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Dieser Artikel untersucht die Ursprünge des Windes und die ihn antreibenden Kräfte. Anschließend wenden wir dieses Wissen auf Wetterkarten an, um Seeleuten zu helfen, bodennahe Windmuster zu interpretieren und so bessere Navigationsinformationen zu gewinnen.

Wir untersuchen auch den Vertikalwind. Obwohl er von Seeleuten nicht direkt wahrgenommen wird, kann er die Bedingungen auf See beeinflussen. Abschließend betrachten wir die globale Windzirkulation und ihren Einfluss auf Wettersysteme.

Wind ist eine Luftbewegung, die durch einen Luftdruckunterschied entsteht. Die Luft wird von einem Gebiet mit hohem Druck zu einem Gebiet mit niedrigem Druck gedrückt. Wenn man ein Loch in einen Fahrradreifen sticht, entweicht die Luft so lange, bis sich der Druck zwischen der Luft im Inneren und der Luft im Äußeren ausgeglichen hat. Das ist der Versuch der Natur, ihr Gleichgewicht wiederherzustellen.

Die Windphysik funktioniert ähnlich. An der Erdoberfläche, wo Hochdruck- und Tiefdruckgebiete existieren, wird Luft vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet gedrückt. Diese Kraft wird als Druckgradientenkraft bezeichnet. Sie ist proportional zur Druckdifferenz über eine bestimmte Strecke. Je stärker der Druck auf kurzer Distanz abnimmt, desto größer ist also die Kraft.

Man könnte meinen, der Wind wehe geradlinig von Hoch- zu Tiefdruckgebieten. Doch so einfach ist es nicht. Die Erdrotation erzeugt eine weitere Kraft, die sogenannte Corioliskraft .

Diese Kraft ist nicht auf den Wind beschränkt, sondern wirkt auf jedes sich bewegende Objekt in einem rotierenden System. Um dies zu verstehen, betrachten wir einmal ein Karussell, das sich gegen den Uhrzeigersinn dreht und auf dem vier Personen an den Rändern einander gegenüber sitzen. Wirft eine Person einen Ball zu der Person vor ihr, erreicht der Ball nicht die anvisierte Person, da diese sich aufgrund der Drehung des Karussells aus dem Weg bewegt hat. Stattdessen fängt die Person rechts von ihr den Ball, da dieser durch die sogenannte Corioliskraft nach rechts abgelenkt wurde.

Die Corioliskraft wird in diesem 25-sekündigen Video veranschaulicht:

Die Erde dreht sich zwar auch gegen den Uhrzeigersinn wie ein Karussell, aber viel langsamer, nämlich einmal in 24 Stunden. Daher ist der Coriolis-Effekt beim Werfen eines Balls nicht spürbar. Auf der Erde hingegen ist der Coriolis-Effekt bei Objekten zu beobachten, die sich mit hoher Geschwindigkeit und/oder über große Entfernungen bewegen (wie Scharfschützengeschosse und Artilleriegranaten), oder bei der Luftzirkulation über große Distanzen.

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

Die Erde ist nicht flach wie ein Karussell, weshalb die Corioliskraft je nach Breitengrad variiert. Am Nordpol ist die Corioliskraft am größten und wirkt nach rechts. Am Äquator ist sie null. Auch am Südpol ist sie am größten, wirkt aber in die entgegengesetzte Richtung und wirkt somit nach links. Um dies zu verstehen, muss man sich für jeden Breitengrad ein Karussell vorstellen, das die Erde an dieser Stelle schneidet, und die Luftgeschwindigkeit auf die Ebene des Karussells projizieren.

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

Der Wind weht nie geradlinig, sondern beschreibt Kurven. Diese Kurvenbewegung erzeugt eine Zentrifugalkraft auf die Luftteilchen, die sie aus der Kurve herausdrückt. Dieselbe Zentrifugalkraft spürt man auch, wenn man mit dem Auto eine schnelle Kurve fährt und der Körper nach außen gedrückt wird.
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Addiert man diese drei Kräfte – Druck, Corioliskraft und Zentrifugalkraft – und nimmt an, dass sie sich gegenseitig aufheben, so spricht man von Gradientenwind. Unter der Annahme, dass der Gradientenwind, ähnlich dem geostrophischen Wind, parallel zu den Isobaren weht, verringert oder erhöht sich die Windgeschwindigkeit je nach Krümmung der Erdoberfläche.

Wenn der Wind um ein Tiefdruckgebiet dreht, wirkt die Zentrifugalkraft der Druckkraft entgegen. Daher ist der Gradientenwind bei zyklonaler Krümmung geringer als der geostrophische Wind (der Wind wird typischerweise überschätzt, wenn man nur die Druckgradientenkraft um ein Tiefdruckgebiet betrachtet).

Die Luftteilchen erfahren an der Oberfläche Reibung (sowohl über Land als auch über Wasser, jedoch stärker über Land). Dadurch werden sie abgebremst. Die Reibung bremst also den Wind in Bodennähe, was zu einer geringeren Coriolis- und Zentrifugalkraft führt, während die Druckkraft gleich bleibt. Die Strömung gerät dadurch aus dem Gleichgewicht, wobei die Druckkraft überwiegt und schließlich mehr Luftteilchen anzieht. Folglich wird der Wind in Richtung niedrigerer Druckzonen und weg von hohen Druckzonen abgelenkt. Für Segler ist Folgendes wichtig zu wissen:

Da die Reibung die Luft in Richtung des Tiefdruckgebiets ablenkt, bedeutet dies, dass die Luft aus allen Richtungen zum Zentrum des Tiefdruckgebiets strömt. Die Luft kann nur nach oben strömen und steigt daher im Zentrum des Tiefs auf (vertikale Aufwärtsbewegung).
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Da die Reibung die Luft von einem Hochdruckgebiet nach außen ablenkt, ist der Effekt umgekehrt, und die Luft sinkt im Zentrum des Hochdruckgebiets ab (vertikale Abwärtsbewegung).

Dies wird in der folgenden Abbildung zusammengefasst:

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

Die untenstehende Karte zeigt eine Isobarenkarte der Erdoberfläche. Die braunen Linien stellen Linien gleichen Luftdrucks dar. Hier sind einige wichtige Konzepte, die Sie in der Abbildung unten erkennen können:

Die Abbildung unten zeigt ein weiteres Beispiel einer Druckkarte aus Bracknell. Beachten Sie die Skala in der oberen linken Ecke zur Abschätzung des geostrophischen Windes an der Oberfläche.

Die untenstehende Karte zeigt ein Tiefdruckgebiet über Land. Der bodennahe Wind, in der Abbildung grün dargestellt, weht nicht parallel zur Isobare, sondern wird aufgrund der Reibung zum Zentrum des Tiefdruckgebiets hin abgelenkt.

Die untenstehende Karte zeigt ein Tiefdruckgebiet über Land. Der Wind an der Oberfläche, wie die Windpfeile in der Abbildung unten zeigen, weht nicht parallel zur Isobare, sondern wird aufgrund der Reibung zum Zentrum des Tiefdruckgebiets hin abgelenkt.

Wolken sind ein guter Indikator für vertikale Winde, und wir empfehlen Ihnen, den Artikel über Wolken zu lesen - Marine Meteorologie: Wolken .

Vertikal- und Horizontalwinde hängen zusammen. Der Vertikalwind beeinflusst die Stabilität des Horizontalwinds. Diese Stabilität ist für Segler von großer Bedeutung, da man bei instabilem Horizontalwind mit drehenden und/oder böigen Bedingungen segelt.

Die Stabilität beschreibt die Tendenz der Atmosphäre, die vertikale Luftbewegung zu verringern oder zu beschleunigen. Ein wichtiger Faktor für den vertikalen Wind ist die Thermik .

Der thermische Faktor entspricht dem vertikalen Temperaturprofil der Atmosphäre. Das Grundprinzip besteht darin, dass warme Luft aufgrund ihrer geringeren Dichte im Vergleich zur umgebenden kälteren Luft aufsteigt.
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Nehmen wir ein Luftteilchen an der Erdoberfläche und erhöhen seine Temperatur um einige Grad gegenüber der Umgebungsluft. Dieses Luftteilchen steigt auf. Mit zunehmender Höhe nehmen der Luftdruck und die Temperatur des Luftteilchens ab. Erreicht das Luftteilchen beispielsweise eine Höhe von 10 Metern und ist es dort immer noch wärmer als seine Umgebung, steigt es weiter und beschleunigt sich sogar. Trifft das Teilchen hingegen auf Umgebungsluft mit der gleichen Temperatur, hört es auf zu steigen. Wir können uns also merken:

Hier 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 dabei insbesondere auf die globale Windzirkulation an der Meeresoberfläche, die Seeleute nutzen, um die Ozeane mit dem Wind zu überqueren.

Die globale Luftzirkulation entsteht durch die ungleichmäßige Erwärmung der Erde durch die Sonne. Der Äquator erhält mehr Wärme als die Pole. Die globale Luftzirkulation wirkt wie eine Klimaanlage und verteilt die Wärme vom Äquator zu den Polen. An dieser Stelle ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und Luftdruck zu verstehen. Warme Luft ist weniger dicht und steigt auf, wodurch der Luftdruck sinkt. Kalte Luft hingegen sinkt ab, wodurch der Luftdruck steigt.

Warme Luft steigt über dem Äquator auf und strömt in großen Höhen zu den Polen. Mit zunehmender Entfernung vom Äquator kühlt sie ab und sinkt ab. Die kühle Luft strömt an der Erdoberfläche zurück zum Äquator, wo sie sich wieder erwärmt. Dieses vereinfachte Modell enthält für jede Hemisphäre eine solche Zirkulationszelle, die unten dargestellt ist und eine Hemisphäre mit einem Haus vergleicht.

Die Erdrotation verursacht jedoch aufgrund der Corioliskraft eine Luftzirkulation. In großen Höhen, wenn sich die Luft vom Äquator entfernt, lenkt die Corioliskraft den Wind ab. Ab dem 30. Breitengrad verläuft der Wind parallel zum Äquator und bewegt sich nicht weiter nach Norden oder Süden. Dadurch sinkt die Luft am 30. Breitengrad ab, anstatt an den Polen. Dies führt zu drei Zellen pro Hemisphäre, wie unten dargestellt.

Zone A: Gebiete, in denen die Luft aufsteigt, zeichnen sich durch niedrigen Luftdruck am Boden aus. Dies entspricht Gebieten mit Wolken und Regen (z. B. äquatoriale Wälder und der Norden Großbritanniens).

Zone B: Gebiete, in denen die Luft absinkt, zeichnen sich durch hohen Luftdruck aus. Hier herrscht klarer Himmel und es regnet wenig (z. B. das Azorenhoch, die Sahara und die Pole).

Diese 3 Zellen erzeugen Winde an der Oberfläche, die ebenfalls durch die Corioliskraft abgelenkt werden.

Diese Winde (Zonen C und D) sind in der untenstehenden Abbildung für das Vendée Globe-Rennen dargestellt.

Um mehr zu erfahren, lesen Sie weiter! Im nächsten Artikel, Meeresmeteorologie 3: Wolken , erforschen wir die ganze Vielfalt der Wolken und untersuchen ihre Größe, Form, Höhe und was man aus ihrer Lage und Bewegung über das bevorstehende Wetter ableiten kann.