Passatwinde

Es gibt Gebiete auf der Erde, da bläst der Wind immer aus der gleichen Richtung. In den Tropen zum Beispiel – der Region um den Äquator – wehen Passatwinde aus östlicher Richtung. Früher nutzten Seefahrer diese Tatsache: Sie richteten die Routen ihrer Segelschiffe nach der Windrichtung. Mit Unterstützung des Ostwinds war eine sichere Überfahrt von Europa über den Atlantik nach Nordamerika möglich. Von dieser Überfahrt – auf italientisch „passata“ – erhielten die verlässlichen Winde auch ihren Namen: Passatwinde. Weil sie trockenheiße Luft transportieren, dörren sie den Boden aus. Im Bereich der Passatwinde liegen große Wüsten wie die Sahara im nördlichen und die Kalahari im südlichen Afrika, die australischen Wüsten oder die Atacama in Südamerika.

Große Segler richteten ihre Route nach den Passatwinden
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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.

Von Passatwinden ausgedörrt: die Wüste Sahara
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Über den Azoren bildet sich regelmäßig ein Hochdruckgebiet – das Azorenhoch
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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.

Am Äquator treffen sich die Passatwinde…
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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 heiße Luft steigt auf.
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Wie entsteht Wind?

An der Küste weht oft ein frischer Wind. Bläst er besonders kräftig, ist auch von einer steifen Brise die Rede. Aber nicht nur am Meer – überall auf der Erde ist Luft in Bewegung. Nur an wenigen Orten der Erde weht nicht das leiseste Lüftchen, wie in der Kalmenzone am Äquator – benannt nach dem französischen Wort für Flaute: „calme“. Diese windstille Gegend war früher von Seefahrern gefürchtet, denn die Segelschiffe kamen dort wochenlang nicht vom Fleck. Doch woran liegt es, dass manchmal Flaute herrscht und manchmal ein heftiger Sturm übers Land fegt?

Am Strand ist es oft windig
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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.

Bei Flaute macht Segeln keinen Spaß
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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.

Die Kraft der Sonne …
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…versetzt die Luft in Bewegung
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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.

Zum Kitesurfen braucht man natürlich Wind
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Woher weht der Wind?
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Die Wirkung von Sonnenlicht

Im Inneren der Sonne ist es unvorstellbar heiß: Ganze 15 Millionen Grad herrschen hier. An der Oberfläche der Sonne sind es immerhin noch 5.600 Grad Celsius. Damit ist die Sonne weißglühend und erscheint unserem Auge als weiße Kugel.

Die Sonne strahlt Licht und Wärme in alle Richtungen
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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.

Ihre Energie erreicht auch die Erde
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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.

Am Nordpol verteilen sich die Sonnenstrahlen auf eine große Fläche
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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.

Wo die Sonne scheint, wird es schnell warm
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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.

Tag und Nacht gibt die Erde Wärme ab
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Hoch und Tief – der Luftdruck

Die Erde besitzt eine dicke Verpackung aus Luft, die Atmosphäre. Diese Lufthülle bemerken wir nur, wenn sie sich bewegt. Dann spüren wir einen feinen Lufthauch oder einen starken Wind. Doch obwohl sie uns schwerelos erscheint, hat diese Luft ganz schön viel Gewicht: Auf jeden einzelnen Quadratzentimeter Erde drückt ein ganzes Kilo Luft. Rechnet man aus, was dadurch auf unseren Schultern lastet, kommt erstaunliches heraus: Es sind mehrere hundert Kilogramm! Dass wir unter diesem Gewicht nicht zusammengedrückt werden, liegt am Gegendruck, den unser Körper erzeugt.

Als Wind spürbar: die Luft
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Durch ihre Schwere übt die Luft also einen Druck auf die Erdoberfläche aus: den Luftdruck. Je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt, desto geringer wird er. Das ist deutlich in den Ohren zu spüren, wenn man in einem Flugzeug sitzt, das aufsteigt oder sinkt.

Beim Starten und Landen eines Flugzeuges drückt es in den Ohren
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Mit einem Barometer lässt sich der Luftdruck messen
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Aber nicht nur die Höhe, auch die Temperatur wirkt sich auf den Luftdruck aus. Denn warme Luft dehnt sich aus, ist leichter und steigt auf: Der Luftdruck am Boden sinkt. Kalte Luft dagegen ist schwerer und fällt nach unten: Der Luftdruck in Bodennähe steigt. Werden die Luftmassen an verschiedenen Orten der Erde unterschiedlich erwärmt, entstehen Gebiete mit hohem und Gebiete mit niedrigem Luftdruck: die Hoch- und Tiefdruckgebiete. In den Hochdruckgebieten sinken die Luftmassen und erwärmen sich. Wolken lösen sich auf, der Himmel ist blau und die Sonne scheint. Tiefdruckgebiete sorgen dagegen für schlechtes Wetter: Beim Aufsteigen der feuchtwarmen Luft bilden sich beim Abkühlen in der Höhe Wolken und es kann regnen.

Tiefdruckgebiete bringen schlechtes Wetter…
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Auf Wetterkarten sind die Hoch- und Tiefdruckgebiete mit den Buchstaben H für Hoch und T für Tief eingezeichnet. Gebiete mit gleichem Luftdruck werden auf den Karten durch Linien voneinander abgegrenzt, die so genannten Isobaren.

Wetterkarte mit Isobaren
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Die Druckunterschiede zwischen Hoch und Tief gleicht der Wind wieder aus: Von den Hochdruckgebieten weht er immer in Richtung Tief. Weil er dabei durch die Corioliskraft abgelenkt wird, können die Luftmassen nicht direkt vom Hoch zum Tief strömen. Statt kerzengerade zu fließen, machen sie eine Schlangenlinie. Auf der Nordhalbkugel drehen sie nach rechts und umkreisen daher das Hoch im Uhrzeigersinn, das Tief entgegen dem Uhrzeigersinn. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

Das globale Windsystem

Rund um den Erdball strömen die Luftmassen der Atmosphäre: Sie steigen auf und sinken, treffen aufeinander und vermischen sich. Das geschieht allerdings nicht wild durcheinander, sondern die Winde folgen einem ganz bestimmten Muster. Beeinflusst wird dieses globale Windsystem (auch planetarische Zirkulation genannt) vor allem durch die Einstrahlung der Sonne und durch die Corioliskraft.

Die Kraft der Sonne treibt den Wind an
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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.)

Windig ist es oft an der Küste
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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.

Am Äquator steigt heiße Luft auf
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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.

Am Südpol herrscht Hochdruck – genau wie am Nordpol
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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.

Luft ist ständig in Bewegung
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Was ist die Corioliskraft?

Flugzeuge, die von New York nach Frankfurt fliegen, haben ordentlich Rückenwind. Der Wind, der sie antreibt, bläst in etwa 10 Kilometern Höhe von West nach Ost. Jetstream heißt diese starke Luftströmung, die bis zu 500 km/h schnell sein kann. Ihre Richtung ist das Ergebnis der so genannten Corioliskraft.

Rückenwind für Flugzeuge: der Jetstream
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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.

An den Polen ist die Corioliskraft am größten
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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.

Hurrikans entstehen über tropischen Meeren
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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.

Cornwall in England: Mildes Klima durch den warmen Golfstrom
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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.

Die Weltumsegler sind zurück

Nur ein Schiff hat überlebt

Großer Empfang im spanischen Hafen Sanlúcar: Nach fast drei Jahren kehrt die „Victoria“ von ihrer Expedition zurück. Doch die Freude ist getrübt. Von den fünf Schiffen der Flotte kommt nur dieses eine wieder zurück, und von den 237 Mann Besatzung haben nur 18 überlebt. Auch der Leiter der Expedition, der Portugiese Ferdinand Magellan (42) kam unterwegs ums Leben.

So konnte er den großen Triumph nicht mehr selber erleben: Seiner Expedition ist es zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit gelungen, die Welt vollständig zu umrunden! Ferdinand Magellan war mit seinen fünf Schiffen am 10. August 1519 von Sevilla aufgebrochen. Er war unterwegs im Auftrag der spanischen Krone, die Westroute zu den lukrativen Gewürzinseln im Pazifischen Ozean zu finden. Dies war nötig, nachdem die konkurrierende Seemacht Portugal den Seeweg in östlicher Richtung um das afrikanische Kap der guten Hoffnung für sich vereinnahmt hatte.

An der Südspitze Südamerikas haben Magellan und seine Mannschaft nach einer beschwerlichen Suche das langersehnte „Tor zum Westen“ entdeckt. Ende November 1520 segelten sie durch eine enge, 600 Kilometer lange Meeresstraße in den pazifischen Ozean.

Doch die Rückschläge blieben nicht aus. Bei dem Versuch, Inseln der neuentdeckten Philippinen für die spanische Krone einzunehmen, fiel Kapitän Magellan den Lanzen und Giftpfeilen der Eingeborenen zum Opfer. Zahlreiche Besatzungsmitglieder starben mit ihm in den Kämpfen, andere schon in den Monaten zuvor an der katastrophalen Versorgungslage auf den Schiffen. Man habe sich von in Salzwasser gekochtem Leder und Ratten ernähren müssen, berichtet ein Besatzungsmitglied. Viele starben an Skorbut.

Doch die Überlebenden können stolz auf sich sein. Sie sind die ersten Menschen, die einmal rund um die Welt reisten. So erbrachten sie den endgültigen Beweis: Die Erde ist eine Kugel. Und neben Ruhm, Ehre und Erkenntnis brachten sie über 26 Tonnen wertvoller Gewürze mit nach Hause.

Magellanstraße
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Ferdinand Magellan
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Kolumbussäule in Barcelona
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Erdkugel größer als vermutet

Die Logbucheinträge der „Victoria“ werden nun den Wissenschaftlern einige Hausaufgaben aufgeben. Es scheint, dass man bislang den Umfang der Erde zu gering eingeschätzt hat.

Das prominenteste Opfer dieser Fehleinschätzung war Christoph Kolumbus. Er wollte ebenfalls die Westroute nach Indien finden, ging aber von etwa einem viertel weniger Erdumfang aus. Vom neuen Kontinent im Westen wusste man damals noch überhaupt nichts, Asien wurde als zu groß und der Pazifische Ozean als zu klein eingeschätzt. Als er 1492 auf die Bahamas stieß war er deshalb fest überzeugt „Indien“ entdeckt zu haben.

Nun sieht es so aus, als sollte der griechische Wissenschaftler Eratosthenes recht behalten. Bereits 240 vor Christus hatte er mit einfachsten Methoden Messungen angestellt und daraus einen Erdumfang von etwa vierzigtausend Kilometern errechnet.