Wichtige Erkenntnisse
- Rossby-Wellen sind großräumige atmosphärische Muster, die Wettersysteme beeinflussen.
- Diese Wellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung globaler Wettermuster und Klimavariabilität.
- Meteorologen und Klimatologen nutzen ihr Verständnis von Rossby-Wellen zur Vorhersage und zum Verständnis extremer Wetterereignisse.
Carl-Gustaf Arvid Rossby war ein in Schweden geborener Meteorologe, der ein beachtliches Vermächtnis hinterließ. Rossby verbrachte den Zweiten Weltkrieg damit, Wissenschaftler für das US-Militär auszubilden und gab vorausschauende Warnungen vor dem Klimawandel. Obwohl er 1957 starb, lebt sein Name in einem Phänomen weiter, das er in den turbulenten 1930er Jahren entdeckte: den Rossby-Wellen.
Diese werden auch „planetarische Wellen“ genannt und haben enorme Auswirkungen auf unsere Atmosphäre und Ozeane. Wie James R. Holton und Gregory J. Hakim in ihrem Buch „An Introduction to Dynamic Meteorology“ schreiben, sind Rossby-Wellen „[die] Wellenform, die für großräumige meteorologische Prozesse von größter Bedeutung ist.“
Sie beeinflussen alles von Springfluten bis hin zu extremen Wettermustern. Und das ist nur das, was auf der Erde passiert. Lassen Sie uns nicht die Sonne vergessen, die ebenfalls Rossby-Wellen aufweist. Ebenso tun dies die Atmosphären von Venus und Jupiter.
Aber was definiert diese Dinge? Was macht eine Rossby-Welle zu einer Rossby-Welle?
Strömungslehre
Rossby-Wellen können innerhalb von Flüssigkeiten auftreten.
Wir sprechen hier nicht nur über Flüssigkeiten. Jede fließende Substanz, die ständig durch Spannungen (wie Reibung) deformiert wird, die parallel zu ihrer Oberfläche wirken, gilt als Flüssigkeit. Nach diesem Maßstab ist die Luft selbst eine Flüssigkeit, ebenso wie unsere nassen und wunderbaren Ozeane.
Eine echte Rossby-Welle muss bestimmte Kriterien erfüllen. Zum einen treten diese Wellen nur in barotropen Flüssigkeiten auf – einer Kategorie von Flüssigkeiten, deren Dichte allein eine Funktion des Drucks ist. Außerdem sind Rossby-Wellen natürliche Nebenprodukte des Coriolis-Effekts.
Dinge in Bewegung setzen
Es ist Zeit für einen Disclaimer. Seit langem wird dem Coriolis-Effekt vorgeworfen, australische Toiletten zu manipulieren. Das ist falsch. Entgegen dem, was die urbanen Legenden sagen, hat der Coriolis-Effekt wenig damit zu tun, wie sich Wasser in einer frisch gespülten Toilette dreht.
Was er tatsächlich tut, betrifft die Art und Weise, wie sich einige Objekte zu bewegen scheinen, wenn sie über einen rotierenden Körper wie die Erde oder die Sonne reisen.
Unsere Heimatwelt dreht sich um ihre eigene Achse nach Osten, die unsichtbare Linie, die durch den Planeten verläuft und die Nord- und Südpole verbindet. Außerdem ist die Erde um den Äquator viel dicker als an den Polen. Daher drehen sich die äquatorialen Regionen beim Drehen des Planeten zwangsläufig schneller als die höheren Breitengrade.
Jedes Mal, wenn Sie am Äquator stehen, werden Sie – und der Boden unter Ihren Füßen – mit fast 1.030 Meilen pro Stunde (1.670 Kilometern pro Stunde) nach Osten gedreht. Aber wenn Sie in der arktischen Stadt Utqiaġvik, Alaska, auf einem Breitengrad von 71 Grad nördlich des Äquators stehen, wird Ihre ostwärts gerichtete Drehgeschwindigkeit auf nur 340 Meilen pro Stunde (oder 550 Kilometer pro Stunde) reduziert.
Dieser Unterschied erklärt, warum sich in Nord-Süd-Richtung reisende Luftobjekte scheinbar vom Kurs abweichen, anstatt sich in einer geraden Linie zu bewegen.
„Rossby-Wellen existieren wegen des Coriolis-Effekts“, sagt Mausumi Dikpati, leitende Wissenschaftlerin, Modelliererin und theoretische Sonnenphysikerin am in Colorado ansässigen High Altitude Observatory (HAO), in einer E-Mail. „Keine Rotation, keine Rossby-Wellen.“
Meer und Himmel
Auf der Erde treten Rossby-Wellen sowohl in unserer Atmosphäre als auch in unseren Ozeanen auf. Wissenschaftler kennen atmosphärische Rossby-Wellen seit 1939, während ozeanische Rossby-Wellen erstmals 1977 beobachtet wurden.
Die beiden haben viel gemeinsam. Dikpati sagt uns, dass sie beide durch „die Wirkung der Coriolis-Kräfte“ verursacht werden.
Ein weiterer beitragender Faktor ist die Sonne. Anstatt unseren Planeten gleichmäßig zu erwärmen, erhitzt das Sonnenlicht den Äquator schneller als gemäßigte Zonen und die Pole. Daher hat die Erde ein natürliches Temperaturgefälle basierend auf dem Breitengrad.
Dann haben wir die Winde, deren Stärke und Richtung durch ihre Höhe tiefgreifend beeinflusst werden können.
„Atmosphärische Rossby-Wellen werden durch Instabilitäten des Breitengrad-Temperaturgradienten und des vertikalen Windgradienten angeregt, während ozeanische Rossby-Wellen sowohl davon als auch von den Auswirkungen des Windes auf die Meeresoberfläche angeregt werden können“, erklärt Dikpati.
Wenn diese Wellen im Ozean auftreten, sind sie normalerweise kleiner im Maßstab als die Rossby-Wellen in unserer Atmosphäre. Darüber hinaus sagt Dikpati, dass ozeanische Rossby-Wellen „auf Ozeanbecken beschränkt sind, während atmosphärische Wellen sich vollständig um die Erde ausbreiten.“
Steigende Gezeiten
Sie können marine Rossby-Wellen mit bloßem Auge nicht beobachten, wenn Sie auf der Oberfläche des Planeten stehen. Aber zum Glück für Wissenschaftler können künstliche Satelliten ihren Fortschritt überwachen.
Es wäre eine Untertreibung, die Wellen „langsam“ zu nennen. In niedrigen Breiten könnten sie „Monate bis ein Jahr brauchen, um den [Pazifik] zu überqueren„, so die US-amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).
Weiter vom Äquator entfernt können pazifische Rossby-Wellen in einem noch gemächlicheren Tempo reisen und manchmal ein Jahrzehnt oder länger benötigen, um den größten Ozean der Welt zu durchqueren.
Trotz ihrer Langsamkeit sind Rossby-Wellen nichts, das Küstengemeinden ignorieren sollten. Sie können Springfluten höher als üblich machen. Nicht überraschend wurden die Wellen auch mit schweren Überschwemmungen in Verbindung gebracht.
Ganze Küstenlinien könnten betroffen sein; eintreffende Rossby-Wellen können den Wasserstand über Hunderte von Meilen (oder mehrere hundert Kilometer) Küsteneigentum für einen Zeitraum von Monaten anheben – was verheerende Auswirkungen auf die lokale Infrastruktur hat.
Eine Studie aus dem Jahr 2018 ergab, dass Rossby-Wellen den Küstenpegel um mehr als 3,9 Zoll (10 Zentimeter) ansteigen lassen können, was in einer Welt, in der fast 40 Prozent der Bevölkerung innerhalb von 60 Meilen (oder etwa 100 Kilometern) vom Ozean entfernt leben, nichts ist, worüber man den Kopf schütteln könnte.
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Jetstreams sind ein weiteres Spielfeld für Rossby-Wellen.
An den konvergenten Grenzen von warmen und kalten Luftmassen gebildet, sind Jetstreams schnell fließende Strömungen. Sie kreuzen unsere Atmosphäre in einer Höhe von etwa 5 bis 9 Meilen (8 bis 14,4 Kilometer) über der Oberfläche des Planeten und bewegen sich mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 110 Meilen pro Stunde (oder 177 Kilometer pro Stunde).
Die Erde hat vier primäre Jetstreams – zwei in den Polarregionen und ein Paar „subtropische“ Strömungen auf beiden Seiten des Äquators. Alle vier reisen von Westen nach Osten.
„Wellen im [Jetstream], wie wir sie auf Wetterkarten sehen, stehen in engem Zusammenhang mit Rossby-Wellen“, sagt Dikpati. „Sie interagieren mit den mittleren West-Ost-Winden, um die wellenförmigen Muster zu erzeugen, die wir sehen, sowie die [großräumigen] Wetteränderungen, die wir spüren. Diese Interaktion ist das Herzstück moderner numerischer Wettervorhersagemodelle.“
Wissenschaftler dokumentierten „extreme Hitzewellen“ in Europa in den Jahren 2003, 2010 und 2015. Jedes dieser Ereignisse wurde mit einer Reihe von Rossby-Wellen in Verbindung gebracht, die sich durch den subtropischen Jetstream der nördlichen Hemisphäre gewunden hatten.
Die sich windenden Wellen können Hoch- oder Tiefdruckwetterlagen blockieren und ihre Bewegung über lange Zeiträume einschränken. Unter den falschen Umständen können solche Ereignisse Naturkatastrophen wie Überschwemmungen und Dürren auslösen. Im Jahr 2018 wurde Rossby-Wellenaktivität sowohl für japanische Sturzfluten als auch für Hitzewellen in Nordamerika verantwortlich gemacht.
Solche Ereignisse können globale Auswirkungen haben. Eine im Jahr 2020 im Journal „Nature Climate Change“ veröffentlichte Studie argumentierte, dass Rossby-Wellen eine große Bedrohung für die internationale Ernährungssicherheit darstellen könnten. Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass durch diese Wellen verursachte Hitzewellen die Ernteerträge in Regionen, die für die weltweite Nahrungsmittelversorgung entscheidend geworden sind, um bis zu 11 Prozent senken könnten. Erfreulich.
Unter anderem untersucht Dikpati die Bildung und das Verhalten von Rossby-Wellen auf der Sonne. „Solare Rossby-Wellen wurden erstmals in der Bewegung magnetischer Strukturen in der Sonnenkorona beobachtet“, sagt sie. Zur Aufzeichnung: Die Korona ist die erweiterte äußere Atmosphäre der Sonne, eine helle Schicht, die während totaler Sonnenfinsternisse von der Erde hinter dem Mond hervorlugt. Durch die Untersuchung der Rossby-Wellen der Sonne hoffen Wissenschaftler, ein besseres Verständnis für Umweltveränderungen zu gewinnen, die als „Weltraumwetter“ bezeichnet werden und alles von Fernsehübertragungen und Stromnetzen bis hin zu GPS-Systemen und Militärsatelliten beeinflussen.
Als Meteorologin finde ich es immer wieder spannend, mehr über die komplexen Zusammenhänge in unserer Atmosphäre zu lernen. Danke für die informative Erklärung!
Faszinierend, wie diese Wellen unser tägliches Wetter beeinflussen! Ich wusste gar nicht, dass sie auch eine Rolle bei den Gezeiten spielen.