Überblick

Durch die Kugelgestalt der Erde erfahren die verschiedenen Breitenkreiszonen der Erde eine unterschiedlich starke Energiezufuhr durch die Sonne. Mit zunehmend flacherem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen an der Erdoberfläche vom Äquator hin zu den Polen nimmt die Energiezufuhr mehr und mehr ab. Die intensive Sonneneinstrahlung im Bereich der Tropen und Subtropen führt dort zu einem Energieüberschuss gegenüber den höheren Breiten. Die Atmosphäre versucht, diese Energiegegensätze zwischen äquatorialen und polaren Breiten auszugleichen, ansonsten würden sich die Tropen immer weiter aufheizen und die polaren Breiten immer weiter abkühlen

Das „Ein-Zellen-Modell“

In Äquatornähe steigen warme und damit leichtere Luftmassen auf. Am Boden stellt sich mit der äquatorialen Tiefdruckrinne ein Bereich tiefen Luftdrucks ein, während sich in den oberen Atmosphärenschichten ein Höhenhoch bildet. Im Bereich der Pole sinken die kalten und damit schweren Luftmassen ab. Auf diese Weise entsteht über den Polen ein Höhentief, während sich durch die in den unteren Schichten der Atmosphäre sammelnden Luftmassen ein bodennahes Kältehoch entwickelt. So entsteht zwischen den äquatorialen und polaren Breiten vor allem in der Höhe ein starker Luftdruckgegensatz, der ausgeglichen werden will.

Das „Drei-Zellen-Modell“

Ganz so einfach wie in diesem „Ein-Zellen-Modell“ erfolgt der Ausgleich allerdings nicht. Die Luftdruckunterschiede in den höheren Atmosphärenschichten verursachen zwar eine Ausgleichsströmung, die von den äquatorialen Regionen in Richtung der polaren Breiten verläuft. Durch die ablenkende Wirkung der Erdrotation (Corioliskraft bzw. Coriolisablenkung) werden die Luftströmungen jedoch mit zunehmender Entfernung vom Äquator immer stärker abgelenkt – auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Auf diese Weise entstehen im Bereich der größten Luftdruckgegensätze eng begrenze Zonen großer Windgeschwindigkeiten in der Höhe: der Subtropenjet und der Polarfrontjet.

Durch absinkende Luftmassen im Bereich der Subtropen entstehen dort vor allem über den Meeresflächen stabile bodennahe Hochdruckzellen. Sie führen zu einer bodennahen Ausgleichsströmung in Richtung des tiefen Luftdrucks entlang der innertropischen Konvergenzzone am Äquator, wo sie infolge der Ablenkung durch die Corioliskraft als Nordost- und Südostpassat zusammenströmen.

Zwischen den subtropischen Hochdruckzellen und dem Polarfrontjet bildet sich auf beiden Halbkugeln eine Westwindzone aus, in deren Bereich unter dem Einfluss des Jetstreams dynamische Tiefdruckgürtel für einen Großteil des Energieaustauschs zwischen den warmen tropischen-subtropischen und kalten polaren Luftmassen sorgen. Im Bereich der Polarregionen stellen sich als Ausgleichsströmung zum tiefen Luftdruck der mittleren Breiten bodennahe Ostwinde ein.

Auf diese Weise findet der Luftmassen- und damit Energieaustausch zwischen den äquatorialen und polaren Breiten in Form von drei meridionalen Zirkulationszellen statt, der Hadley-Zelle, der Ferrel-Zelle und der polaren Zelle.