Lesen…
Als wir uns mit den Wirbelstürmen der mittleren Breiten beschäftigten, sprachen wir ein wenig über den Strahlstrom, einen Kanal mit schnellen Winden in der Nähe des oberen Teils der Troposphäre. Aber der Jetstream, über den wir gesprochen haben, ist eigentlich der Jetstream der mittleren Breiten, der regelmäßig das Wetter in den mittleren Breiten beeinflusst. Der Jetstream der mittleren Breiten ist jedoch nicht der einzige Jetstream der Erde!
Bei unserer Diskussion über subtropische Hochs haben wir die Erdrotation und die Corioliskraft ignoriert, als wir die polwärts gerichtete Höhenströmung in der Hadley-Zelle erörterten. Da sich unser Planet dreht, strömt die Luft in großen Höhen nicht direkt in Richtung der Pole. Vielmehr nimmt sie einen viel verwirbelteren Weg. Wenn die Luft im oberen Zweig der Hadley-Zelle in Richtung der Pole strömt, biegt sie schließlich in Richtung Osten (auf der Nordhalbkugel) ab. Das Endergebnis ist, dass die Luftpakete in den oberen Zweigen der Hadley-Zellen die Erde auf ihrem Weg von den Äquatorialregionen zu den Subtropen umkreisen. Diese polwärts gerichtete Spirale kulminiert im subtropischen Jetstream (kurz STJ) in der Nähe des 30. Breitengrades.
Der STJ war tatsächlich eines der letzten großen Merkmale der Troposphäre, die durch direkte menschliche Beobachtung entdeckt wurden. Während des Zweiten Weltkriegs meldeten amerikanische Piloten, während sie in der Nähe Japans und anderer Inseln im Pazifik nach Westen flogen, Bodengeschwindigkeiten, die dramatisch niedriger waren als die von den Flugzeugen angezeigte Luftgeschwindigkeit. Das Fliegen mit sehr langsamen Geschwindigkeiten im Verhältnis zum Boden konnte nur eines bedeuten – einen gewaltigen Gegenwind! Die folgende Abbildung zeigt die langfristigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten (in Metern pro Sekunde) und -richtungen in der Nähe von 40.000 Fuß über Asien und dem westlichen Pazifik während des meteorologischen Winters (Dezember, Januar und Februar). Das schmale Band mit schnellen Winden in der Nähe des 30. Breitengrades markiert die durchschnittliche Position des STJ. Obwohl die Piloten bei einigen ihrer Einsätze kaum vorankamen, hatten sie eine wichtige Entdeckung gemacht!
In der Tat ist der STJ über der westlichen Pazifikregion im Durchschnitt stärker als an jedem anderen Ort der Welt. Das liegt vor allem daran, dass die Hochlagen des Himalaya und Tibets die generell westliche Luftströmung in der oberen Troposphäre unterbrechen und umleiten. Weiter östlich fließen die abgelenkten Luftströme wieder zusammen und beschleunigen sich in der Nähe von Japan. Die obige Abbildung zeigt, dass die durchschnittlichen Geschwindigkeiten in der STJ in der Nähe Japans während des meteorologischen Winters 70 Meter pro Sekunde (etwa 157 Meilen pro Stunde) überschreiten können.
Der allgemeine Mechanismus zur Aufrechterhaltung der STJ in der Nähe des 30. Breitengrades ist jedoch die Tendenz der Luftpakete, ihren Drehimpuls in den oberen Zweigen der Hadley-Zellen zu erhalten. Erinnern Sie sich, dass die Erhaltung des Drehimpulses das Konzept ist, das erklärt, warum sich Eiskunstläufer so viel schneller drehen, wenn sie ihre Arme nach innen ziehen (und damit ihren Abstand zur Drehachse verringern). Wenn sich die Pakete in den oberen Zweigen der Hadley-Zellen spiralförmig nach oben bewegen, verringert sich ihr Abstand zur Rotationsachse der Erde, was zu höheren Geschwindigkeiten führt. Theoretisch erreicht Luft, die aus der Ruhelage (relativ zur Erdoberfläche) hoch über dem Äquator startet, den 30. Breitengrad mit einer Geschwindigkeit von 134 Metern pro Sekunde in östlicher Richtung (etwa 260 Knoten oder 300 mph), vorausgesetzt, dass sie ihren Drehimpuls auf ihrem Weg perfekt konserviert.
Aber in der Realität erreicht der STJ solche Geschwindigkeiten nicht. Das liegt daran, dass Pakete ihren Drehimpuls nicht vollständig bewahren. Hohe Berge und hoch aufragende Kumulonimbuswolken üben beispielsweise einen gewissen Widerstand auf Luftpakete aus, die sich in den oberen Ästen der Hadley-Zellen polwärts bewegen. Unabhängig von diesen und anderen Hindernissen für die Erhaltung des Drehimpulses kann man sagen, dass die Luftpakete dazu neigen, den Drehimpuls zu erhalten, wenn sie sich spiralförmig auf die Rotationsachse der Erde zubewegen und ihren Drehimpuls in die Mischung einbringen, die wir als STJ bezeichnen.
Der STJ ist also größtenteils eine Folge der Erhaltung des Drehimpulses (im Gegensatz zum Jetstream der mittleren Breiten, der seine Entstehung den Temperaturgradienten der Hemisphäre verdankt). Mit dem Gedanken an die Erhaltung des Drehimpulses möchte ich hinzufügen, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Erde weitgehend die durchschnittliche Lage des STJ bestimmt, da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde zum Teil die Größe der Corioliskraft bestimmt. Würde die Erdrotation zunehmen (und damit die Corioliskraft stärker werden), würde der STJ näher am Äquator entstehen. Würde sich die Erdrotation verlangsamen, wäre die Corioliskraft schwächer, und der STJ würde sich weiter vom Äquator entfernt bilden als 30 Grad geografischer Breite.
Es stellt sich heraus, dass der STJ im Winter stärker ist als im Sommer, obwohl sich der obere Zweig der Hadley-Zirkulation auf der Sommerhalbkugel stärker polwärts ausdehnt. Das mag seltsam erscheinen, wenn man bedenkt, dass der Hauptantriebsmechanismus der STJ die Tendenz der Pakete ist, den Drehimpuls zu erhalten (was zu höheren Geschwindigkeiten führen würde, wenn sich die STJ in höheren Breitengraden befindet). Warum also beschleunigen hochfliegende Luftpakete, die im Sommer weiter polwärts reisen, nicht stark, wenn sie noch näher an die Erdrotationsachse herankommen?
Wie sich herausstellt, bringt eine intensive Sonnenerwärmung über den Landmassen in der subtropischen Region der nördlichen Hemisphäre die Hadley-Zirkulation aus dem Gleichgewicht. Kurz gesagt: In Breitengraden nahe 30 Grad nördlicher Breite (vor allem über Land) wird es viel heißer als in den äquatorialen Regionen, wodurch sich das typische Nord-Süd-Temperaturgefälle umkehrt. Um diese Beobachtung zu bestätigen, sehen Sie sich die langfristigen Durchschnittstemperaturen über den Tropen und Subtropen für Juni, Juli und August an. Da unser Prototyp-Modell der Hadley-Zelle auf der Annahme beruht, dass der Gürtel der maximalen Erwärmung über äquatorialen Regionen liegt, sollte es nicht überraschen, dass unser Modell der idealisierten Hadley-Zirkulation zusammenbricht, wenn sich dieser Gürtel polwärts in die Subtropen verschiebt. Infolgedessen nimmt die Stärke des STJ ab, und der STJ spielt im Sommer keine so wichtige Rolle im allgemeinen Wettergeschehen.
Um die Veränderung der Stärke des STJ zwischen Sommer und Winter zu sehen, vergleichen Sie die durchschnittlichen Winde in der Nähe von 40.000 Fuß über Nordamerika und den angrenzenden Ozeanen während des Sommers und des Winters (oben). Zunächst kann man eine Signatur schneller Winde über der Mitte und dem Norden der Vereinigten Staaten erkennen. Das ist der Fußabdruck des Jetstreams über den mittleren Breiten. Um den STJ zu markieren, habe ich in jedem Bild dicke schwarze Pfeile verwendet. Im Sommer (linkes Bild oben) gibt es zwei relativ schwache Windstreifen, die mit der mittleren Position des Sommer-STJ verbunden sind. Der eine erstreckt sich von Hawaii in Richtung Südwesten der USA, der andere verläuft vom mittleren Atlantik in Richtung Nordwestafrika. Diese „Streifen“ von Winden verblassen im Vergleich zum robusten Winter-STJ (rechtes Bild oben).
Im Winter kann der robuste STJ zu großen Winterstürmen über den mittleren Breitengraden beitragen. Der STJ ist eine semipermanente Erscheinung, und man darf nicht vergessen, dass seine durchschnittliche Lage durch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde weitgehend festgelegt ist. Lokale Veränderungen der Temperatur- und Druckgradienten können jedoch dazu führen, dass sich Teile des STJ von Zeit zu Zeit etwas weiter polwärts wölben oder etwas weiter südwärts absinken. Im Großen und Ganzen entspricht die nördlichste Ausdehnung des STJ der südlichsten Ausdehnung des eher nomadischen Jetstreams in den mittleren Breiten. Man kann also davon ausgehen, dass die beiden Jetstreams manchmal miteinander interagieren, und manchmal kann dies die Voraussetzungen für die rasche Entwicklung von Wirbelstürmen der mittleren Breiten schaffen, insbesondere über der Atlantikküste, wo die natürlichen Temperaturkontraste zwischen Land und Meer einen günstigen Nährboden bieten.
Eine solche denkwürdige Interaktion führte 1979 zu dem überraschenden Schneesturm am Presidents‘ Day in Washington, D.C. und den umliegenden Staaten des mittleren Atlantiks und Südostens. In diesem Fall wurde der STJ in einer südwestlichen Strömung vor einem starken Trog im Jetstream der mittleren Breiten nordwärts gezogen (manchmal auch als „polarer“ Jetstream bezeichnet, blau markiert). Diese Konfiguration ermöglichte es dem STJ, als Katalysator für den Sturm am Presidents‘ Day 1979 zu wirken. Weiter östlich, über dem Atlantischen Ozean, dreht der STJ mehr nach Osten und schließlich nach Süden (rechts im Bild), während er zu seiner mittleren Position zurückkehrt.
In seinem Kielwasser hinterließ der Presidents‘ Day-Sturm schweren Schnee von Georgia bis Pennsylvania, wie auf diesem sichtbaren Satellitenbild von 19Z am 19. Februar zu sehen ist. Viele größere Winterstürme in den mittleren Breiten profitieren davon, dass der STJ wie in diesem Fall nach Norden gezogen wird. Während die Hadley-Zellen also regelmäßig Aspekte des tropischen Wetters steuern, können sie durchaus auch Auswirkungen auf das Wetter in den mittleren Breiten haben!
In Bezug auf die Hadley-Zellen haben wir nun den aufsteigenden Zweig in der ITCZ, den oberen Zweig (der im STJ kulminiert) und den absteigenden Zweig, der die subtropischen Hochs in der Nähe von 30 Grad Breite bildet, behandelt. Als Nächstes werden wir uns dem letzten Zweig der Zirkulation zuwenden – den Passatwinden: der Oberflächenströmung, die aus den Subtropen in die ITCZ zurückkehrt. Lesen Sie weiter!