Jetstream
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Jetstreams sind schnell fließende, schmale, mäandrierende Luftströme in der Atmosphäre einiger Planeten, einschließlich der Erde. Auf der Erde befinden sich die wichtigsten Jetstreams in der Nähe der Tropopause und sind Westwinde (die von Westen nach Osten fließen). Strahlströme können beginnen, aufhören, sich in zwei oder mehr Teile aufspalten, sich zu einem Strom vereinigen oder in verschiedene Richtungen fließen, auch entgegengesetzt zur Richtung des restlichen Strahls. ⓘ
Jetstream (von englisch jet stream, eine Übersetzung des deutschen Wortes Strahlstrom) ist in der Meteorologie der Anglizismus für ein sich dynamisch verlagerndes Starkwindfeld, das meist im Bereich der oberen Troposphäre bis zur Tropopause auftritt. ⓘ
Jetstreams bilden sich infolge globaler Ausgleichsbewegungen zwischen verschiedenen Temperaturregionen sowie zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Jetstreams sind die stärksten natürlich auftretenden Winde und im Vergleich zu anderen Wetterphänomenen sehr verlässlich und über mehrere Tage stabil. Kurzfristig betrachtet trennen sie warme von kalten Luftmassen, letztendlich verwirbeln sie diese aber durch Vertikalbewegungen in bestimmten Bereichen. Die warmen Luftmassen werden auf ihrem Weg zum Nordpol durch die Erdrotation abgelenkt, wobei sie ihre hohe Bahngeschwindigkeit beibehalten. ⓘ
Allgemeiner definiert sind Jetstreams atmosphärische Windbänder mit einer nahezu horizontalen Strömungsachse („Jetachse“) und Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 m/s (540 km/h). Die Windgeschwindigkeit fällt, sowohl vertikal als auch horizontal, mit zunehmender Entfernung zum Strömungszentrum rasch ab. Jetstreams gehören näherungsweise zur Gruppe der geostrophischen Winde, bei denen ein Gleichgewicht zwischen Druckgradient- und Corioliskraft herrscht. ⓘ
Überblick
Die stärksten Jetströme sind die Polarjets in 9-12 km (5,6-7,5 mi; 30.000-39.000 ft) über dem Meeresspiegel und die höher gelegenen und etwas schwächeren Subtropenjets in 10-16 km (6,2-9,9 mi; 33.000-52.000 ft). Auf der Nord- und der Südhalbkugel gibt es jeweils einen polaren und einen subtropischen Jet. Der Polarjet der nördlichen Hemisphäre fließt über die mittleren bis nördlichen Breiten Nordamerikas, Europas und Asiens und die dazwischen liegenden Ozeane, während der Polarjet der südlichen Hemisphäre hauptsächlich die Antarktis umkreist, beides ganzjährig. ⓘ
Jetstreams sind das Ergebnis zweier Faktoren: der Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonneneinstrahlung, die die großräumigen Polar-, Ferrel- und Hadley-Zirkulationszellen erzeugt, und der Wirkung der Corioliskraft, die auf diese sich bewegenden Massen einwirkt. Die Coriolis-Kraft wird durch die Rotation des Planeten um seine Achse verursacht. Auf anderen Planeten werden die Jetstreams eher durch innere Hitze als durch Sonneneinstrahlung angetrieben. Der polare Jetstream bildet sich an der Schnittstelle der polaren und der Ferrel-Zirkulationszelle, der subtropische Jet an der Grenze der Ferrel- und der Hadley-Zirkulationszelle. ⓘ
Daneben gibt es noch weitere Strahlströme. Während des Sommers auf der Nordhalbkugel können sich in tropischen Regionen östliche Jets bilden, typischerweise dort, wo trockene Luft auf feuchtere Luft in großen Höhen trifft. Tiefdruckgebiete sind ebenfalls typisch für verschiedene Regionen wie z. B. die zentralen Vereinigten Staaten. Auch in der Thermosphäre gibt es Jetstreams. ⓘ
Meteorologen nutzen die Lage einiger Jetstreams als Hilfsmittel für die Wettervorhersage. Die größte kommerzielle Bedeutung haben die Jetstreams im Flugverkehr, da die Flugzeit dramatisch beeinflusst werden kann, wenn man entweder mit oder gegen die Strömung fliegt. Oft versuchen die Fluggesellschaften, mit dem Jetstream zu fliegen, um erhebliche Treibstoffkosten und Zeit zu sparen. Die dynamischen Nordatlantikstrecken sind ein Beispiel dafür, wie Fluggesellschaften und Flugsicherung zusammenarbeiten, um den Jetstream und die Winde in der Luft so anzupassen, dass der größtmögliche Nutzen für Fluggesellschaften und andere Nutzer entsteht. Klarluftturbulenzen, die eine potenzielle Gefahr für die Sicherheit der Fluggäste darstellen, treten häufig in der Nähe eines Jetstreams auf, führen aber nicht zu einer wesentlichen Änderung der Flugzeiten. ⓘ
Entdeckungsgeschichte
Im späten 19. Jahrhundert gelangte man durch die Beobachtung von hochgelegenen Wolkenformationen zu dem Schluss, dass es in deren Umgebung starke Höhenwinde geben müsse. Diese konnten jedoch nur in sehr unregelmäßigen Abständen beobachtet werden, sodass ihre Regelmäßigkeit und vergleichsweise gleichbleibende Stärke noch nicht erkannt wurden. 1924 erforschte der japanische Meteorologe Oishi Wasaburo diesen Höhenwind sehr genau. Unabhängig von Oishi entdeckte Johannes Georgi in 10 bis 15 km Höhe starke Höhenwinde, die sich nicht direkt mit dem Bodendruckfeld erklären ließen, als er 1926 und 1927 Ballonsondierungen an der Nordspitze Islands durchführte. ⓘ
In den 1930er Jahren erfolgten dann erstmals international abgestimmte Vertikalsondierungen. Dies veranlasste Richard Scherhag ab dem Jahr 1935 regelmäßig Höhenwetterkarten zu erstellen. Im Jahr 1937 untersuchte Scherhag ein Sturmtief über der Labrador-Halbinsel. Er berechnete für 5000 m Höhe einen Gradientwind von 275 km/h und kam zu dem Schluss, dass man im Ursprungsgebiet der atlantischen Sturmzyklonen in Höhe der Tropopause mit Windgeschwindigkeiten von über 300 km/h rechnen muss. Deutsche Wetterflieger flogen am 20. Februar 1937 von Frankfurt/M. in den Jetstream und dabei flog ihre Heinkel He 46 oberhalb von 5500 m rückwärts von Mainz bis Frankfurt, wobei eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit von 280 km/h gemessen wurde. Heinrich Seilkopf benutzte 1939 den Begriff der „Strahlströmung“ für eine Schicht maximaler Windgeschwindigkeit in der Nähe der Tropopause im Übergangsbereich zwischen Höhenhoch und -tief. Hermann Flohn erwähnt in seinen Erinnerungen, dass der weißrussische Meteorologe Mironovitch vor 1939 in der französischen Zeitschrift La Météorologie ebenfalls einen Beitrag zu starken Windgeschwindigkeiten in der oberen Troposphäre veröffentlicht hat. ⓘ
Diese Veröffentlichungen erfolgten jedoch nur auf Deutsch und Französisch, was den Wissensaustausch mit den britischen und amerikanischen Meteorologen stark einschränkte. Die Übersetzung von Seilkopfs Veröffentlichung in andere Sprachen war sogar explizit verboten. Mit Ausbruch des Zweiten Weltkriegs war der Erfahrungsaustausch zwischen Deutschland und den anderen Nationen dann ganz unterbunden. Die weitere Entdeckungsgeschichte ist daher sehr inhomogen und stark durch die Erfahrungen und Bedingungen in den jeweiligen Ländern geprägt. ⓘ
Ein weiterer Grund für die spätere Entdeckung in den USA ist nach Angaben von Hermann Flohn, dass die Forschung sich dort zunächst auf andere Analysemethoden konzentrierte, mit denen die für die Fliegerei wichtigen Höhenwinde nicht direkt hergeleitet werden konnten. Daher mussten in den USA mit dem Eintritt in den Zweiten Weltkrieg zunächst die Verfahren zur Erstellung von Höhenwetterkarten und die Ausbildung der Wetterberater umgestellt werden. Hier leistete Carl-Gustaf Rossby Pionierarbeit, indem er ein großes Ausbildungsprogramm für Wetterberater initiierte, in welchem im weiteren Verlauf etwa 8000 Wetterberater (Weather Officers) ausgebildet wurden, welche auch eng mit den Briten zusammenarbeiteten. ⓘ
1942 wies der norwegische Meteorologe Sverre Petterssen ebenfalls die Existenz des Jetstreams nach und untersuchte die Mechanismen hinter seiner Entstehung. Der norwegische Meteorologe Jacob Bjerknes erwähnte 1943 den Begriff Jetstream bei einem Vortrag in England. Obwohl es bereits Berichte über Probleme der Flugzeugbesatzungen mit hohen Windgeschwindigkeiten in der oberen Troposphäre gab, wurde dieser Sachverhalt zunächst nicht systematisch untersucht. Im Jahre 1944 wurde dann mit der B-29 erstmals ein Bomber fertiggestellt, welcher dazu konzipiert war, eine hohe Bombenlast in großen Höhen zu transportieren. Zur Vorbereitung der Luftangriffe gegen Japan stießen die Meteorologen der US Air Force nun regelmäßig auf Starkwindfelder in großer Höhe. Manche hatten zunächst Probleme, dies ihren Vorgesetzten klarzumachen. Aufgrund dieser Erfahrungen begann Rossby, nun intensiv an der Erforschung des Jetstreams und an der Vorhersage seiner Verlagerung zu arbeiten. In der Folge setzte sich die Bezeichnung im englischsprachigen Raum zunehmend durch. ⓘ
Die ersten Hinweise auf dieses Phänomen stammten von dem amerikanischen Professor Elias Loomis in den 1800er Jahren, als er als Erklärung für das Verhalten großer Stürme eine starke Luftströmung in der oberen Luft vorschlug, die von Westen nach Osten über die Vereinigten Staaten bläst. Nach dem Ausbruch des Vulkans Krakatoa im Jahr 1883 verfolgten und kartierten Wetterbeobachter die Auswirkungen auf den Himmel über mehrere Jahre hinweg. Sie bezeichneten das Phänomen als "äquatorialen Rauchstrom". In den 1920er Jahren entdeckte der japanische Meteorologe Wasaburo Oishi den Jetstream von einem Standort in der Nähe des Mount Fuji aus. Er verfolgte Pilotballons, auch Pibals genannt (Ballons zur Bestimmung der Höhenwinde), während sie in die Atmosphäre aufstiegen. Oishis Arbeit blieb außerhalb Japans weitgehend unbemerkt, da sie in Esperanto veröffentlicht wurde. Der amerikanische Pilot Wiley Post, der 1933 als erster Mensch im Alleinflug die Welt umrundete, wird oft für die Entdeckung der Jetstreams verantwortlich gemacht. Post erfand einen Druckanzug, der es ihm ermöglichte, über 6.200 Meter zu fliegen. Im Jahr vor seinem Tod unternahm Post mehrere Versuche eines Transkontinentalflugs in großer Höhe und stellte fest, dass seine Geschwindigkeit am Boden zeitweise deutlich höher war als in der Luft. Dem deutschen Meteorologen Heinrich Seilkopf wird zugeschrieben, dass er 1939 einen speziellen Begriff für dieses Phänomen prägte: Strahlströmung. Viele Quellen führen das tatsächliche Verständnis der Natur von Strahlströmen auf regelmäßige und wiederholte Flugroutenüberquerungen während des Zweiten Weltkriegs zurück. Flieger bemerkten immer wieder westliche Rückenwinde von mehr als 160 km/h (100 mph), z. B. auf Flügen von den USA nach Großbritannien. Auch 1944 hatte ein Team amerikanischer Meteorologen in Guam, darunter Reid Bryson, genügend Beobachtungen, um sehr starke Westwinde vorherzusagen, die die Bomber des Zweiten Weltkriegs auf ihrem Weg nach Japan verlangsamen würden. ⓘ
Beschreibung
Die polaren Strahlströme befinden sich in der Regel in der Nähe des Druckniveaus von 250 hPa (etwa 1/4 der Atmosphäre), d. h. sieben bis zwölf Kilometer über dem Meeresspiegel, während die schwächeren subtropischen Strahlströme viel höher liegen, nämlich zwischen 10 und 16 Kilometern. Jetstreams wandern dramatisch seitlich und ändern ihre Höhe. Die Jetstreams bilden sich in der Nähe von Unterbrechungen der Tropopause, an den Übergängen zwischen den polaren, Ferrel- und Hadley-Zirkulationszellen, deren Zirkulation zusammen mit der auf diese Massen wirkenden Corioliskraft die Jetstreams antreibt. Die polaren Strahlströme, die sich in geringerer Höhe befinden und oft bis in die mittleren Breiten vordringen, wirken sich stark auf das Wetter und die Luftfahrt aus. Der polare Jetstream ist am häufigsten zwischen 30° und 60° Breite anzutreffen (näher bei 60°), während die subtropischen Jetstreams in der Nähe des 30° Breitengrades zu finden sind. An manchen Orten und zu manchen Zeiten verschmelzen diese beiden Strahlen, während sie zu anderen Zeiten deutlich voneinander getrennt sind. Man sagt, dass der nördliche Polarjetstream "der Sonne folgt", da er langsam nach Norden wandert, wenn sich diese Hemisphäre erwärmt, und wieder nach Süden, wenn sie sich abkühlt. ⓘ
Die Breite eines Jetstreams beträgt in der Regel einige hundert Kilometer oder Meilen und seine vertikale Dicke oft weniger als fünf Kilometer (16.000 Fuß). ⓘ
Jetstreams sind in der Regel über große Entfernungen kontinuierlich, aber auch Unterbrechungen sind üblich. Der Verlauf des Jets ist in der Regel mäanderförmig, und diese Mäander selbst breiten sich mit geringerer Geschwindigkeit als der eigentliche Wind innerhalb der Strömung nach Osten aus. Jede große Mäander- oder Wellenform innerhalb des Jetstreams wird als Rossby-Welle (planetarische Welle) bezeichnet. Rossby-Wellen werden durch Veränderungen des Coriolis-Effekts mit dem Breitengrad verursacht. Kurzwellige Tröge sind kleinere, den Rossby-Wellen überlagerte Wellen mit einer Länge von 1.000 bis 4.000 Kilometern, die sich durch das Strömungsmuster um großräumige oder langwellige "Kämme" und "Tröge" innerhalb der Rossby-Wellen bewegen. Strahlströme können sich in zwei Teile aufspalten, wenn sie auf ein Höhentief treffen, das einen Teil des Strahlstroms unter seine Basis ablenkt, während der Rest des Strahls nördlich an ihm vorbeizieht. ⓘ
Die Windgeschwindigkeiten sind dort am höchsten, wo die Temperaturunterschiede zwischen den Luftmassen am größten sind, und überschreiten oft 92 km/h (50 kn; 57 mph). Es wurden Geschwindigkeiten von 400 km/h (220 kn; 250 mph) gemessen. ⓘ
Der Jetstream bewegt sich von Westen nach Osten und bringt Wetterveränderungen mit sich. Meteorologen wissen heute, dass der Verlauf der Jetstreams zyklonale Sturmsysteme in tieferen Schichten der Atmosphäre beeinflusst, und so ist die Kenntnis ihres Verlaufs zu einem wichtigen Bestandteil der Wettervorhersage geworden. In den Jahren 2007 und 2012 kam es beispielsweise in Großbritannien zu schweren Überschwemmungen, weil der Polarjet den Sommer über im Süden blieb. ⓘ
a, b: Einsetzende Wellenbildung
c: Beginnende Abtrennung eines Kaltlufttropfens
blau/orange: kalte/warme Luftmassen ⓘ
Jetstreams sind maßgeblich für die Luftdruckverteilung und somit für die Ausbildung der Wind- und Luftdruckgürtel auf der Erde verantwortlich. Sie stellen eine wesentliche Ursache für die Wetterentwicklung und ein wichtiges Element für den globalen Wärmeübergang zwischen Tropen und Polen dar: Bei ausreichend großen Temperaturunterschieden der Luftmassen aus den Subtropen (z. B. Wüsten) und den Polen wird der Windstrom an der Polarfront aufgrund der höheren Dynamik der Polarfront stark abgelenkt. Hindernisse wie die Hochgebirge des Himalaya und der Rocky Mountains verstärken dies. Dadurch bilden sich die in der oberen Abbildung blau dargestellten Rossby-Wellen. Die Darstellung ist idealisiert, da die Faltung des Jetstreams uneinheitlich ist und sich der Polarfrontjetstream nicht geschlossen um die gesamte Erde windet. Der Jetstream befindet sich zwischen warmer Luft mittlerer Breiten und kalter Luft höherer Breiten. Ein realistischeres Bild der mäandrierenden Bänder des PFJ ist in den Weblinks einsehbar. ⓘ
Der Jetstream reißt Luftschichten darunter mit, wobei entsprechend der Verwirbelung der Rossby-Welle dynamische Tiefdruckgebiete (Zyklonen) in Richtung Pol (im Gegenuhrzeigersinn verdreht über den ‚Wellentälern‘, sogenannte Tröge) und in Richtung Äquator Hochdruckgebiete (im Uhrzeigersinn verdreht unter den ‚Wellenbergen‘, sogenannte Rücken) ausscheren. Rossby-Wellen sind auf der Nordhalbkugel wegen einiger sehr großer Gebirge, welche als Barriere wirken, wesentlich ausgeprägter als auf der Südhalbkugel. ⓘ
Ein typisches Merkmal des polaren Jetstreams ist die Stabilisierung seiner Rossby-Wellen im Sommer: Wie weit südlich sie dabei vordringen und in welcher Zahl und Form sie sich manifestieren, bestimmt dann maßgeblich die Wetterlage in Mitteleuropa. Diese Erfahrung spiegelt sich auch in der Bauernregel über den Siebenschläfertag wider. ⓘ
Ein „Resonanzmechanismus, der Wellen in den mittleren Breiten festhält und sie deutlich verstärkt“, wurde 2014 als Ursache unter anderem für die ab 2003 gestiegene Anzahl der Wetterextreme im Sommer in Bezug gebracht. Dazu zählt auch die Omegalage im Jahr 2010 mit Überschwemmungen in Pakistan und Mitteleuropa sowie der Ernteeinbußen und verheerenden Waldbränden u. a. um Moskau. ⓘ
Klimamodelle stellen einen Zusammenhang zwischen Kälteeinbrüchen in den USA unter anderem Anfang 2019 und lang anhaltenden Hitzeperioden in Europa 2003, 2006, 2015, 2018 und 2019 aufgrund der Jetstream-Abschwächung und Verwirbelung durch den menschengemachten Klimawandel her. Dies zählt zu den Folgen der globalen Erwärmung in der Arktis – „quasi als Resonanz-Verstärkung“. ⓘ
Ein Zusammenhang (Kausalität oder Korrelation) zwischen dem abgeschwächten oder instabilen Jetstream und längere Zeit ortsfesten Hoch- und Tiefdruckgebieten, die z. B. im Sommer 2021 die Hitzewelle in Nordamerika bzw. die extremen Niederschläge mit der Folge des Hochwassers in West- und Mitteleuropa verursachten, wird diskutiert. ⓘ
Hinzu kommt die menschengemachte Beeinflussung der Ozonschicht (→ Ozonloch). ⓘ
Ursache
Im Allgemeinen sind die Winde unmittelbar unter der Tropopause am stärksten (außer lokal, bei Tornados, tropischen Wirbelstürmen oder anderen anomalen Situationen). Treffen zwei Luftmassen mit unterschiedlichen Temperaturen oder Dichten aufeinander, ist der durch den Dichteunterschied verursachte Druckunterschied (der letztlich den Wind verursacht) in der Übergangszone am größten. Der Wind strömt nicht direkt vom warmen in den kalten Bereich, sondern wird durch den Coriolis-Effekt abgelenkt und fließt entlang der Grenze der beiden Luftmassen. ⓘ
Alle diese Tatsachen sind Folgen der thermischen Windbeziehung. Das Gleichgewicht der Kräfte, die auf ein atmosphärisches Luftpaket in vertikaler Richtung einwirken, besteht in erster Linie aus der Schwerkraft, die auf die Masse des Pakets einwirkt, und der Auftriebskraft bzw. dem Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Pakets. Jedes Ungleichgewicht zwischen diesen Kräften führt zu einer Beschleunigung des Pakets in die Richtung des Ungleichgewichts: nach oben, wenn die Auftriebskraft das Gewicht übersteigt, und nach unten, wenn das Gewicht die Auftriebskraft übersteigt. Das Gleichgewicht in vertikaler Richtung wird als hydrostatisch bezeichnet. Außerhalb der Tropen wirken die vorherrschenden Kräfte in horizontaler Richtung, und der Hauptkampf findet zwischen der Corioliskraft und der Druckgradientenkraft statt. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Kräften wird als geostrophisch bezeichnet. Aus dem hydrostatischen und geostrophischen Gleichgewicht lässt sich die thermische Windbeziehung ableiten: Der vertikale Gradient des horizontalen Windes ist proportional zum horizontalen Temperaturgradienten. Wenn zwei Luftmassen, eine kalte und dichte im Norden und eine heiße und weniger dichte im Süden, durch eine vertikale Grenze getrennt sind und diese Grenze entfernt wird, führt der Dichteunterschied dazu, dass die kalte Luftmasse unter die heißere und weniger dichte Luftmasse rutscht. Der Coriolis-Effekt führt dann dazu, dass die sich polwärts bewegende Masse nach Osten abweicht, während die sich äquatorwärts bewegende Masse nach Westen abweicht. Die allgemeine Tendenz in der Atmosphäre geht dahin, dass die Temperaturen in Richtung der Pole abnehmen. Infolgedessen entwickeln die Winde eine ostwärts gerichtete Komponente, die mit der Höhe zunimmt. Daher sind die starken ostwärts gerichteten Jetstreams zum Teil eine einfache Folge der Tatsache, dass es am Äquator wärmer ist als am Nord- und Südpol. ⓘ
Polare Strahlströme
Zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten stellt sich eine Ausgleichskraft ein, die man als Gradientkraft oder auch Druckgradientkraft bezeichnet. Im Bestreben, die Druck- bzw. Temperaturunterschiede auszugleichen, bewegt sich die Höhenluft, der Gradientkraft folgend, über die Breitengrade hinweg vom Höhenhoch des Äquators in Richtung des Höhentiefs der Pole, also vom Ort des höheren zum Ort des niedrigeren Druckes. Je stärker nun diese Druck- und Temperaturunterschiede sind, desto stärker ist auch die Gradientkraft und der aus ihr resultierende Wind. Diese Unterschiede sind nur selten, etwa bei tropischen Wirbelstürmen, groß genug, um die Luft in Nähe des Erdbodens ausreichend zu beschleunigen, und führen dabei auch meist nur zu Rotationsbewegungen, welche jedoch sehr unbeständig sind und aufgrund der fehlenden horizontalen Strömungsachse, trotz teilweise hoher Drehgeschwindigkeiten, keine Jetstreams darstellen. Diese selbst können sich nur bei den mit der Höhe zunehmenden Druckunterschieden und ohne Reibungseinflüsse (Freie Atmosphäre) bilden. Die Druckunterschiede nehmen jedoch auch nahe der Tropopause bzw. in der Stratosphäre wieder stark ab. Das erklärt, warum sich die sehr starken Jetstreams vor allem an scharfen Luftmassengrenzen entwickeln und zudem vertikal auf eine bestimmte Höhe begrenzt sind, im Endeffekt also die Erscheinungsform eines Windschlauches besitzen. Diese idealisierte Darstellung muss jedoch um den sogenannten Corioliseffekt erweitert werden. ⓘ
Subtropischer Jet
Ein zweiter Faktor, der zu einem konzentrierten Jet beiträgt, gilt eher für den subtropischen Jet, der sich an der polwärts gerichteten Grenze der tropischen Hadley-Zelle bildet, und diese Zirkulation ist in erster Linie symmetrisch in Bezug auf die Länge. Tropische Luft steigt bis zur Tropopause auf und bewegt sich polwärts, bevor sie absinkt; dies ist die Hadley-Zellen-Zirkulation. Dabei neigt sie dazu, den Drehimpuls zu erhalten, da die Reibung mit dem Boden gering ist. Luftmassen, die sich polwärts bewegen, werden durch die Corioliskraft nach Osten abgelenkt (dies gilt für beide Hemisphären), was für polwärts bewegte Luft eine verstärkte Westkomponente der Winde bedeutet (beachten Sie, dass die Ablenkung auf der Südhalbkugel nach links gerichtet ist). ⓘ
Andere Planeten
In der Jupiteratmosphäre gibt es mehrere Jetstreams, die durch die Konvektionszellen verursacht werden, die die bekannte gebänderte Farbstruktur bilden; auf dem Jupiter werden diese Konvektionszellen durch interne Erwärmung angetrieben. Die Faktoren, die die Anzahl der Jetstreams in einer Planetenatmosphäre steuern, sind ein aktives Forschungsgebiet der dynamischen Meteorologie. In Modellen nimmt die Zahl der Jetstreams ab, wenn man den Planetenradius vergrößert und alle anderen Parameter unverändert lässt. ⓘ
Einige Auswirkungen
Schutz vor Hurrikanen
Man nimmt an, dass der subtropische Jetstream, der die Basis des oberen mittelozeanischen Troges umrundet, eine der Ursachen dafür ist, dass die meisten der Hawaii-Inseln den vielen Hurrikanen, die sich ihnen genähert haben, standgehalten haben. Als sich beispielsweise der Hurrikan Flossie (2007) näherte und sich kurz vor dem Landfall auflöste, führte die US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) die vertikale Windscherung an, wie sie auf dem Foto zu sehen ist. ⓘ
Verwendet
Auf der Erde ist der nordpolare Jetstream der wichtigste für die Luftfahrt und die Wettervorhersage, da er viel stärker ist und sich in einer viel geringeren Höhe befindet als die subtropischen Jetstreams und außerdem viele Länder der nördlichen Hemisphäre abdeckt, während der südpolare Jetstream hauptsächlich die Antarktis und manchmal die Südspitze Südamerikas umkreist. Daher bezieht sich der Begriff Jetstream in diesem Zusammenhang in der Regel auf den nordpolaren Jetstream. ⓘ
Luftfahrt
Die Lage des Jetstreams ist für die Luftfahrt von großer Bedeutung. Die kommerzielle Nutzung des Jetstreams begann am 18. November 1952, als PanAm von Tokio nach Honolulu in einer Höhe von 7.600 Metern (24.900 Fuß) flog. Damit verkürzte sich die Reisezeit um mehr als ein Drittel, von 18 auf 11,5 Stunden. Dadurch wird nicht nur die Flugzeit verkürzt, sondern auch Treibstoff für die Fluggesellschaften eingespart. Innerhalb Nordamerikas kann die Zeit, die für einen Flug über den Kontinent nach Osten benötigt wird, um etwa 30 Minuten verkürzt werden, wenn ein Flugzeug mit dem Jetstream fliegen kann, oder um mehr als diesen Betrag verlängert werden, wenn es gegen den Jetstream nach Westen fliegen muss. ⓘ
Mit den Jetstreams ist ein Phänomen verbunden, das als Clear-Air-Turbulenz (CAT) bekannt ist und durch die von den Jetstreams verursachte vertikale und horizontale Windscherung verursacht wird. Die CAT ist am stärksten auf der Kaltluftseite des Jets, neben und knapp unter der Achse des Jets. Clear-Air-Turbulenzen können Flugzeuge zum Absturz bringen und stellen somit ein Sicherheitsrisiko für die Passagiere dar, das zu tödlichen Unfällen geführt hat, wie z. B. dem Tod eines Passagiers auf dem United-Airlines-Flug 826. ⓘ
Mögliche zukünftige Energieerzeugung
Wissenschaftler erforschen Möglichkeiten, die Windenergie des Jetstreams nutzbar zu machen. Einer Schätzung zufolge würde nur ein Prozent der potenziellen Windenergie des Jetstreams benötigt, um den derzeitigen Energiebedarf der Welt zu decken. Die Entwicklung der erforderlichen Technologie würde Berichten zufolge 10-20 Jahre in Anspruch nehmen. Es gibt zwei wichtige, aber voneinander abweichende wissenschaftliche Artikel über die Energie des Jetstreams. Archer & Caldeira behaupten, dass die Jetstreams der Erde eine Gesamtleistung von 1700 Terawatt (TW) erzeugen könnten und dass die klimatischen Auswirkungen der Nutzung dieser Menge vernachlässigbar wären. Miller, Gans & Kleidon hingegen behaupten, dass die Jetstreams eine Gesamtleistung von nur 7,5 TW erzeugen könnten und dass die Auswirkungen auf das Klima katastrophal wären. ⓘ
Luftangriff ohne Energieversorgung
Gegen Ende des Zweiten Weltkriegs, von Ende 1944 bis Anfang 1945, wurde die japanische Fu-Go-Ballonbombe, eine Art Feuerballon, als billige Waffe entwickelt, die den Jetstream über dem Pazifik nutzen sollte, um die Westküste Kanadas und der Vereinigten Staaten zu erreichen. Als Waffe waren sie relativ unwirksam, aber sie wurden bei einem der wenigen Angriffe auf Nordamerika während des Zweiten Weltkriegs eingesetzt, bei dem sechs Menschen starben und ein geringer Schaden entstand. Allerdings waren die Japaner zu dieser Zeit weltweit führend in der Erforschung biologischer Waffen. Das Noborito-Institut der kaiserlichen japanischen Armee züchtete Milzbrand und die Pest Yersinia pestis; außerdem produzierte es genügend Kuhpockenviren, um die gesamten Vereinigten Staaten zu infizieren. Der Einsatz dieser biologischen Waffen auf Feuerballons war 1944 geplant. Kaiser Hirohito lehnte den Einsatz der biologischen Waffen auf der Grundlage eines Berichts des Präsidentenstabsoffiziers Umezu vom 25. Oktober 1944 ab. Folglich wurde die biologische Kriegsführung mit Fu-Go-Ballons nicht durchgeführt. ⓘ
Veränderungen aufgrund von Klimazyklen
Auswirkungen von ENSO
Die El-Niño-Südliche Oszillation (ENSO) beeinflusst die durchschnittliche Lage der Jetstreams auf der oberen Ebene und führt zu zyklischen Niederschlags- und Temperaturschwankungen in Nordamerika und beeinflusst die Entwicklung tropischer Wirbelstürme im östlichen Pazifik und Atlantik. In Verbindung mit der Pazifischen Dekadischen Oszillation kann ENSO auch die Niederschläge der kalten Jahreszeit in Europa beeinflussen. ENSO-Veränderungen verändern auch die Lage des Jetstreams über Südamerika, was sich teilweise auf die Niederschlagsverteilung über dem Kontinent auswirkt. ⓘ
El Niño
Während El-Niño-Ereignissen werden in Kalifornien aufgrund einer südlicheren, zonalen Sturmrichtung mehr Niederschläge erwartet. Während des Niño-Anteils von ENSO kommt es entlang der Golfküste und im Südosten zu vermehrten Niederschlägen, da der polare Jetstream stärker als normal und südlicher ist. In den südlichen Rocky Mountains und der Sierra Nevada fallen überdurchschnittlich viele Schneefälle, während sie im oberen Mittleren Westen und in den Staaten der Großen Seen deutlich unter dem Normalwert liegen. Im nördlichen Teil der unteren 48 Staaten liegen die Temperaturen im Herbst und Winter über dem Normalwert, während die Temperaturen an der Golfküste im Winter unter dem Normalwert liegen. Der subtropische Jetstream über den tiefen Tropen der nördlichen Hemisphäre wird durch verstärkte Konvektion im äquatorialen Pazifik verstärkt, was die tropische Zyklogenese in den atlantischen Tropen unter das normale Maß absenkt und die Aktivität tropischer Wirbelstürme im östlichen Pazifik erhöht. In der südlichen Hemisphäre verschiebt sich der subtropische Jetstream äquatorwärts oder nördlich seiner normalen Position, wodurch Frontensysteme und Gewitterkomplexe davon abgehalten werden, zentrale Teile des Kontinents zu erreichen. ⓘ
La Niña
In ganz Nordamerika werden während La Niña vermehrt Niederschläge in den pazifischen Nordwesten umgeleitet, da sich die Zugbahn der Stürme und der Jetstream weiter nach Norden verlagern. Die Sturmbahn verlagert sich weit genug nach Norden, um den Staaten des Mittleren Westens feuchtere als normale Bedingungen (in Form von mehr Schneefall) sowie heiße und trockene Sommer zu bescheren. Im Pazifischen Nordwesten und an den westlichen Großen Seen liegen die Schneefälle über der Norm. Über dem Nordatlantik ist der Jetstream stärker als normal, was stärkere Systeme mit mehr Niederschlag nach Europa lenkt. ⓘ
Dust Bowl
Es gibt Hinweise darauf, dass der Jetstream zumindest teilweise für die weit verbreitete Dürre während der Dust Bowl in den 1930er Jahren im Mittleren Westen der USA verantwortlich war. Normalerweise strömt der Jetstream über den Golf von Mexiko nach Osten und dreht dann nach Norden, wobei er Feuchtigkeit mitreißt und Regen auf die Great Plains schüttet. Während der Dust Bowl schwächte sich der Jetstream ab, änderte seinen Kurs und bewegte sich weiter südlich als normal. Dadurch blieben die Great Plains und andere Gebiete des Mittleren Westens ohne Niederschläge, was zu außergewöhnlichen Dürreperioden führte. ⓘ
Längerfristige klimatische Veränderungen
Klimawissenschaftler stellen die Hypothese auf, dass sich der Jetstream infolge der globalen Erwärmung allmählich abschwächt. Trends wie der Rückgang des arktischen Meereises, eine geringere Schneebedeckung, Evapotranspirationsmuster und andere Wetteranomalien haben dazu geführt, dass sich die Arktis schneller erwärmt als andere Teile des Globus (polare Verstärkung). Dies wiederum verringert den Temperaturgradienten, der die Winde des Jetstreams antreibt, was schließlich dazu führen kann, dass der Jetstream schwächer und in seinem Verlauf variabler wird. Infolgedessen wird erwartet, dass extreme Winterwetterlagen häufiger auftreten werden. Bei einem schwächeren Jetstream ist es wahrscheinlicher, dass der Polarwirbel aus dem Polargebiet austritt und extrem kaltes Wetter in die Regionen der mittleren Breiten bringt. ⓘ
Seit 2007 und insbesondere in den Jahren 2012 und Anfang 2013 befindet sich der Jetstream über dem Vereinigten Königreich auf einem ungewöhnlich niedrigen Breitengrad, der näher am Ärmelkanal liegt, nämlich bei etwa 50°N und nicht wie üblich nördlich von Schottland bei etwa 60°N. Zwischen 1979 und 2001 verschob sich die durchschnittliche Position des Jetstreams auf der Nordhalbkugel jedoch um 2,01 Kilometer pro Jahr nach Norden. In Nordamerika könnte diese Art von Veränderung zu trockeneren Bedingungen im Süden der Vereinigten Staaten und zu häufigeren und intensiveren tropischen Wirbelstürmen in den Tropen führen. Eine ähnliche langsame polwärts gerichtete Verschiebung wurde bei der Untersuchung des Jetstreams der südlichen Hemisphäre über denselben Zeitraum festgestellt. ⓘ
Andere Jets der oberen Ebene
Polarnacht-Jet
Der Polarnacht-Jetstream bildet sich vor allem in den Wintermonaten, wenn die Nächte auf den jeweiligen Hemisphären bei etwa 60° Breite viel länger sind, also die Polarnacht. Der Polarnachtstrahl bewegt sich in einer größeren Höhe (etwa 24.000 Meter) als im Sommer. Während dieser dunklen Monate wird die Luft über den Polen viel kälter als die Luft über dem Äquator. Dieser Temperaturunterschied führt zu extremen Luftdruckunterschieden in der Stratosphäre, die in Verbindung mit dem Coriolis-Effekt die Polarwirbel erzeugen, die in einer Höhe von etwa 48 Kilometern nach Osten rasen. Der Polarwirbel wird vom Polarnachtstrahl umkreist. Die wärmere Luft kann sich nur entlang des Randes des Polarwirbels bewegen, aber nicht in ihn eindringen. Innerhalb des Wirbels wird die kalte Polarluft immer kälter, da während der Polarnacht weder wärmere Luft aus niedrigeren Breiten noch Energie von der Sonne eindringt. ⓘ
Tiefdruckgebiete
Es gibt Windmaxima in tieferen Schichten der Atmosphäre, die auch als Jets bezeichnet werden. ⓘ
Barrierestrahl
Ein Barrierestrahl in den unteren Schichten bildet sich unmittelbar vor Gebirgsketten, wobei die Berge den Strahl zwingen, sich parallel zu den Bergen auszurichten. Durch die Gebirgsbarriere wird die Stärke des Tiefdruckgebietswindes um 45 Prozent erhöht. In den nordamerikanischen Great Plains trägt ein südlicher Tiefausläufer in der warmen Jahreszeit zur nächtlichen Gewitteraktivität bei, normalerweise in Form von mesoskaligen konvektiven Systemen, die sich in den Nachtstunden bilden. Ein ähnliches Phänomen entwickelt sich über Australien, das Feuchtigkeit vom Korallenmeer polwärts in Richtung von Tiefdruckgebieten zieht, die sich hauptsächlich über den südwestlichen Teilen des Kontinents bilden. ⓘ
Küstenjet
Küstentiefs stehen im Zusammenhang mit einem scharfen Kontrast zwischen hohen Temperaturen über dem Land und niedrigeren Temperaturen über dem Meer und spielen eine wichtige Rolle für das Wetter an der Küste, da sie starke küstenparallele Winde hervorrufen. Die meisten Küstenjets sind mit ozeanischen Hochdrucksystemen und thermischen Tiefs über dem Land verbunden. Diese Jets befinden sich hauptsächlich entlang der kalten östlichen Meeresströmungen, in den Auftriebsgebieten vor der Küste Kaliforniens, Peru-Chile, Benguela, Portugal, den Kanarischen Inseln und Westaustralien sowie vor der Küste des Jemen-Oman. ⓘ
Talausgangsstrahl
Ein Talausgangsjet ist eine starke, talabwärts gerichtete Höhenströmung, die über dem Schnittpunkt des Tals und der angrenzenden Ebene entsteht. Diese Winde erreichen häufig Geschwindigkeiten von bis zu 20 m/s (72 km/h; 45 mph) in einer Höhe von 40-200 m (130-660 ft) über dem Boden. Die Oberflächenwinde unterhalb des Jets sind in der Regel wesentlich schwächer, auch wenn sie stark genug sind, um die Vegetation zu bewegen. ⓘ
Talausgangsdüsen sind wahrscheinlich in Talregionen zu finden, die tageszeitliche Gebirgswindsysteme aufweisen, wie z. B. in den trockenen Gebirgszügen der USA. Tiefe Täler, die abrupt in einer Ebene enden, werden von diesen Faktoren stärker beeinflusst als solche, die mit zunehmender Entfernung vom Tal immer flacher werden. ⓘ
Afrika
Der mittlere afrikanische Ostjet tritt während des Sommers auf der Nordhalbkugel zwischen 10°N und 20°N über Westafrika auf, und der nächtliche, polwärts gerichtete Tiefjet tritt in den Great Plains von Ost- und Südafrika auf. Dem östlichen afrikanischen Tiefdruckgebiet wird eine entscheidende Rolle für den Südwestmonsun in Afrika zugeschrieben, und es trägt zur Bildung der tropischen Wellen bei, die in der warmen Jahreszeit über den tropischen Atlantik und den östlichen Pazifik ziehen. Die Bildung des thermischen Tiefs über Nordafrika führt von Juni bis Oktober zu einem schwach ausgeprägten westlichen Jetstream. ⓘ
Entstehungsursachen
Die vergleichsweise starke Sonneneinstrahlung am Äquator sorgt hier für eine Erwärmung der bodennahen Luftmassen und eine positive Energiebilanz, während diese an den Polen aufgrund der Breitengradabhängigkeit der durch die Sonne bedingten Strahlungsenergie negativ ist. Es handelt sich folglich im bodennahen Bereich des Äquators um relativ warme Luftmassen, die im Vergleich zu den kälteren Luftmassen der Pole eine geringere Dichte besitzen. Die Luft der Troposphäre ist deswegen entlang der den ganzen Erdball umspannenden innertropischen Konvergenzzone (ITC) lockerer gepackt als an den Polen, was zur Folge hat, dass der vertikale Druckgradient wesentlich geringer ist als bei niedrigen Temperaturen und der Luftdruck daher langsamer mit der Höhe sinkt als südlich oder nördlich der ITC. Die Troposphäre kann unter anderem deswegen entlang des Äquators bis in eine Höhe von ungefähr 18 km reichen und sich in den gemäßigten Breiten bis in eine Höhe von ca. 12 km erstrecken, während sie an den Polen nur eine durchschnittliche Mächtigkeit von 8 km erreicht. Diese Luftdichteverminderung am Äquator ist dabei mit einer relativen Druckerniedrigung und somit einem stabilen Tiefdruckgürtel verbunden, eben der schon angesprochenen innertropischen Konvergenzzone, wobei eine Unterscheidung zwischen ITC und Äquator nötig ist. In der Höhe hingegen herrscht aufgrund des geringen Druckgradienten ein Hochdruckgebiet, weshalb man am Äquator zwischen Bodentief und Höhenhoch unterscheidet. ⓘ
Über den Polen sind die Luftmassen hingegen wesentlich dichter gepackt. Durch die geringe Sonneneinstrahlung ist die Luft hier kalt und lagert aufgrund der höheren Dichte schwerer auf der Erdoberfläche. Der Druckgradient ist hier folglich wesentlich stärker ausgeprägt und es existieren stabile Hochdruckgebiete am Boden. Man spricht deshalb von einem Bodenhoch und dementsprechend auch von einem Höhentief. ⓘ
Die Luftdruck- bzw. Temperaturunterschiede zwischen dem Äquator und den Polen sind also thermisch bedingt. Sie resultieren aus der Breitenabhängigkeit der Sonneneinstrahlung, die sich rein geometrisch aus den verschieden großen Einfallswinkeln der Sonnenstrahlung ergibt. Der Antriebsmotor des entstehenden dynamischen Wetter- und Windsystems und somit auch der Jetstreams lässt sich demnach, trotz aller anderen Einflussfaktoren, in der Sonne finden. ⓘ
Bedeutung
Luftfahrt
Besonders auf Linienflügen über größere Entfernungen, beispielsweise zwischen Nordamerika und Europa, ist der Effekt des Jetstream deutlich spürbar. Da es sich um einen starken und recht verlässlichen Höhenwind handelt, können Flugzeuge ihn nutzen, um eine höhere Geschwindigkeit und auch einen niedrigeren Treibstoffverbrauch zu erreichen. Sowohl Flughöhen als auch Reiserouten werden deshalb an den Verlauf des Jetstream so angepasst, dass man ihn als Rückenwind nutzen oder als Gegenwind meiden kann. Er ist also unter anderem dafür verantwortlich, dass Flughöhen von zehn bis zwölf Kilometern, je nach Höhe des Jetstream und der Reiseroute, weit abseits einer direkten „Luftlinie“ favorisiert werden. Bei einem Flug über den Atlantik nach Europa beispielsweise verläuft die Route abseits der Orthodrome (Großkreise), was eine Zeitersparnis von mehreren Stunden nach sich ziehen kann. Daraus leiten sich jedoch auch negative Effekte auf die Navigation und Flugsicherung ab. ⓘ
Mindestens ein Flugzeugabsturz, nämlich der der Star Dust 1947 in den Anden, wurde durch das Nichtberücksichtigen eines Jetstreams in Gegenflugrichtung bei einem Flug unter Koppelnavigation verursacht. ⓘ
Eine weitere interessante Anwendung der Jetstreams ergibt sich für die Ballonfahrt. Japan konnte rein unter Ausnutzung dieser Streams am Ende des Zweiten Weltkriegs das amerikanische Festland mit Sprengstoff führenden Ballons angreifen (allerdings ohne größere Erfolge). Die erste Ballon-Weltumrundung 1999 durch Bertrand Piccard mit Copilot Brian Jones wurde erst durch die Nutzung der Geschwindigkeit des Jetstreams möglich. Sie erfolgte ein Stück abseits des Äquators und mit Navigationsunterstützung durch Bodenstationen aufgrund von Wetterdaten. ⓘ
Jetstreams werden von Gebieten mit verstärkter Turbulenz begleitet. Dieser Umstand muss bei Flügen mit berücksichtigt werden. ⓘ
Astronomie
In der Astronomie spielt das Seeing bei der visuellen Beobachtung und der Astrofotografie eine wichtige Rolle. Eine der Hauptursachen des Seeings ist der Jetstream, indem in der Übergangsschicht zu tieferen Luftschichten aufgrund von Geschwindigkeitsunterschieden Turbulenzen entstehen. Diese Turbulenzen verursachen schnelle Änderungen im optischen Brechungsindex der Luft und somit eine verminderte Abbildungsqualität. ⓘ
Produktion elektrischer Energie
Die Nutzung des Höhenwindes bzw. der Jetstreams als Primärquelle von Erneuerbaren Energien durch Flugwindkraftwerken hat das Forschungs- und Entwicklungsstadium bisher nicht überschritten. ⓘ