Wärmetransport und allgemeine Zirkulation

Wie Atmosphäre und Ozean Wärme von den energiereichen Tropen zu den Polen transportieren und dabei die Windgürtel und Strömungen des Planeten organisieren.

Definition

Meridionaler Wärmetransport ist der Netto-Polwärtsfluss von Energie, der von der Atmosphäre und dem Ozean transportiert wird, und die allgemeine Zirkulation ist das planetarische System von Winden und Strömungen, das unter anderem diesen Transport bewerkstelligt.

Scope

Dieses Thema behandelt den polwärtigen Energietransport, der das Breitenungleichgewicht der Strahlung kompensiert, sowie die Zirkulationssysteme, die diesen Transport bewerkstelligen: die tropischen Hadley-Zellen, die mittellatitudinalen Wirbel und Jetstreams sowie die windgetriebenen und umwälzenden Meeresströmungen. Es wird untersucht, wie viel Wärme jede Komponente transportiert, wie sich die Aufteilung zwischen Atmosphäre und Ozean mit der Breite ändert und wie die allgemeine Zirkulation das großräumige Muster der Klimazonen bestimmt.

Core questions

• Warum muss das Klimasystem Wärme polwärts transportieren?
• Wie verteilt sich der Transport auf Atmosphäre und Ozean?
• Welche Zirkulationssysteme transportieren die Energie in verschiedenen Breiten?
• Wie prägt der Wärmetransport die Verteilung der Klimazonen?

Key theories

Strahlungsungleichgewicht und erforderlicher Transport

Da die Tropen mehr Sonnenenergie absorbieren, als sie abstrahlen, während hohe Breiten mehr abstrahlen, als sie absorbieren, muss das Klimasystem Energie polwärts transportieren, wobei die erforderliche Gesamtmenge durch den Strahlungshaushalt festgelegt ist.

Aufteilung zwischen Atmosphäre und Ozean

Die Atmosphäre dominiert den polwärtigen Transport in mittleren Breiten durch Wirbel und die Hadley-Zirkulation, während der Ozean einen großen Anteil in den Tropen durch windgetriebene und umwälzende Strömungen trägt.

Mechanisms

Der Überschuss an absorbierter Sonnenenergie in den Tropen und das Defizit in hohen Breiten erzeugen einen Temperaturgradienten, der die Zirkulation antreibt. Die Hadley-Zellen transportieren Energie aus den Tropen, barokline Wirbel und Jetstreams transportieren sie über die mittleren Breiten, und Meeresströmungen bewegen warmes Wasser polwärts und kaltes Wasser äquatorwärts, wodurch gemeinsam die Wärme geliefert wird, die zum Ausgleich des Strahlungsdefizits in hohen Breiten erforderlich ist.

Clinical relevance

Der Wärmetransport bestimmt den Temperaturkontrast zwischen Äquator und Polen sowie die Lage von Sturmbahnen und Trockenzonen, sodass Veränderungen unter Erwärmung das regionale Klima und Wetterextreme umgestalten können.

History

Das Verständnis der allgemeinen Zirkulation entwickelte sich von den Hadley- und Ferrel-Konzeptionen der Umwälzzellen zu der Mitte des 20. Jahrhunderts durch die Arbeiten von Starr, Lorenz und anderen gewonnenen Erkenntnis, dass mittellatitudinale Wirbel den atmosphärischen Wärmetransport dominieren; Satellitenstrahlungsdaten und Ozeanbeobachtungen quantifizierten später die Aufteilung zwischen Atmosphäre und Ozean.

Debates

Anteil von Atmosphäre versus Ozean am tropischen Wärmetransport

Der relative Beitrag des Ozeans zum polwärtigen Energietransport, insbesondere in den Tropen, wurde durch verbesserte direkte Ozeanmessungen und Restgrößen des Strahlungshaushalts präzisiert.

Key figures

• Abraham Oort
• Kevin Trenberth
• Edward Lorenz
• Victor Starr

Seminal works

• peixotooort1992
• trenberthcaron2001

Frequently asked questions

Warum muss das Klima Wärme transportieren?

Die Tropen absorbieren weitaus mehr Sonnenlicht, als sie emittieren, während die Pole mehr emittieren, als sie absorbieren. Ohne polwärtigen Transport würden sich die Tropen ständig erwärmen und die Pole abkühlen.

Trägt der Ozean oder die Atmosphäre mehr Wärme polwärts?

Die Atmosphäre transportiert den größten Teil der Wärme in mittleren und hohen Breiten, während der Ozean in den Tropen einen vergleichbaren oder größeren Anteil trägt.