Die Entstehung der Winde

Blätter aus dem physikalischen A-B-C-Buche.

3. Die Entstehung der Winde.

Es ist eine sehr bekannte Erscheinung, daß sich alle Körper ausdehnen, wenn sie erwärmt werden. Man denke z. B. an das Quecksilber im Thermometer. Ganz besonders auffällig ist diese Erscheinung bei allen luft- und dampfförmigen Stoffen. Sie können um das Mehrfache ihres Raumes, welchen sie bei gewöhnlicher Temperatur einnehmen, ausgedehnt werden, während dies bei den festen und flüssigen Körpern nur wenig oft kaum bemerkbar geschieht. Dies wird natürlich auch bei der atmosphärischen Luft stattfinden. Werden aber gewisse Theile der Atmosphäre durch die Wärme ausgedehnt, so werden sie dadurch leichter als die umgebenden kälteren Theile und müssen folglich in die Höhe zu steigen beginnen. Dieses Aufsteigen der erwärmten Luftmassen hat, wie leicht einzusehen, ein Nachströmen kälterer zur Folge, denn sonst müßte ein leerer Raum sich bilden, und so entsteht jene Luftbewegung, die wir je nach ihrer Stärke Wind oder Sturm nennen.

Ein Beispiel bieten zunächst die beständigen Land- und Seewinde an den Küsten namentlich der heißen Länder. Den Tag über werden von den fast senkrecht auffallenden Sonnenstrahlen die Küstenländer bedeutend erwärmt und kühlen sich während der Nacht wieder sehr ab. Dies wird dadurch noch begünstigt, daß in der Nähe des Aequators Nacht und Tag das ganze Jahr hindurch nahe gleich lang sind. Das Meer behält dagegen immer nahe dieselbe Temperatur, theils weil das Wasser ein schlechter Wärmeleiter ist, d. h. die Wärme schwer annimmt und schwer abgiebt, theils weil das Meerwasser in fortwährender Bewegung begriffen ist, wodurch die erwärmten Theile mit den kälteren immer wieder gemischt werden. Es muß also, nachdem den Tag über der Erdboden und mit ihm die Luft erwärmt worden ist, die letztere in die Höhe zu steigen beginnen, dagegen die kältere Luft über dem Meere nach dem Lande zu strömen, d. h. Seewind entstehen, der gegen Sonnenuntergang am Stärksten wehen wird. In gleicher Weise wird die während der Nacht auf dem Lande abgekühlte Luft, namentlich gegen Sonnenaufgang dem wärmeren Meere zuströmen, d. h. es wird Landwind wehen.

Dieselbe Erscheinung wiederholt sich in größerem Maaßstabe bei den Passatwinden, indem davon die herrschende Windrichtung an allen Theilen der Erdoberfläche mehr oder weniger abhängt. Passatwinde nennt man nämlich die zu beiden Seiten des Aequators (zwischen den sogenannten Wendekreisen) beständig wehenden Ostwinde. Diese Sache erfordert aber deswegen eine etwas umständlichere Betrachtung, weil noch eine andere Ursache thätig ist, welche die anfängliche Richtung des Windes abändert.

Wenn in einem geheizten Zimmer zwei entgegengesetzt liegende und in kalte Räume führende Thüren geöffnet werden, so wird im unteren Theile der Thüren sofort kalte Luft einströmen und nach der Mitte des Zimmers zu ihren Weg nehmen; in den oberen Theilen der Thüren wird dagegen warme Luft hinausströmen, welche von der Mitte der Decke herkommt. Es werden sich sonach in diesem Zimmer folgende Luftströmungen bilden: im unteren Theile zwei nach der Mitte desselben gehende und von den Thüren herkommende Ströme; im oberen Theile zwei nach den Thüren zu gehende von der Mitte der Decke herkommende Ströme; in der Mitte des Zimmers selbst wird ein aufsteigender Luftstrom entstehen. Von diesen Strömen kann man sich leicht durch eine Lichtflamme überzeugen, welche je nach der Richtung des Luftzuges bald nach dieser bald nach jener Seite hingeweht werden wird.

Die Mitte des geheizten Zimmers stelle nun die Region in der Nähe des Aequators vor, die beiden Thüren die Pole der Erde. Man sieht leicht, daß das, was hier im Kleinen stattfand, auf der Erde sich im Großen wiederholen wird. Am Aequator wird die ununterbrochen von den heißen Sonnenstrahlen erwärmte Luft in die Höhe steigen und in den oberen Regionen der Atmosphäre nach beiden Seiten hin d. h. nach den Polen zu abfließen; dagegen wird von den Polen nach dem Aequator kalte Luft zuströmen. Die in den oberen Regionen nach den Polen zu strömende Luft wird sich natürlich nach und nach wieder abkühlen und sich dann auf die Oberfläche der Erde herabsenken. Dieses Herabsinken geschieht in der gemäßigten Zone, also in den Breiten der Erde, zwischen welchen Europa, Nordamerika, der nördliche Theil von Asien, ferner die Südspitze von Amerika und Afrika und ganz Neuholland liegt. Sonach würden in der Nähe des Aequators beständig Winde wehen müssen, welche von den Polen herkommen, während in größerer Entfernung vom Aequator bald Nord- bald Südwinde herrschen würden, je nachdem der eine oder andere Luftstrom gerade über einem bestimmten Theil der Erdoberfläche sich gelagert hätte. Denn da, wie oben gesagt wurde, in der gemäßigten Zone die oberen Luftströme sich auf die Oberfläche der Erde herabsenken, so werden sie sich zwischen die von den Polen kommendcn Ströme lagern.

Die Erfahrung widerspricht aber dieser Theorie, indem in der Nähe des Aequators beständige Ostwinde und in der gemäßigten Zone bald Südwest- bald Nordostwinde die herrschenden sind.

Diese Aenderung der Windrichtung kommt von der Achsendrehung der Erde her.

Um dieses zu erklären, stellen wir im Geiste folgenden Versuch an. Der Leser denke sich die Erdoberfläche vollkommen glatt und fest und nehme einstweilen an, daß sie keine Achsendrehung habe. Wir rollen von irgend einem Punkte des Aequators eine Kugel genau nach einem der beiden Pole. Sehen wir von allen Hindernissen der Bewegung ab, so wird die Kugel nach dem Gesetz der Trägheit die ihr von der Hand mitgetheilte Geschwindigkeit unverändert beibehalten und ohne weiteren Anstoß ununterbrochen in einem Kreise um die Erde laufen, welcher durch die beiden Pole hindurch geht. Ganz anders wird aber die Bewegung der Kugel ausfallen, wenn, wie es wirklich der Fall ist, die Erde sich von Westen nach Osten um eine durch die Pole gehende Achse dreht. Durch diese Achsendrehung erhält nämlich jeder Punkt der Erdoberfläche eine Bewegung nach Osten zu, die aber für die verschiedenen Punkte der Erde je nach ihrer Entfernung vom Pole, verschieden ist. Jeder Punkt der Erdoberfläche beschreibt einen dem Aequator parallelen Kreis (Parallelkreis), der um so kleiner ist, je näher der Punkt dem Pole liegt; dagegen werden alle diese Kreise in derselben Zeit, nämlich in 24 Stunden beschrieben. Der Umfang des Aequators beträgt bekanntlich 5400 Meilen. Ein im Aequator befindlicher Punkt läuft also in 24 Stunden durch einen Kreis von 5400 Meilen Umfang. Ein Punkt, der um 1/3 der ganzen Entfernung des Poles vom Aequator vom Pole entfernt ist (im 60. Grade der geographischen Breite liegt, wie z. B. Petersburg) beschreibt einen Kreis von halb so viel Umfang, nämlich von 2700 Meilen; da nun aber die Zeit dieser Bewegung wieder dieselbe ist, so wird die Geschwindigkeit eines solchen im 60. Grade der Breite liegenden Punktes nur halb so groß sein, als die eines Punktes im Aequator. Jeder auf der Erdoberfläche befindliche Körper nimmt nun Theil an dieser Bewegung und behält sie in Folge des Gesetzes der Trägheit bei, auch wenn er momentan von der Erde getrennt wird. Wenn das nicht so wäre, würde es nicht möglich sein, mit irgend einem Geschoß etwas zu treffen; es würde der Boden unter unseren Füßen wegfahren, wenn wir in die Höhe springen, und wir würden dann auf einem ganz anderen Orte wieder zu stehen kommen. Man sieht leicht, daß unter solchen Umständen alles auf der Erde verwüstet werden müßte.

Doch wir kehren zurück zu unseren früheren Betrachtungen.

Jene Kugel also, welche vom Aequator nach dem Pole zu abgeht, hat außer der ihr von der Hand mitgetheilten Bewegung noch eine andere nach Osten zu gehende, durch die Achsendrehung der Erde erzeugt, vermöge welcher sie in 24 Stunden 5400 Meilen zurücklegt. Diese Geschwindigkeit behält sie nach dem Gesetze der Trägheit bei. Je weiter sie sich aber nach dem Pole zu bewegt, um so mehr berührt sie Punkte der Erdoberfläche, welche eine kleinere Geschwindigkeit nach Osten zu besitzen. Sie wird also diesen Punkten vorauseilen und immer mehr und mehr von der direct nach dem Pole gehenden Linie abweichen. Eine solche Kugel würde sonach eine ganz merkwürdige Bahn verfolgen und sobald nicht nach dem Pole gelangen; sie würde sich in einer spiralförmigen Bahn um den Pol herumbewegen.

Aehnliches würde stattfinden, wenn man von dem Pole nach dem Aequator eine Kugel rollte. Die Pole sind die einzigen Punkte der Erde, welche an der Achsendrehung derselben nicht theilnehmen. Eine vom Pole auslaufende Kugel hat sonach keine weitere Bewegung, als diejenige, welche ihr anfangs von der Hand mitgetheilt worden ist. Je weiter sie aber vom Pole sich entfernt, um so größer wird die nach Osten gerichtete Geschwindigkeit der Punkte der Erdoberfläche. Da nun die Kugel gar kein Bestreben hat nach Osten hin sich zu bewegen, so werden ihr die Punkte der Erde vorauseilen, sie wird hinter ihnen zurückbleiben, also immer mehr und mehr eine nach Westen gehende Bewegung annehmen, welche endlich in der Nähe des Aequators dem Aequator parallel wird.

Was wir hier über die von unserer Hand geworfene Kugel gesagt haben, gilt nun auch von den nach und von den Polen sich bewegenden Luftmassen. Die Luftmassen, welche über dem Aequator in die Höhe steigen, nehmen Theil an der Achsendrehung der Erde. Sie besitzen nach Osten zu eine Geschwindigkeit von 5400 Meilen in 24 Stunden, welche sie nicht verlieren während ihrer Reise nach den Polen, wohin sie, wie oben gesagt wurde, abfließen müssen. Je weiter also diese Luftmassen vom Aequator sich entfernen, desto mehr werden sie ihre anfängliche Richtung nach den Polen in eine nach Osten sich neigende abändern, dergestalt, daß wir in der gemäßigten Zone, wo diese Luftströme sich wieder anfangen auf den Erdboden zu senken, sie als nach Nordost gehende Winde in der nördlichen Halbkugel und als nach Südost gehende Winde in der südlichen Halbkugel empfinden werden. Da wir nun die Winde nach der Himmelsgegend zu nennen pflegen, woher sie kommen, so würden jene Luftströmungen in der nördlichen Halbkugel Südwest-, in der südlichen Halbkugel Nordwestwinde sein.

Diese Winde nennt man die rückkehrenden Passatwinde, oder den Südwestpassat und den Nordwestpassat.

Ebenso wie wir es oben bei der Kugel gesehen haben, werden nun auch die von den Polen nach dem Aequator hinströmenden Luftmassen ihre Richtung um so mehr gegen Westen hin abändern, je mehr sie sich dem Aequator nähern. In der gemäßigten Zone gehen die Luftströmungen bereits nach Südwest in der nördlichen und nach Nordwest in der südlichen Halbkugel, d. h. es sind in der nördlichen Halbkugel Nordost-, in der südlichen Südostwinde. Diese Winde nennen wir die kommenden Passatwinde oder den Nordostpassat und den Südostpassat. Es müssen, weil die Luft direkt von den Polen herfließt, kalte Winde sein. Je mehr sich aber der Luftstrom dein Aequator nähert, um so mehr geht er in reinen Ostwind über. Zu beiden Seiten des Aequators wehen in der That beständige Ostwinde, welche schlechthin Passatwinde genannt werden.

Zwischen den beiden östlichen Luftströmungen liegt noch eine schmale Zone, in welcher keine beständigen Winde wehen und die deshalb die Zone der Windstillen oder die Region der Calmen heißt. Eigentlich müßte hier auch beständiger Ostwind herrschen, da beide Lustströme sich vereinigen. Allein wie schon oben erinnert worden ist, gerathen hier die Luftmassen in aufsteigende Bewegung, welche so heftig ist, daß dadurch die horizontale Bewegung unmerklich wird. Diese Region wird von Stürmen und Regengüssen sehr häufig heimgesucht.

Wir haben in den vorigen Betrachtungen die Sache so dargestellt, als sei die Zone der Windstillen immer unmittelbar bei dem Aequator, dergestalt, daß der Aequator mitten durch sie hindurch geht; ferner als seien die Zonen der Passatwinde zu beiden Seiten desselben gleich weit von ihm entfernt. Das ist nicht ganz richtig. Diese Zonen verrücken sich vielmehr während eines Jahres periodisch je nach dem Stande der Sonne gegen die Ebene des Aequators. Es ist nämlich nicht das ganze Jahr hindurch am Aequator der heißeste Theil der Erde. Dieser heiße Theil ist jedesmal da, wo die Sonnenstrahlen zur Mittagzeit senkrecht auf die Erde fallen und so kommt es, daß die Zone der Windstillen in der einen Hälfte des Jahres etwas nördlich, in der andern etwas südlich vom Aequator liegt. Außerdem erfährt die Lage dieser Zonen noch eine Abänderung durch die in beiden Halbkugeln (der nördlichen und südlichen) verschiedene Vertheilung von Land und Meer.

In dieser letzten Beziehung ist überhaupt zu bemerken, daß die Regelmäßigkeit dieser Winde durch local oder zeitweilig wirkende Ursachen sehr geändert wird. Ungestört, höchstens einmal durch einen Sturm unterbrochen, wehen sie nur auf den großen Meeren und etwa erst 50 Meilen von den Küsten entfernt. In der Nähe der Küsten werden sie durch die periodisch wechselnden Land- und Seewinde unterbrochen. Die Schiffer erkennen hieraus, ob sie sich in der Nähe des Landes befinden. Innerhalb der großen Continente wird ihre Regelmäßigkeit durch eine Menge von Ursachen gestört, z. B. durch hohe Gebirgsketten, durch die Vegetation und durch den gänzlichen Mangel derselben. Noch größer ist die Störung, welche die kommenden und zurückkehrenden Passatwinde in den Continenten der gemäßigten Zone erleiden. Schon das bringt eine bedeutende Störung hervor, daß hier zwei Strömungen von direkt entgegengesetzter Richtung sich neben einander lagern. Denn wie schon oben erinnert wurde, senken sich die vom Aequator nach den Polen abfließenden Luftmassen, nachdem sie sich in bedeutenden Höhen wieder abgekühlt haben, auf die Erde nieder. Dieses Niedersinken geschieht bereits in der gemäßigten Zone. Hierdurch werden nun die von den Polen kommenden Winde theilweise verdrängt. Wir müssen uns nämlich vorstellen, daß eine Anzahl von großen und breiten Luftströmen entgegengesetzter Richtung in der gemäßigten Zone neben einander fließen und daß sich das ganze System dieser Ströme allmälig verrückt, so daß ein gewisser Ort der Erde bald in diesen bald in jenen Luftstrom gerathen wird. Die Richtung und Dauer dieser Winde wird aber, wie schon erinnert in der gemäßigten Zone durch die Gestaltung der Continente sehr bedeutend abgeändert.

Daß die am Aequator in die Höhe gestiegene Luft wirklich nach den Polen abfließt, in der Zone der Passatwinde also in bedeutender Höhe ein anderer Luftstrom herrschen wird, als an der Erdoberfläche, davon hat man sich durch unmittelbare Beobachtungen überzeugen können. Bisweilen sehen nämlich die Schiffer in der Zone der Passatwinde in bedeutender Höhe Wolken ziehen, welche nach den Polen zu sich bewegen, also nicht von dem an der Meeresoberfläche wohnenden Ostwind getrieben werden können. Noch auffallender beweisen dies vulkanische Ausbrüche, wo die Asche in Gegenden geführt wurde, die der Passatwind nicht erreichen konnte. Dove führt mehrere solcher Fälle an, wovon wir den folgenden mittheilen wollen: „Am 20. Januar 1835 wurde die ganze Landenge von Mittelamerika durch ein den Ausbruch des Coseguina (im Staate Nicaragua begleitendes Erdbeben erschüttert. Am 24. und 25. Januar verdunkelten in Kingston auf Jamaica in einer Entfernung von 800 englischen Meilen dichte Schauer einer Asche die Sonne und dadurch erfuhr man erst, daß die früher gehörten Explosionen nicht von Kanonenschüssen herrührten. Diese Asche konnte nur durch den rückkehrenden Passat herbeigeführt sein, da Jamaica nordöstlich von Nicaragua liegt. Selbst auf den höchsten Spitzen der Andes hat noch nie ein Reisender den oberen Luftstrom erreicht. In der Nähe der Windstillen muß daher sein Abstand vom Meeresspiegel mehr als 20,000 Fuß betragen. Es mußte daher die Explosion ungeheuer gewesen sein, damit die Asche aus dem niedrigen Vulcan Coseguina diese Höhe erreichte.“

Noch eins wollen wir nicht unerwähnt lassen, was vielleicht befremden könnte. Nach den obigen Betrachtungen müßte nämlich der Passatwind eine furchtbare Geschwindigkeit besitzen, eine Geschwindigkeit, welche nahe der der rotirenden Erde im Aequator gleich käme. Denn die von den Polen abfließenden Luftmassen haben gar keine Geschwindigkeit nach Osten, die Erdoberfläche wird ihnen also in der Nähe des Aequators mit ihrer ganzen Geschwindigkeit vorauseilen, wodurch ein eben so geschwinder Ostwind entstehen müßte. Der Passatwind besitzt nun zwar eine bedeutende Geschwindigkeit, doch eine so große, welche der Geschwindigkeit der Erde bei ihrer Achsendrehung im Aequator gleichkäme, würde selbst die Geschwindigkeit des furchtbarsten Sturmes vielmal übertreffen. Ein solcher Wind würde alles zerstören, was in sein Bereich käme. Daß eine solche Geschwindigkeit nicht entstehen kann, ist leicht zu erklären. Die nach dem Aequator zufließenden Luftmassen besitzen erstens schon eine kleine Geschwindigkeit nach Osten zu, indem sie nicht vom Pole selbst, als einem Punkte, herkommen können, sondern vielmehr aus der ziemlich ausgedehnten Polarregion kommen. Zweitens finden sie aber auch auf ihrem Wege nach dem Aequator fortwährenden Widerstand, wie z. B. durch die Reibung an der Erdoberfläche und an anderen entgegengesetzt laufenden Luftmassen. Hierdurch wird der größte Theil ihrer Geschwindigkeit allmälig aufgehoben, oder vielmehr, die Luftmassen fangen allmälig an, der östlichen Bewegung der Erdoberfläche zu folgen. Dasselbe findet bei den rückkehrenden Passatwinden statt.

*** M.