Vertikale Aufbau der Atmosphäre
Da die vertikale Ausdehnung der Atmosphäre klein ist gegenüber ihren horizontalen Dimensionen, darf die vertikale Struktur der Atmosphäre nicht außer acht gelassen werden. Sie bedarf einer eingehenden Betrachtung.
Um eine entsprechende Kenntnis über die vertikale Verteilung der thermodynamischen Variablen (Druck, spezifisches Volumen bzw. Dichte, Temperatur) zu erhalten, geht man am besten von der Modellvorstellung einer relativ zur Erdoberfläche ruhen Atmosphäre aus.
In diesem Fall rotiert die gesamte Atmosphäre ( in starrer Verbindung mit der festen Erde) mit der Winkelgeschwindigkeit der Erde. Die Flächen gleichen Geopotentials fallen dann mit dem äquuiskalaren Flächen der thermodynamischen Variablen zusammen und weisen daher keine horizontalen Gradienten mehr auf. Diese Modellannahme führt zum hydrostatischen Gleichgewicht.
Hydrostatische Gleichgewicht
In einer derartig geschichteten Atmosphäre herrscht ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft der Erde und der Druckgradientkraft. Dieses Gleichgewicht bezeichnet man als hydrostatisches Gleichgewicht und als hydrostatische Grundgleichung.
Da der Gradient senkrecht auf die Flächen gleichen Geopotentials ( = horizontale Flächen) steht, muß entsprechend der horizontalen Druckgradient verschwinden; oder mit anderen Worten: In einer im hydrostatischen Gleichgewicht befindlichen Atmosphäre fallen die Flächen gleichen Druckes mit den Flächen gleichen Geopotentials zusammen.
Da nun im hydrostatischen Gleichgewicht die isobaren Flächen mit den Geopotentialflächen zusammenfallen, muß das spezifische Volumen innerhalb der ganzen Schichtdicke einen konstanten Werte aufweisen, daraus folgt das auch der horizontale Gradient verschwinden muss.
Auch der Temperaturgradient verschwindet dabei.
In einer inm hydrostatischen Gleichgewicht befindlichen Atmosphäre verschwinden die horizontalen Gradienten aller thermodynamischen Variablen der Atmosphäre.
Wellenbewegungen in der Atmosphäre
Aus der Vielfalt atmosphärischer Bewegungen wollen nun spezielle Bewegungstypen, nämlich die Wellenbewegungen herausgreifen.
Diese Bewegungsvorgänge laufen in der Atmosphäre in räumlicher und zeitlicher Hinsicht periodisch ab und können großteils mittels eines Differentialgleichungssystems beschrieben werden.
Ein Blick auf die großräumigen Strömungsverhältnisse in der freien Atmosphäre läßt mit großer Regelmäßigkeit immer wieder einen Wechsel zwischen einer zonalen und meridinalen Strömung in den mittleren Breiten erkennen.
Dieser Vorgang führt zur Ausbildung von Keilen und Trögen und somit zur Bildung von planetarischen Wellen mit einer (mittleren) Wellenzahl von 4 - 6.
Dieses Wellenregime wird durch den Erhaltungssatz der absoluten Voricity in einer barotropen Atmosphäre leicht erklärt.
In der Regel verlagern sich derartige Wellen im Mittel mit einer Geschwindigkeit von 6 Längengraden pro Tag nach Osten.
Sie sind für die Wetterentwicklung in den mittleren Breiten von größter Bedeutung.
An diesem Bereich schließen, zum Teil überschneidend, die barokinen Wellen an.
Sie besitzen im allgemeinen größere Wellenzahlen (kleinere Wellenlängen) und werden von der vertikalen Windscherung und der statischen Stabilität kontrolliert.
Ab einer kritischen Windscherung werden diese Wellen instabil. Dadurch wird ein zyklogenetischer Prozeß eingeleitet, bei dem potentielle und innere Energie der Atmosphäre in kinetische überführt wird.
Dieser Vorgang hat einem maßgeblichen Anteil an der Aufrechterhaltung der globalen atmosphärischen Zirkulation.
Weiters werden Wellen mit der Wellenzahl 2 durch die großen Gebirgszüge der Erde bzw. durch eine unterschiedliche diabatische Erwärmung zufolge der Land - Meerverteilung auf der Nordhalbkugel erzwungen.
Im kleinräumigen Anteil der atmosphärischen Bewegung treten auch Wellenformationen auf wie Leewellen im Leebereich. Da eine stabil geschichtete Luftmasse ein Hinternis (Gebirge) überströmt. Mit Wellenlängen von 5 bis 10 km und mehr auf. Die Auslenkung erfolgt im Vertikalen.
Wellen können Leewellen (Föhnwellen), interne Schwerewellen, Schallwellen haben keine Bedeutung bei der Wetterentwicklung.
Barotrope Instabilität
Zyklogenese - Barokline Instabilität
Wellen in äquatorialen Breiten
Der Energiezyklus der Atmosphäre
Die mittlere Meridionalzirkulaton ist der notwendige Energieausgleich zwischen den tropischen und polaren Gebieten nicht zu schaffen.
Der daraus resultierende polwärts gerichtete Fluß am Impuls, fühlbarer und latenter Wärme wäre viel zu gering.
Daher sind die Hoch- und Tiefdruckgebiete bzw. Keile und Tröge in der Troposphäre die integrierenden Bestandteile der globalen Zirkulation der Atmosphäre.
Diese synoptischen Zirkulationsformen sind als Turbulenzkörper im einer Großraumturbulenz aufzufassen, die für den notwendigen Ausgleich zwischen den niedrigen und hohen Breiten sorgen, d.h. den polwärts gerichteten Transport von Impuls, fühlbarer und latenter Wärme quer zur zonalen Grundströmung gewährleisten.
Hier wird der verfügbare Teil an potentielle und kinetische Enerige in einem zonalen Anteil (zonale Höhenströmung) in einem Anteil der synoptischen Störungen ( Druckgebilde) aufgespalten.
Barotrope und barokline Wellen sind diese synoptischen Störungen. Hier geht es um Quell- und Verlustprozesse bzw. Umwandlungsprozesse auch die Transfervorgänge zwischen den zonal gemittelten Feldern und synoptischen Störungen (Wellen und Wirbeln).
Grenzschicht der Atmosphäre
Gruss Marco