In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit

Diese Darstellungen können und sollen lediglich eine kleine Erinnerung an die wichtigen, grundlegenden Wettererscheinungen bei verschiedenen geografischen Verhältnissen sein.
Sie sind deshalb grob, vielleicht auch etwas oberflächlich.




1. Globale Winde und Windsysteme

    1.1 Temperaturunterschiede

    Die Sonne erwärmt die Erde nicht überall gleich stark.

    Am Äquator treffen die Sonnenstrahlen fast senkrecht auf den Boden, wodurch eine Erwärmung der dortigen Bodenschichten erfolgt. Diese ist so stark, dass sie nicht vollständig an die unteren Bodenschichten weitergegeben werden kann (Wärmespeicherung), sondern an die umliegenden Luftmassen abgegeben wird. Der Äquatorbereich hat somit hohe Lufttemperaturen.

    An den Polen treffen die Sonnenstrahlen in einem flachen Winkel auf die Erde, die dadurch nicht annähernd so stark erwärmt wird wie am Äquator. Die kalten Bodenschichten entziehen auch der Luft ihre Wärme. Die Pole haben somit niedrige Lufttemperaturen.

    1.2 Luftdruckunterschiede

    Warme Luft dehnt sich aus, wodurch sie leichter wird und aufsteigt, ein niedrigerer Druck („Tiefdruck“) entsteht. Kalte Luft hingegen zieht sich zusammen, so dass ein höherer Druck („Hochdruck“) entsteht.
    Auf Grund der aufsteigenden warmen Luft entsteht eine Luftzirkulation, in der sich die kalte Luft der Hochdruckregionen und die warme Luft der Tiefdruckregionen austauschen: Die erwärmten Luftmassen steigen auf, bis sie in die größeren kalten Höhen gelangen, wo sie, verbunden mit Wolkenbildung, stark abgekühlt werden. Die Dichte der Luft nimmt wieder zu, sie wird schwerer, und sinkt zur Seite des Tiefdruckgebietes wieder ab. An die ehemalige Stelle der aufgestiegenen warmen Luft strömt aus benachbarten Hochdruckgebieten kühlere Luft. Diese Luftströmungen nehmen wir als Wind wahr.



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    Globale Windverhältnisse,
    Quelle: www.solarkonstante.de

    Am Äquator werden nun die Luftmassen Tag für Tag so stark erwärmt, dass eine dauernde Tiefdruckzone entsteht, die sogenannte äquatoriale Tiefdruckrinne.
    Etwa bei dem 30° nördlicher und südlicher Breite sinken die Luftmassen in Folge der Abkühlung wieder ab und verursachen zwei Gürtel mit hohem Druck und ausgedehnten Wüsten, wie z.B. die Sahara. Von hier aus strömt die Luft entlang der Erdoberfläche zurück zum Äquator. Diese Luft-Bewegungen sind die „Passatwinde“.
    Durch die Erdrotation („Corioliskraft“) werden die strömenden Luftmassen abgelenkt, wodurch der Druckausgleich nicht auf direktem Wege erfolgt, sondern spiralförmig.
    Deswegen wehen die Passatwinde nicht von Süd nach Nord und Nord nach Süd, sondern von Südost nach Nordwest und von Nordwest nach Südost.

    Ebenso entstehen durch die Corioliskraft „riesige Wirbel“, die Tiefdruckgebiete oder Zyklone, die oft einige Tage oder länger mit ihren spiralförmigen Wolkenbändern auf unseren Wetterkarten zu erkennen sind.

    1.3 Jahreszeitliche Winde

    Diese Winde ändern mit dem jahreszeitlichen Wechsel ihre Richtung. Die Luft über dem Land ist im Sommer wärmer und im Winter kälter als die über dem Meer. Über den Kontinenten bilden sich daher im Sommer Tiefdruckgebiete, der Wind weht dann vom Meer aus. Anders als im Sommer, entstehen im Winter Hochdruckgebiete über dem Land. Also wehen die Winde nun in Richtung der wärmeren Luft über dem Ozean. Beispiele für solche jahreszeitlichen Winde sind die Monsune vom chinesischen Meer und vom indischen Ozean.

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2. Lokale Windsysteme

    2.1 Küstenwinde

    Neben den unterschiedlichen Erwärmungen von Äquator und Polen können auch Temperaturunterschiede an anderen Orten beobachtet werden. Der Boden der Küste kann die Sonnenwärme schneller aufnehmen als das Wasser der Meere. Es bildet sich ein lokaler Luftdruckunterschied, wodurch ein leichter Wind entsteht, der von See her kommt. Ein Windrichtungswechsel erfolgt, nachdem der Erdboden am Abend abkühlt ist und die Luftdruckverhältnisse gewechselt haben. Nun kann ein Wind zur See hin festgestellt werden.

    Prinzip des See-Land-Windes am Tag
    bzw. in der Nacht (klein);
    Quelle:LMU München-Geographie

     

    2.2 Berg- und Talwinde

    Das Berg- und Talwind-System besteht aus den Berg- und Talwinden sowie den Hangwinden.
    Diese Windsysteme überlagern sich, wodurch eine Windzirkulation entsteht.
    Bei Sonneneinstrahlung erwärmen sich die Berghänge und somit auch die umliegende Luft sehr schnell. Die warme Luft steigt entlang der Hänge oder direkt vertikal auf. Es entsteht ein Hangaufwind. An Stelle der erwärmten, aufsteigenden Luft an den Berghängen strömt die kältere Talluft nach, es entsteht ein taleinwärts gerichteter Wind, der Talwind.
    Nachts kühlt sich die Luft der Berghänge auch schneller ab, wodurch sich das Windsystem umkehrt: Die kalte Luft nahe der Hänge sinkt ab, es entsteht ein Hangabwind. Die Bergluft strömt heraus, es entsteht ein talauswärts gerichteter Wind, der Bergwind.

    2.3 Hindernisse und Oberflächenrauhigkeit


    Bildquelle: Strombasiswissen-Windenergie
    Die Strömungsgeschwindigkeit des Windes, der von der Küste her weht, nimmt auf seinem Weg ins Landesinnere ab, was sich durch die Reibung in bodennahen Luftschichten mit der rauhen Erdoberfläche erklären lässt.
    Deswegen hat der Wind in größeren Höhen immer größere Geschwindigkeiten, da er kaum durch die Bodenstruktur abgebremst wird.
    Trotzdem nimmt die Windgeschwindigkeit in allen Höhen um so mehr ab, desto weiter der Wind ins Landesinnere vordringt.

    Verschiedene Hindernisse, wie zum Beispiel Häuser, Bäume und Hügel können die lokalen Windverhältnisse in der Nähe des Windkraftkonverters beeinflussen. Hinter diesen Hindernissen entstehen nämlich störende turbulente Strömungen, welche die Funktion der Windkraftanlage behindern könnten.
    Auf Grund dessen sollte die Anlage in einem Abstand der 15- bis 20-fachen Höhe des möglichen Störfaktors stehen.

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3. Geeignete Standorte für Windkraftanlagen

    Die Betrachtung der Windverhältnisse in unterschiedlichen Regionen zeigt schnell, dass auf Grund verschiedener Windgeschwindigkeiten nicht alle Gebiete zur Windkraftnutzung geeignet sind.
     - Die Windgeschwindigkeit wird in m/s oder in km/h gemessen.
     - Historisch oder traditionell wird aber auch die aus der Schiffahrt stammende Beaufort-Skala benutzt.

    Erst ab einer mittleren Windgeschwindigkeit von etwa 5m/s, also ab Windstärke 3, lohnt sich eine wirtschaftliche Nutzung von Windkraftanlagen.

    Da in Mitteleuropa Winde vom Atlantik vorherrschen, weisen die offene See oder die Küstengebiete das größte Windpotential auf. Zum Landesinneren hin nimmt die Windgeschwindigkeit generell ab.

    Das Windpotenzial Deutschlands

    1969-1974 testete der Deutsche Wetterdienst die Windverhältnisse in Hinblick auf die Nutzung von Windkraftanlagen in der Bundesrepublik Deutschland.
    Unter anderem stellte man fest, dass die höchsten Windstärken im November, Spätwinter und Vorfrühling gemessen werden konnten. In den Sommermonaten hingegen, traten die niedrigsten Ergebnisse auf.

    In den Küstengebieten liegt mit max. 20% die niedrigste Flautenhäufigkeit vor. Im Landesinneren beobachtet man eine immer größer werdende Flautenhäufigkeit, die stellenweise sogar die 70% Grenze überschreitet.
    Anhand dieser Erkenntnisse wurde Deutschland in drei für die Windenergienutzung unterschiedlich geeignete Zonen unterteilt. (Bildquelle: Strombasiswissen-Windenergie)

    1. Die erste Zone, welche mit einer typischen Windgeschwindigkeit von über 5m/s für den Einsatz von Windkraftanlagen als am günstigsten beurteilt wurde, erstreckt sich über ein sehr kleines Gebiet: Die Küstengebiete und kleinere Bereiche in den Mittelgebirgen.

    2. Die zweite Zone, mit einer schwankenden Windgeschwindigkeit zwischen 4 und 5m/s eignet sich noch bedingt für die Nutzung von Windkonvertern. Zu den Gebieten der Zone 2 zählen weite Teile Norddeutschlands, des Niederrheins sowie das Mittelgebirge und die Voralpen.

    Der Ennepe-Ruhr-Kreis, in dem wir zu Hause sind, gehört also in diese "Zone 2":
    Das Hattinger Hügelland, die Nordränder des Bergischen Landes und des Sauerlandes erreichen Höhen von über 300m über dem Meeresspiegel und sind damit durchaus noch hinreichend starken Winden ausgesetzt.
    (Kapitel 7: Wind-Statistik und "Eigene Erkundungen")

    3. Die dritte Zone - mit einer typischen Windgeschwindigkeit von unter 4m/s und einem erheblichen Anteil an Flautenstunden - eignet sich kaum für das Aufstellen von Windkraftanlagen. Diese Zone erstreckt sich über große Flächen Mittel- und Süddeutschlands.

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4. "Fehlender Wind", Smog

    Zur Abrundung des Themas erwähnen wir hier in einem kurzen Abschnitt die Auswirkungen "fehlenden Windes":

      Smog ist eine vom Menschen produzierte Erscheinung; wir in Nordrhein-Westfalen haben dies selbst miterleben können:
      Seit dem Einbau der Schwefel-Filteranlagen in den Kraftwerken und der Industrie gibt es in NRW keinen Wintersmog mehr, die Smog-Verordnung des Landes NRW ist mit Wirkung vom 29.12.2000 aufgehoben worden.

    Allgemein unterscheidet man zwei Arten von Smog, wobei für beide Arten eine Inversionswetterlage eine notwendige Voraussetzung ist.
    Von Inversion sprechen die Meteorologen, wenn entgegen der "normalen" Situation warme Luftschichten über kalte Schichten zu liegen kommen, so dass die verschmutze Luft nicht aufsteigen kann und sich in Bodennähe ansammelt. (vgl. Entstehung von Wind in den Abschnitten 1 und 2!)

    4.1 Sommersmog
    entsteht unter folgenden notwendigen Voraussetzungen:

    • intensive Sonneneinstrahlung (Temp. über 30°C)
    • fehlender Meeres- oder Landwind (s. o.) also kein Luftaustausch
    • Emission von Abgasen

    Diese Umstände sorgen dafür, dass bei der Verbrennung von Stickstoff in den Verbrennungsmotoren Stickstoffoxid (NO2) entsteht. Durch die extreme Sonneneinstrahlung zerfällt Stickstoffoxid in Stickstoffmonoxid (NO) und atomaren Sauerstoff (O). Das freie Sauerstoffatom (O) verbindet sich mit einem normalen Luftsauerstoff-Molekül (O2) und bildet ein Ozon-Molekül (O3). Ozon ist also ein wichtiger Bestandteil von Smog; außerdem entstehen noch organische Nitrate und Säuren.

    4.2 Wintersmog
    dagegen entsteht unter den folgenden Bedingungen:

    • Temperaturen knapp über dem Gefrierpunkt
    • hohe Luftfeuchtigkeit
    • hohe Schwefeloxid-Emission
    • Staub bzw. Ruß als Katalysator
    Durch die Emission von Schwefeldioxid, Staub und Russ bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (z.B. Braunkohle in Kraftwerken) und die Inversionswetterlage entsteht bei kaltem, feuchtem Wetter schwefelige Säure, die dann bei Niederschlag zum "sauren Regen" führt.

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Erstellt am 26.01. 2004; zuletzt geändert am 11.01.2005 . (Ka)