Der unermüdliche Kreislauf der Luft beginnt am Äquator, wo ständig warme Luft aufsteigt. Am Boden bildet sich eine ganze Kette von Tiefdruckgebieten, die sogenannte äquatoriale Tiefdruckrinne. Die aufgestiegene Luft bewegt sich in großer Höhe in Richtung der Pole. Weil sie unterwegs abkühlt, sinkt sie in den Subtropen bei etwa 30° nördlicher und südlicher Breite wieder ab und strömt am Erdboden als Passatwind zurück in Richtung Äquator. Der gesamte Windkreislauf um den Äquator wurde schon 1753 von dem englischen Wissenschaftler George Hadley beschrieben und wird darum „Hadley-Zelle“ genannt. (Als „Zelle“ bezeichnen Meteorologen eine kreisförmige Luftströmung.)

Auch rund um die Pole zirkulieren Luftmassen und bilden die beiden „polaren Zellen“: Weil am Pol kalte Luft zu Boden sinkt, entsteht an dieser Stelle ein Hochdruckgebiet. Von hier aus strömt am Boden kalte Luft in Richtung Äquator. Sobald sich diese Luftmasse ausreichend erwärmt hat, steigt sie wieder auf: Eine ganze Reihe von Tiefs entsteht rund um den 60. Breitengrad, die subpolare Tiefdruckrinne. Die Luft, die hier aufsteigt, fließt in der Höhe zurück zum Pol.

Zwischen polarer Zelle und Hadley-Zelle, etwa zwischen dem 30. und 60. Breitengrad treffen sich die Luftmassen der Polargebiete und der Passatzone: Hier hat sich die dritte große Windzelle breit gemacht. Nach ihrem Entdecker, dem Amerikaner William Ferrel, heißt sie auch „Ferrel-Zelle“. Weil in dieser Region kalte und warme Luftmassen aufeinandertreffen, herrscht hier oft wechselhaftes und regenreiches Wetter, das wir in Mitteleuropa gut kennen. Der Wind kommt vorherrschend aus westlicher Richtung. Darum wird die Region zwischen 40. und 60. Breitengrad in Europa Westwindzone genannt. Auch in der Höhe kommt der Wind aus Westen: An der Grenze zur polaren Zelle fließen starke Höhenwinde, die durch die Corioliskraft gedreht und nach Osten gelenkt werden – die sogenannten Jetstreams.

Auf jeder Halbkugel haben sich also drei große Windkreisläufe aufgebaut: die Hadley-Zelle, die Ferrel-Zelle und die polare Zelle. Warum es gerade drei sind, hängt mit der Geschwindigkeit der Erdrotation zusammen. Was passieren würde, wenn sich die Erde viel langsamer drehen würde, lässt sich mit dem Computer simulieren: Dann würde die warme Luft einfach am Äquator aufsteigen, abgekühlt am Pol wieder sinken und am Boden zurückfließen. Es gäbe auf jeder Hemisphäre nur eine große Windzelle. Je schneller man aber im Computermodell die Erde rotieren lässt, desto mehr Windzellen spalten sich ab. Bei der Simulation der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit der Erde kommt auch der Computer zum Ergebnis: Es gibt auf jeder Halbkugel genau drei große Windzellen.

Wind entsteht vor allem durch die Kraft der Sonne. Wenn die Sonnenstrahlen den Erdboden aufheizen, erwärmt sich darüber auch die Luft. Die Warmluft dehnt sich aus und wird dadurch dünner und leichter: die Luftmasse steigt nach oben. In Bodennähe entsteht so Tiefdruck. Wo es kalt ist, sinkt die Luft dagegen ab und am Boden bildet sich Hochdruck. Um den Druckunterschied zwischen benachbarten Luftmassen auszugleichen, strömt kältere Luft dorthin, wo warme Luft aufsteigt. Das geschieht umso schneller, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Luftschichten ist. So gerät die Luft in Aktion – es weht ein mehr oder weniger starker Wind.

Besonders gut lässt sich die Entstehung von Wind am Meer beobachten. Tagsüber erwärmt sich die Luft über dem Land schneller als über dem Wasser. Die warmen Luftmassen steigen nach oben und saugen die kühle und schwere Luft über der See an: Der Wind weht vom Meer zum Land. Nachts ändert der Wind seine Richtung. Weil das Wasser die Wärme länger speichert als das Land, ist auch die Luft darüber noch wärmer und steigt auf. Dann bläst der Wind vom Land zum Meer.

Woher der Wind weht, wird immer mit der Himmelsrichtung angegeben. In unseren Breiten ist das oft aus westlicher Richtung, wir leben in der sogenannten Westwindzone. Die heißen Passatwinde wehen dagegen zuverlässig aus östlicher Richtung zum Äquator hin. Und die polaren Ostwinde transportieren eisige Luftmassen vom Pol zum Polarkreis.

Sie ist benannt nach dem französischen Wissenschaftler Gaspard Gustave de Coriolis, der sie im Jahr 1835 als erster mathematisch untersuchte. Ursache für die Corioliskraft ist die Drehung der Erde um die eigene Achse: Am Äquator dreht sich die Erde mit 1670 Kilometern pro Stunde nach Osten, in Richtung der Pole nimmt die Geschwindigkeit immer weiter ab. Strömen Luftmassen vom Äquator zum Nordpol, nehmen sie den Schwung nach Osten mit und bewegen sich dann schneller als die Erdoberfläche. Von der Erdoberfläche aus betrachtet, sieht es so aus, dass sie von ihrem Nordkurs nach Osten – also nach rechts – abgelenkt werden. Umkehrt werden Luftmassen, die vom Pol zum Äquator strömen, von der Erdoberfläche überholt, werden also auf ihrem Südkurs nach Westen – ebenfalls nach rechts – abgelenkt.

Auf dem Weg zum Südpol sind die Richtungen umgekehrt: Luftmassen auf dem Weg zum Pol werden von ihrem Südkurs nach Osten, also nach links abgelenkt – ebenso wie die Luftmassen auf Nordkurs Richtung Äquator, die nach Westen abgelenkt werden. So führt also die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel zu einer Rechtsablenkung, auf der Südhalbkugel zu einer Linksablenkung, und zwar um so stärker, je näher man den Polen kommt.

Auf diese Weise beeinflusst die Corioliskraft das globale Windsystem, die großen Luftströmungen auf der Erde. Damit hat sie einen großen Einfluss auf das Wetter: In unseren Breiten zum Beispiel strömt die Luft Richtung Nordpol und wird daher nach Osten abgelenkt. Bei uns kommt der Wind also meistens aus Westen, vom Atlantik her und bringt deshalb eher feuchte Luft mit gemäßigten Temperaturen. Auch die Jetstreams verdanken ihre Richtung der Corioliskraft.

Sogar tropische Wirbelstürme mit einigen 100 Kilometern Durchmesser entstehen mit Hilfe der Corioliskraft. Denn durch sie beginnt sich feuchtheiße Luft zu drehen bis sie zum zerstörerischen Wirbel heranwächst. Die Corioliskraft wirkt sich aber nicht nur auf große Luftmassen aus, sie lenkt auch Meeresströmungen ab. So ist es zu erklären, dass der warme Golfstrom auf dem Weg nach Norden nach rechts driftet und große Teile Nordeuropas beheizt.

Ohne die Sonne gäbe es kein Leben auf diesem Planeten, jedenfalls nicht so wie wir es heute kennen. Die Sonne ist eine gigantische Energiequelle, die Licht und Wärme ins Weltall strahlt. Ein Teil ihrer Strahlung erreicht auch die Erde. Diese Energie erwärmt unsere Atmosphäre, den Erdboden und die Meere.

Am stärksten heizt die Sonne die Gegend um den Äquator auf, denn dort treffen ihre Strahlen senkrecht auf eine relativ kleine Fläche. Die Pole erreichen die Sonnenstrahlen dagegen in einem flacheren Winkel. Hier verteilt sich die Sonnenenergie daher auf eine größere Fläche; und in diesen Regionen bleibt es kühler. So sorgt die verschieden starke Sonneneinstrahlung für unterschiedliche Klimazonen. Auch Jahreszeiten und Wetter sind das Ergebnis von unterschiedlich starker Sonneneinstrahlung.

Würde die Erde die gesamte Sonnenenergie speichern, wäre es hier in kürzester Zeit unerträglich heiß. Das ist schon an einem heißen Sommertag zu spüren, wenn die Temperatur nach Sonnenaufgang in kürzester Zeit auf 30 Grad Celsius klettert. Damit das Klima über Jahrhunderte stabil bleiben kann, muss die Erde etwa die gleiche Menge der gelieferten Sonnenenergie auch wieder loswerden.

Das geschieht durch die Strahlung der Erde ins All. Etwa ein Drittel der Sonnenenergie wird von Atmosphäre, Landfläche, Gewässern und Eismassen sofort zurückreflektiert. Den Rest an Energie nimmt die Erde zunächst in Form von Wärme auf. Diese Wärme gibt sie dann langsam und in alle Himmelsrichtungen wieder an den Weltraum ab.

Ihren Ursprung haben die Passatwinde am Äquator. Dort treffen die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Erde und heizen die Luft sehr stark auf. Die Luftmassen dehnen sich aus und steigen auf. Oben breiten sie sich in Richtung der Wendekreise aus. Weil die Luft auf dieser Reise abkühlt, sinkt sie nach einer Weile wieder nach unten und sorgt am Boden für Hochdruck. So bilden sich in etwa 30° nördlicher und südlicher Breite eine ganze Reihe von Hochdruckgebieten: der subtropische Hochdruckgürtel. Zu diesem subtropischen Hochdruckgürtel gehört zum Beispiel das Azorenhoch, das sich stark auf das Wetter in Europa auswirkt.

Am Äquator selbst sind durch die aufsteigenden Luftmassen Gebiete mit tiefem Luftdruck entstanden. Durch diesen Unterdruck werden Luftmassen vom subtropischen Hochdruckgürtel angesaugt, die Passatwinde. Diese wehen allerdings nicht direkt vom Hoch zum Tief, sondern werden durch die Corioliskraft abgelenkt. Darum weht der Passat auf der Nordhalbkugel immer aus Nordost, auf der Südhalbkugel aus Südost. Am Äquator treffen diese Passatwinde aufeinander. Durch die starke Sonneneinstrahlung steigt die Luft erneut nach oben, so dass es fast windstill ist. Hier schließt sich der Kreislauf der Passatwinde, die Teil eines globalen Windmusters sind.

Weil der Stand der Sonne im Lauf eines Jahres wandert, verlagert sich auch der Ort der stärksten Sonneneinstrahlung. Dadurch verschiebt sich die ganze Passatzirkulation um einige Breitengrade zwischen Nord und Süd.

Die Strahlung der Sonne ist nicht überall auf der Erde gleich stark. Wie intensiv sie die Erde erwärmt, hängt vom Winkel der Sonneneinstrahlung und damit vom Breitengrad ab. Weil die Sonne in der Nähe des Äquators das ganze Jahr über fast senkrecht steht, wird die Erde hier sehr stark aufgeheizt. In Richtung der Pole treffen die Sonnenstrahlen in einem immer flacheren Winkel auf: Die gleiche Sonnenenergie verteilt sich auf eine immer größere Fläche. Daher wird es umso kühler, je größer die Entfernung zum Äquator ist. So entstehen Regionen mit unterschiedlichem Klima, die Klimazonen.

Nach der Stärke der Sonneneinstrahlung lassen sich vier verschiedene Klimazonen auf dem Festland der Erde einteilen: Die Tropen rund um den Äquator, die Subtropen (vom lateinischen Wort „sub“ für „unter“) zwischen dem 23. und dem 40. Breitengrad, die gemäßigte Zone unserer Breiten und die Polargebiete um Nord- und Südpol. Wie Gürtel ziehen sie diese Klimazonen in Ost-West-Richtung um die Erde.

Das Klima hängt jedoch nicht nur vom Breitengrad ab, auch andere Einflüsse spielen eine Rolle. So liegt auf dem Kilimandscharo Schnee, obwohl er in den Tropen liegt. Dass sein Gipfel vereist ist liegt daran, dass die Temperatur mit zunehmender Höhe sinkt. Gebirgsklima ist also immer kühler als tiefer liegende Gebiete.

Auch die Entfernung zum Meer wirkt sich aufs Klima aus: Wasser kann Sonnenwärme länger speichern als das Festland. Außerdem wärmt es sich langsamer auf als das Land. Dadurch wirkt das Meerwasser wie ein Puffer auf die Temperaturen. In Küstennähe ist das Klima daher mild. Im Landesinneren fehlt dieser Wärmeausgleich und es herrscht kontinentales Klima, bei dem die Temperaturen viel stärker schwanken als im maritimen Klima in der Nähe des Meeres.

Angetrieben werden die Meeresströmungen durch den unterschiedlichen Salzgehalt und durch die unterschiedliche Temperatur von Meerwasser. Wo Meerwasser gefriert, wird Salz frei. Das Meerwasser unter einer Eisschicht ist darum besonders salzig – und gleichzeitig dichter und schwerer. Es sinkt nach unten und zieht weitere Wassermassen mit sich. In mehreren tausend Metern Tiefe fließt das Wasser zurück in wärmere Regionen. Dort steigt es wieder auf und der Kreislauf schließt sich.

An der Wasseroberfläche setzen zusätzlich Winde das Wasser in Bewegung. Der Wind verursacht eine Strömung an der Oberfläche. Diese Strömung bewegt sich nicht genau in Windrichtung, sondern wird durch die Coriolis-Kraft abgelenkt: Auf der Nordhalbkugel lenkt die Coriolis-Kraft das Wasser in Strömungsrichtung gesehen nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Auch die Winde werden von der Corioliskraft beeinflusst.

Durch die verschiedenen Einflüsse, wie Temperaturunterschiede des Wassers, Wind und die Coriolis-Kraft, entsteht an der Oberfläche und in der Tiefe der Ozeane ein Muster, das sich aus vielen einzelnen Strömungen zusammensetzt: Ein weltweiter Kreislauf, der auch das „globale Förderband“ genannt wird.