Landwind und Seewind
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Sachanalyse
Wind und Windarten
Bevor die Thematik: Zirkulation, Land- und Seewind behandelt wird, ist vorab eine kurze Betrachtung (Grundprinzip) zum Thema Wind im allgemeinen sinnvoll.
Was ist Wind?
Wind ist bewegte Luft. Wind entsteht, weil die Luft aus einem Hochdruckgebiet in ein Tiefdruckgebiet fließt. Je stärker die Druckunterschiede zwischen Hoch und Tief sind, um so stärker weht der Wind. Wind ist demnach nichts anderes als die Ausgleichsströmung zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlich hohem Luftdruck. Verantwortlich für Gebiete mit unterschiedlichem Luftdruck in unserer Atmosphäre ist die Sonneneinstrahlung.
Grundlegend unterscheidet man zwischen globalen und regionalen oder lokalen Windsystemen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Ausdehnungen unterschiedlich sind. Die lokalen Windsysteme überschreiten i.d.R. eine Größe von einigen Kilometern bis einigen Zehn Kilometern nicht.
Zu den regionalen Windsystemen gehören:
- Land-See-Wind
- Berg-Tal-Wind
- Föhn
- Spezielle lokale Windsysteme wie Gletscherwinde, Fallwinde usw.
Allen regionalen Windsystemen ist gemeinsam, dass sie so klein sind, dass die Coriolis-Kraft vernachlässigt werden kann. Man hat es also "nur" mit den restlichen Phänomenen zur Windentstehung zu tun, während bei den großen Zirkulationssystemen neben Druck- und Temperaturunterschieden auch die Coriolis-Kraft und die Meeresströmungen eine erhebliche Rolle spielen.
Der Land-See-Wind
Der Land-Seewind ist ein tagesperiodischer Wind.
Das Phänomen der Land-/Seewind-Zirkulation wurde bereits im 17. Jahrhundert beobachtet und erwähnt. Erste quantitative Erkenntnisse konnten aber erst im 19. Jahrhundert gewonnen werden.
Das Land-See-Windsystem ist an allen Küsten sowie an größeren Seen zu beobachten. Es ist vor allem im Sommer bei schönem Wetter, also bei starker Sonneneinstrahlung, sehr ausgeprägt.
Die Land-/Seewind-Zirkulation entsteht als Folge einer unterschiedlichen Erwärmung von Land und Wasser. Sie steht aus thermodynamischer Sicht in großer Analogie zur Berg- und Talwindzirkulation.
Während das Wasser aufgrund seiner hohen Wärmekapazität und der turbulenten Durchmischung auf einer Zeitskala von einem Tag keine nennenswerten Temperatur- schwankungen aufweist, erwärmt sich die Landfläche vor allem an warmen, strahlungsreichen und trockenen Tagen deutlich und kühlt nachts entsprechend stark aus.
Wenn das Land tagsüber gegenüber dem Wasser deutlich wärmer wird, bildet sich ein kleines Hitzetief über dem Land. Dadurch beginnt die Luft vom Meer aufs Land in Richtung des Hitzetiefs zu strömen, d.h. es stellt sich ein Seewind (Wind von der See zum Land-Bild 3) ein.
Im Idealfall sieht es nachts genau umgekehrt aus. Das Land wird durch die nächtliche Ausstrahlung so stark abgekühlt, dass es deutlich kühler als das Wasser wird. Die Zirkulation kehrt sich um, und es setzt Landwind (Wind vom Land zur See-Bild 2) ein.
Physikalische Erläuterungen
Das Land-See-Windsystem entsteht durch das Zusammenwirken unterschiedlicher Faktoren. Diese sind:
- Albedo der Erdoberfläche
- Wärmekapazität der Erdoberfläche
- Stömungsdynamik des Wassers
- Sensibler Wärmestrom
- Druckverhältnisse und Gradientenkraft
- Thermische Emission
(Tagsüber wird von starker Sonneneinstrahlung ausgegangen.)
Die Sonneneinstrahlung wird vom Wasser und vom Land unterschiedlich aufgenommen und in Temperatur umgesetzt.
Betrachten wir zuerst die Wärmeaufnahme des Wassers:
Die Albedo* des Wassers ist kleiner als die des Landes (Wasser ist dunkler), Wasser nimmt zwar mehr Sonnenenergie auf als das Land, die Wärmeenergie wird allerdings aufgrund der Durchsichtigkeit des Wasser in einer dicken Schicht von 2 m – 100 m absorbiert und umgesetzt, d.h. die Strahlungsenergie verteilt sich auf eine große Menge Wasser. Hinzu kommt, dass sich ständig warmes und kaltes Wasser vermischen (hängt auch von der Art des Gewässers ab) und dadurch die Temperaturzunahme des Wassers während eines Sonnentages relativ gering ist.
All diese Faktoren führen dazu, dass sich das Wasser bei gleicher Wärmezufuhr gegenüber dem Land nur geringfügig erwärmt.
Anders verhält es sich mit Landmassen:
Die Landmassen absorbieren nur kleinere Mengen der Sonnenenergie. Die Erwärmung der Erdoberfläche erfolgt im cm-Bereich und wird von dort in tiefere Schichten transportiert. Allerdings ist dieser Wärmetransport schlechter als beim Wasser . Die Erwärmung der Landoberfläche ist trotz der kleineren Wärmekapazität selbst bei kleinerer absorbierten Strahlungsenergie groesser als beim Wasser. Dagegen wirkt die thermische Emission der Landoberfläche. Sie ist bei gleicher Temperatur gleich groß wie die des Wassers. Erst bei höheren Temperaturen wird sie größer (Boltzman-Gesetz)* und verhindert, dass sich die Landoberfläche weiter aufheizt.
Resultat: Bei Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur der Landoberfläche stärker als die des Wassers.
Dies hat zur Folge:
Die über dem Land liegende Luft wird durch Wärmetransport erwärmt. Sie dehnt sich aus und der Abstand der Druckniveaus steigt. Die rote Linie (Abb. 4) zeigt über Land in einer Höhe von 1500 Meter einen Druck von 800 hPa gegenüber 700 hPa über dem Meer. Dies führt zu einem Druckgradienten zwischen Land und Meer mit einem hohen Druck über Land und einer Gradientenkraft vom Land zum Meer.
Diese Gradientenkraft hat einen Höhenwind vom Land zum Meer zur Folge. Dieser Höhenwind und das Aufsteigen der Luft von der aufgeheizten Landoberfläche wiederum bewirken einen tieferen Luftdruck direkt an der Landoberfläche. Durch das Aufsteigen der Luft entsteht über der Meeresoberfläche zur Landoberfläche hoeherer Luftdruck. Ausgleichströme sorgen für den Seewind.
Nachts drehen sich die Verhältnisse um:
(Es wird von wolkenlosem Himmel und Thermischer Emission ausgegangen.)
Folgendes geschieht: Das Land besitzt eine höhere Ausgangstemperatur. Damit ist die Emission größer, und die Abkühlung der Landoberfläche ist wegen ihrer geringen Wärmekapazität groß. Das Wasser dagegen strahlt nur mit seiner Oberfläche Thermalstrahlung aus. Dabei kühlt sich die oberste Schicht ab, wird schwerer und sinkt ab. Wärmeres Wasser steigt an die Oberfläche und erhält über Nacht eine konstante, relativ hohe Temperatur
Resultat: Die thermische Ausstrahlung reduziert die Temperatur des Landes viel stärker als die des Wassers.
Dies hat zur Folge:
Die noch warme Luft über dem Land gibt ihre Energie über den sensiblen Wärmestrom an die Landoberfläche ab und kühlt ab, indem sie das Land erwärmt (diesmal umgekehrt: sensibler Wärmestrom mit positivem Vorzeichen; die Wärmemenge reicht übrigens nicht aus, um das Land nennenswert zu erwärmen). Mit sinkender Temperatur fällt das Druckniveau unter das der Meeresoberfläche. Dies führt wieder zu einem Druckgradienten zwischen Land und Meer mit hohem Druck über Meer und einer Gradientenkraft vom Meer zum Land. Durch das Aufsteigen der Luft entsteht über der Landfläche relativ zur Meeresoberfläche hoher Luftdruck.
Ausgleichsströme sorgen nun -bei Nacht- für den Landwind.
