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Dieser Artikel untersucht die Ursprünge des Windes und die ihn antreibenden Kräfte. Dieses Wissen wenden wir anschließend auf Wetterkarten an und helfen Seglern, die Windmuster an der Oberfläche zu interpretieren und so bessere Navigationsinformationen zu erhalten.

Wir untersuchen auch den Vertikalwind. Obwohl er für Segler nicht direkt spürbar ist, kann er die Bedingungen auf See beeinflussen. Schließlich untersuchen wir die globale Windzirkulation und ihren Einfluss auf Wettersysteme.

Wind ist eine Luftbewegung, die durch einen Luftdruckunterschied entsteht. Die Luft wird von hohem zu niedrigem Druck gedrückt. Wenn man ein Loch in einen Fahrradreifen schlägt, entweicht die Luft, bis der Druck zwischen innen und außen ausgeglichen ist. So versucht Mutter Natur, sich selbst auszugleichen.

Die Physik des Windes ist ähnlich. An der Erdoberfläche, wo es ein Gebiet mit hohem und ein Gebiet mit niedrigem Druck gibt, wird Luft vom hohen in den niedrigen Druckbereich gedrückt. Diese Kraft wird als Druckgradientenkraft bezeichnet. Sie ist proportional zum Druckunterschied über eine Distanz. Je stärker der Druck über eine kurze Distanz abnimmt, desto größer ist die Kraft.

Man könnte meinen, der Wind weht in einer geraden Linie von oben nach unten. Dies ist jedoch nicht so einfach, wie es scheint. Die Rotation der Erde erzeugt eine weitere Kraft, die Corioliskraft .

Diese Kraft ist nicht spezifisch auf den Wind beschränkt, sie wirkt auf jedes bewegte Objekt in einem rotierenden System. Um dies zu verstehen, lassen wir den Wind für einen Moment beiseite und betrachten das Beispiel eines Karussells, das sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. An den Rändern des Karussells sitzen vier Personen einander gegenüber. Wirft eine Person einen Ball zu der Person, die vor ihr sitzt, landet der Ball nicht bei der Person, die sie anvisiert, da diese Person aufgrund der Rotation des Karussells ausweichen müsste. Stattdessen erhält die Person rechts von ihr den Ball, da er durch die Corioliskraft nach rechts abgelenkt wurde.

Sehen Sie sich die Corioliskraft in diesem 25-sekündigen Video an:

Die Erde dreht sich wie das Karussell gegen den Uhrzeigersinn, allerdings deutlich langsamer, nämlich einmal in 24 Stunden. Daher ist der Corioliseffekt beim Werfen eines Balls nicht spürbar. Auf der Erde hingegen ist der Corioliseffekt bei Objekten zu beobachten, die sich mit hoher Geschwindigkeit und/oder über große Entfernungen bewegen (wie Scharfschützengeschosse und Artilleriegeschosse) oder bei der Luftzirkulation über große Entfernungen.

Wenden wir das obige Beispiel auf die Meteorologie an und stellen uns ein Tiefdruckgebiet am Nordpol vor:

Die Erde ist nicht flach wie das Karussell, weshalb die Corioliskraft je nach Breitengrad variiert. Am Nordpol ist die Corioliskraft am größten und lenkt nach rechts ab. Am Äquator ist sie gleich null. Am Südpol ist sie ebenfalls am größten, wirkt aber in die entgegengesetzte Richtung und lenkt daher nach links ab. Um dies zu verstehen, muss man sich für jeden Breitengrad ein Karussell vorstellen, das die Erde auf diesem Breitengrad schneidet, und die Luftgeschwindigkeit auf die Karussellebene projizieren:

Interessante Tatsache: Wenn sich die Erde nicht drehen würde, würde die Luft entlang der geradlinigsten Linie strömen, wodurch Druckgradienten schnell beseitigt würden und die Meteorologie viel einfacher wäre.

Der Wind weht nie geradlinig, sondern in Kurven. Die Krümmung des Windes erzeugt eine Zentrifugalkraft auf die Luftpartikel, die sie aus der Kurve drückt. Dies ist die gleiche Zentrifugalkraft, die Sie spüren, wenn Sie mit Ihrem Auto eine schnelle Kurve fahren und Ihr Körper nach außen gedrückt wird.
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Wenn wir diese drei Kräfte – Druck, Coriolis und Zentrifugalkraft – addieren und davon ausgehen, dass sie sich ausgleichen, bezeichnen wir diesen theoretischen Wind als Gradientenwind. Unter der Annahme, dass der Gradientenwind, wie der geostrophische Wind, parallel zu Isobaren weht, wird die Windgeschwindigkeit je nach Krümmung entweder verringert oder erhöht.

Wenn der Wind um ein Tiefdruckgebiet weht, wirkt die Zentrifugalkraft der Druckkraft entgegen. Daher ist der Gradientwind bei zyklonischer Krümmung geringer als der geostrophische Wind (der Wind wird normalerweise überschätzt, wenn nur die Druckgradientkraft um ein Tiefdruckgebiet berücksichtigt wird).

Die Luftpartikel erfahren an der Oberfläche Reibung (sowohl über Land als auch über Wasser, über Land jedoch stärker). Dadurch werden die Luftpartikel abgebremst. Reibung bremst also den Wind in Oberflächennähe, was zu einer schwächeren Coriolis- und Zentrifugalkraft führt, die Druckkraft bleibt jedoch gleich. Die Strömung ist daher unausgeglichen, wobei die Druckkraft „gewinnt“ und schließlich mehr Luftpartikel anzieht. Dadurch wird der Wind in Richtung Niederdruck und weg von Hochdruck „abgelenkt“. Für Segler ist es wichtig, Folgendes zu wissen:

Da Reibung die Luft in Richtung Tiefdruckgebiet ablenkt, strömt die Luft aus allen Richtungen in das Zentrum des Tiefdruckgebiets. Die Luft kann nur nach oben strömen und steigt daher im Zentrum des Tiefdruckgebiets auf (vertikale Aufwärtsbewegung).
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Da die Reibung die Luft vom Hochdruckgebiet nach außen ablenkt, ist der Effekt umgekehrt und die Luft sinkt in die Mitte des Hochdruckgebiets (vertikale Abwärtsbewegung).

Dies ist im folgenden Bild zusammengefasst:

In diesem Abschnitt wenden wir die Theorie des vorherigen Abschnitts auf Wetterkarten für die nördliche Hemisphäre an, um den horizontalen Wind an der Oberfläche zu beschreiben, der für den Segler von entscheidender Bedeutung ist.

Die folgende Karte zeigt eine Isobarenkarte an der Oberfläche. Die braunen Linien stellen Linien gleichen Drucks dar. Hier sind einige Schlüsselbegriffe, die Sie im Bild unten erkennen können:

Das Bild unten ist ein weiteres Beispiel einer Druckkarte aus Bracknell. Beachten Sie in der oberen linken Ecke eine Skala zur Schätzung des geostrophischen Windes an der Oberfläche.

Die Karte unten zeigt ein Tiefdruckgebiet über Land. Der Wind an der Oberfläche, im Bild unten grün eingefärbt, strömt nicht parallel zur Isobare, sondern wird durch den Reibungseffekt zum Zentrum des Tiefdruckgebiets abgelenkt.

Die Karte unten zeigt ein Tiefdruckgebiet über Land. Der Wind an der Oberfläche, wie die Richtung der Windfahnen im Bild unten zeigt, fließt nicht parallel zur Isobare, sondern wird aufgrund des Reibungseffekts zum Zentrum des Tiefdruckgebiets abgelenkt.

Wolken sind ein guter Indikator für vertikale Winde und wir empfehlen, den Artikel über Wolken zu lesen – Meeresmeteorologie: Wolken .

Vertikaler und horizontaler Wind sind miteinander verbunden. Der vertikale Wind beeinflusst die Stabilität des horizontalen Windes. Diese Stabilität ist für Segler von großer Bedeutung, da man bei instabilem horizontalen Wind unter wechselhaften und/oder böigen Bedingungen segelt.

Die Stabilität bezieht sich auf die Tendenz der Atmosphäre, die vertikale Bewegung der Luft zu verringern oder zu beschleunigen. Ein wichtiger Treiber des vertikalen Windes ist der thermische Treiber .

Der thermische Treiber entspricht dem vertikalen Temperaturprofil der Atmosphäre. Das Grundkonzept besteht darin, dass warme Luft dazu neigt, aufzusteigen, da sie weniger dicht ist als die umgebende kältere Luft.
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Nehmen wir ein Luftteilchen an der Oberfläche und erhöhen wir seine Temperatur im Vergleich zur Umgebungsluft um einige Grad. Dieses Luftteilchen steigt auf. Beim Aufsteigen sinken Luftdruck und Temperatur. Wenn das Luftteilchen beispielsweise 10 Meter hoch ist und es immer noch wärmer als seine Umgebung ist, steigt es weiter und beschleunigt sogar. Trifft das Teilchen hingegen auf Umgebungsluft mit gleicher Temperatur, stoppt es seinen Aufstieg. Wir können uns also merken:

Hier sind die wichtigsten Erkenntnisse für Segler, die in eine stabile oder instabile thermische Atmosphäre segeln:

In diesem letzten Abschnitt wenden wir unser gesamtes Wissen über horizontale und vertikale Winde an, um die globale Windzirkulation über der Erde zu erklären. Wir konzentrieren uns insbesondere auf die globale Windzirkulation an der Meeresoberfläche, die Seefahrer nutzen, um mit dem Wind die Ozeane zu überqueren.

Die Ursache der globalen Luftzirkulation liegt darin, dass die Erde ungleichmäßig von der Sonne erwärmt wird. Der Äquator erhält mehr Wärme, die Pole weniger. Die globale Luftzirkulation wirkt wie eine Klimaanlage, die die Wärme vom Äquator zu den Polen umleitet. Dabei ist es wichtig, Lufttemperatur und Luftdruck miteinander zu verknüpfen. Warme Luft hat eine geringere Dichte und steigt auf, was zu einem niedrigeren Druck führt. Kalte Luft hingegen sinkt ab, wodurch der Luftdruck steigt.

Warme Luft steigt über dem Äquator auf und bewegt sich in großen Höhen zu den Polen. Beim Entfernen vom Äquator kühlt sie ab und sinkt ab. Die kühle Luft strömt an der Oberfläche zurück zum Äquator, wo sie sich wieder erwärmt. Dieses vereinfachte Modell verfügt für jede Hemisphäre über eine solche Zirkulationszelle. Die folgende Abbildung zeigt eine Hemisphäre im Vergleich zu einem Haus.

Die Erde rotiert jedoch, was aufgrund der Corioliskraft eine Luftzirkulation verursacht. Wenn sich die Luft in großen Höhen vom Äquator entfernt, lenkt die Corioliskraft den Wind ab. Ab 30° Breite verläuft der Wind parallel zum Äquator und hört weiter nach Norden oder Süden auf, sich zu bewegen. Dies führt dazu, dass die Luft am 30. Breitengrad und nicht am Pol absinkt. Daraus ergeben sich drei Zellen für jede Hemisphäre, wie unten dargestellt.

Zone A: Gebiete, in denen die Luft aufsteigt, zeichnen sich durch niedrigen Druck an der Oberfläche aus. Dies entspricht Gebieten mit Wolken und Regen (z. B. Äquatorialwälder und der Norden Großbritanniens).

Zone B: Gebiete, in denen die Luft absinkt, zeichnen sich durch Hochdruck aus. Hier ist der Himmel klar und es regnet wenig (z. B. das Azorenhoch, die Sahara und die Pole).

Diese drei Zellen erzeugen Winde an der Oberfläche, die ebenfalls durch die Corioliskraft abgelenkt werden.

Diese Winde (Zonen C und D) sind im Bild unten für das Vendée Globe-Rennen dargestellt.

Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren! Im nächsten Artikel, Meeresmeteorologie 3: Wolken , erkunden wir die Vielfalt der Wolken, untersuchen ihre Größe, Form, Höhe und was Sie aus ihrer Position und Bewegung über das bevorstehende Wetter lernen können.