Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

72
Inneres Sonnensystem
Die Exosphäre (> 500 km) schließt sich je nach Definition in 500 - 1000 km Höhe an. Hier ist der
Druck bereits so niedrig, daß von einem Vakuum gesprochen werden kann. Gasteilchen, die bis in eine
derartige Höhe transportiert werden, haben die Chance, den Einflußbereich der Erde zu verlassen.
Was auf der Erde gemeinhin als Klima und Wetter bezeichnet wird, spielt sich in der unteren
Troposphäre ab. Die Sonne erwärmt am stärksten die Äquatorregion, während die Polargebiete wegen
des tieferen Sonnenstands weniger Energie abbekommen. Es entsteht demnach ein Temperaturgradient
von den Polen zum Äquator. Nun ist allgemein bekannt, daß sich bei Erwärmung die Luft ausdehnt
(ihre Dichte wird geringer) und sich bei Abkühlung zusammenzieht (sie wird „schwerer“). Die
„schwere“ polare Luft sollte demnach am Erdboden in Richtung Äquator fließen, während die am
Äquator erwärmte Luft aufsteigt und sich in Richtung der Erdpole bewegt. Oder anders ausgedrückt,
man erwartet eine meridionale Zirkulation, bei welcher in Erdbodennähe der höchste Luftdruck an den
Polen und der niedrigste am Äquator zu finden ist. In den höheren Schichten der unteren Troposphäre
sollte es genau umgekehrt sein. Die Zirkulation versucht diesen Druckunterschied auszugleichen.
Der Druckunterschied zwischen zwei Gebieten führt zur Druckgradientenkraft F die bewirkt, daß
p
Luft immer von Hoch- zu Tiefdruckgebieten fließt, was man gemeinhin als Wind bezeichnet. Ihre
Größe läßt sich mit folgender Beziehung berechnen:
m
F p = − grad ( P)
[1.8]
ρ
m ist die Masse des Luftpakets und ρ dessen Dichte. Der Luftdruckunterschied (gemessen in Pa/m)
ist durch den Druckgradienten gegeben.
Dieses einfache Modell beschreibt die Wirklichkeit nur sehr schlecht. Die Strömungsverhältnisse in der
Erdatmosphäre sind bedeutend komplizierter. Ein Grund dafür ist die relativ schnelle Rotation der
Erde, die zu Trägheitskräften führt, welche die Luft- als auch die Meeresströmungen stark
beeinflussen. Interessant in diesem Zusammenhang ist nur die Corioliskraft
F = 2m
ω× v . [1.9]
c
π −
2
wobei ω die Winkelgeschwindigkeit der Erde ist ( ω =
T
eines Luftpakets ist.
= 7.27 ⋅10
5
) und v die Geschwindigkeit
Die Horizontalkomponente von (1.9) berechnet sich zu (mit ϕ =geographische Breite):
F = 2m ω sin ϕ v
[1.10]
CH
Sie wirkt immer unter einem rechten Winkel zur Bewegungsrichtung, also nach rechts auf der
Nordhalbkugel der Erde und nach links auf der Südhalbkugel. Obwohl die Größe der
Coriolisbeschleunigung nur sehr gering ist, hat sie doch einen entscheidenden Einfluß auf die
Meridionalzirkulation: Die in Richtung Äquator verlaufenden Strömungen führen demnach zu
Ostwinden, die warmen Strömungen in den oberen Schichten dagegen zu Westwinden. Aber auch
dieses Bild ist noch viel zu einfach, um die wahren Verhältnisse zu widerspiegeln. Durch
unterschiedliche Wolkenbedeckung und unterschiedlichen Untergrund kommt es natürlich zu keiner in