen
und Kommunikationssystemen
Nationale Hurrikane Center in Florida verarbeitet die gesammelten Daten
und bildet ein komplexes Frühwarnsystem
Gegen die direkte Einwirkung der Naturgewalt Wirbelstürme ist der Mensch
weitgehend machtlos
Neben der Frühwarnung bestehen verhältnismäßig geringe
entwicklungspotentiale im Bereich der Gebäudestatik und
Baumaterialanwendung
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Quellenangaben:


Internet: Lexika: -
www.sfdrs.ch
www.kl.unibe.ch
www.geographie.ruhr-uni-bochum.de
www.wheather-consult.com
www.wind-gmbh.com
www.donnerwetter.de
www.net-lexikon.de
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Brockhaus
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