Wind entsteht vor allem durch die Kraft der Sonne. Wenn die Sonnenstrahlen den Erdboden aufheizen, erwärmt sich darüber auch die Luft. Die Warmluft dehnt sich aus und wird dadurch dünner und leichter: die Luftmasse steigt nach oben. In Bodennähe entsteht so Tiefdruck. Wo es kalt ist, sinkt die Luft dagegen ab und am Boden bildet sich Hochdruck. Um den Druckunterschied zwischen benachbarten Luftmassen auszugleichen, strömt kältere Luft dorthin, wo warme Luft aufsteigt. Das geschieht umso schneller, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Luftschichten ist. So gerät die Luft in Aktion – es weht ein mehr oder weniger starker Wind.

Besonders gut lässt sich die Entstehung von Wind am Meer beobachten. Tagsüber erwärmt sich die Luft über dem Land schneller als über dem Wasser. Die warmen Luftmassen steigen nach oben und saugen die kühle und schwere Luft über der See an: Der Wind weht vom Meer zum Land. Nachts ändert der Wind seine Richtung. Weil das Wasser die Wärme länger speichert als das Land, ist auch die Luft darüber noch wärmer und steigt auf. Dann bläst der Wind vom Land zum Meer.

Woher der Wind weht, wird immer mit der Himmelsrichtung angegeben. In unseren Breiten ist das oft aus westlicher Richtung, wir leben in der sogenannten Westwindzone. Die heißen Passatwinde wehen dagegen zuverlässig aus östlicher Richtung zum Äquator hin. Und die polaren Ostwinde transportieren eisige Luftmassen vom Pol zum Polarkreis.

Ohne die Atmosphäre gäbe es auf diesem Planeten kein Leben, denn Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Luft zum Atmen. Sie schützt uns vor der Kälte und vor schädlicher Strahlung aus dem Weltall. Außerdem lässt sie Meteoriten verglühen, bevor sie auf der Erdoberfläche einschlagen können. Diese Lufthülle ist für uns lebenswichtig – aber woraus besteht sie eigentlich?

Die Atmosphäre ist ein Mix aus verschiedenen Gasen. Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent sind das fast vier Fünftel der gesamten Atmosphäre. Nur 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Das restliche eine Prozent machen verschiedene Spurengase aus – also Gase, die nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zu diesen Spurengasen gehören Methan, Stickoxide und vor allem Kohlendioxid, kurz CO₂ genannt. Obwohl der CO₂-Anteil recht gering ist, hat dieses Spurengas gewaltigen Einfluss auf unser Erdklima. Das zeigt sich am Treibhauseffekt, der unseren Planeten aufheizt.

Dass die Erde überhaupt eine Atmosphäre hat, liegt an der Schwerkraft. Sie hält die Gasmoleküle auf der Erde fest und verhindert, dass diese einfach ins Weltall hinaus fliegen. Tatsächlich wird die Luft mit steigender Höhe und damit abnehmender Schwerkraft immer dünner. Schon ab 2000 Metern über dem Meeresspiegel kann sich das für den Menschen unangenehm bemerkbar machen: Er leidet an der Höhenkrankheit mit Atemnot, Kopfschmerzen und Übelkeit. Extrembergsteiger, die hohe Gipfel wie die 8000er des Himalaya erklimmen wollen, nehmen daher meistens künstlichen Sauerstoff mit auf ihre Tour.

Durch ihre Schwere übt die Luft also einen Druck auf die Erdoberfläche aus: den Luftdruck. Je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt, desto geringer wird er. Das ist deutlich in den Ohren zu spüren, wenn man in einem Flugzeug sitzt, das aufsteigt oder sinkt.

Aber nicht nur die Höhe, auch die Temperatur wirkt sich auf den Luftdruck aus. Denn warme Luft dehnt sich aus, ist leichter und steigt auf: Der Luftdruck am Boden sinkt. Kalte Luft dagegen ist schwerer und fällt nach unten: Der Luftdruck in Bodennähe steigt. Werden die Luftmassen an verschiedenen Orten der Erde unterschiedlich erwärmt, entstehen Gebiete mit hohem und Gebiete mit niedrigem Luftdruck: die Hoch- und Tiefdruckgebiete. In den Hochdruckgebieten sinken die Luftmassen und erwärmen sich. Wolken lösen sich auf, der Himmel ist blau und die Sonne scheint. Tiefdruckgebiete sorgen dagegen für schlechtes Wetter: Beim Aufsteigen der feuchtwarmen Luft bilden sich beim Abkühlen in der Höhe Wolken und es kann regnen.

Auf Wetterkarten sind die Hoch- und Tiefdruckgebiete mit den Buchstaben H für Hoch und T für Tief eingezeichnet. Gebiete mit gleichem Luftdruck werden auf den Karten durch Linien voneinander abgegrenzt, die so genannten Isobaren.

Die Druckunterschiede zwischen Hoch und Tief gleicht der Wind wieder aus: Von den Hochdruckgebieten weht er immer in Richtung Tief. Weil er dabei durch die Corioliskraft abgelenkt wird, können die Luftmassen nicht direkt vom Hoch zum Tief strömen. Statt kerzengerade zu fließen, machen sie eine Schlangenlinie. Auf der Nordhalbkugel drehen sie nach rechts und umkreisen daher das Hoch im Uhrzeigersinn, das Tief entgegen dem Uhrzeigersinn. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

Ohne die Sonne gäbe es kein Leben auf diesem Planeten, jedenfalls nicht so wie wir es heute kennen. Die Sonne ist eine gigantische Energiequelle, die Licht und Wärme ins Weltall strahlt. Ein Teil ihrer Strahlung erreicht auch die Erde. Diese Energie erwärmt unsere Atmosphäre, den Erdboden und die Meere.

Am stärksten heizt die Sonne die Gegend um den Äquator auf, denn dort treffen ihre Strahlen senkrecht auf eine relativ kleine Fläche. Die Pole erreichen die Sonnenstrahlen dagegen in einem flacheren Winkel. Hier verteilt sich die Sonnenenergie daher auf eine größere Fläche; und in diesen Regionen bleibt es kühler. So sorgt die verschieden starke Sonneneinstrahlung für unterschiedliche Klimazonen. Auch Jahreszeiten und Wetter sind das Ergebnis von unterschiedlich starker Sonneneinstrahlung.

Würde die Erde die gesamte Sonnenenergie speichern, wäre es hier in kürzester Zeit unerträglich heiß. Das ist schon an einem heißen Sommertag zu spüren, wenn die Temperatur nach Sonnenaufgang in kürzester Zeit auf 30 Grad Celsius klettert. Damit das Klima über Jahrhunderte stabil bleiben kann, muss die Erde etwa die gleiche Menge der gelieferten Sonnenenergie auch wieder loswerden.

Das geschieht durch die Strahlung der Erde ins All. Etwa ein Drittel der Sonnenenergie wird von Atmosphäre, Landfläche, Gewässern und Eismassen sofort zurückreflektiert. Den Rest an Energie nimmt die Erde zunächst in Form von Wärme auf. Diese Wärme gibt sie dann langsam und in alle Himmelsrichtungen wieder an den Weltraum ab.

Benannt ist die Skala nach dem Briten Sir Francis Beaufort, der eine ähnliche Skala vor gut 200 Jahren verwendete. Damals bestimmte man die Windstärke, indem man zum Beispiel auf einem Schiff die Höhe der Wellen oder die Wirkung des Windes auf die Segel beobachtete und dann die dazu passende Windstärke in einer Tabelle ablas. Heute gehört zu jeder Windstärke eine bestimmte Windgeschwindigkeit. So bedeutet Windstärke 0, dass der Wind weniger schnell als ein Stundenkilometer weht. Damit ist er unmerkbar – es herrscht Windstille. Hat der Wind dagegen eine Geschwindigkeit von 39-49 Stundenkilometern, also fast so schnell wie ein Auto in der Stadt fährt, dann bewegen sich schon große Äste. Ein solch starker Wind hat Windstärke 6. Bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 62 Stundenkilometern ist von einem Sturm die Rede. Und ein Orkan ist unterwegs, wenn die Windgeschwindigkeit 118 Stundenkilometer übersteigt: Das entspricht dem höchsten Wert der Skala, der Windstärke 12. In diesem Fall ist mit schweren Verwüstungen zu rechnen.

Der stärkste Wind, der jemals an der Erdoberfläche gemessen wurde, wehte übrigens im April 1996 mit satten 408 Stundenkilometern über die Insel Barrow Island in Westaustralien. Ein solch heftiger Sturm kann Eisenbahnen von den Schienen blasen und Gebäude wie Kartenhäuser zusammenfallen lassen. Auch auf Barrow Island brachte der Sturm schlimme Verwüstungen mit sich.

Ein Hurrikan entsteht da, wo warmes Wasser verdunstet und feuchtwarme Luft schnell und hoch aufsteigt. Zum Ausgleich wird kalte Luft nach unten gesaugt. Ein Gewitter zieht auf. Durch die Corioliskraft beginnen sich die kalten und warmen Luftmassen wie in einer Spirale zu drehen. Durch das Rotieren saugen sie noch mehr feuchtwarme Meeresluft an. So wird der Wirbelsturm immer stärker: Er kann einen Durchmesser von mehreren Hundert Kilometern erlangen und Tausende von Kilometern zurücklegen. Seine Luftmassen erreichen dabei eine Geschwindigkeit von bis zu 300 Stundenkilometern. Nur im Zentrum herrscht Windstille: Das ist das Auge des Hurrikans. Bis sich der Sturm legt, kann es über eine Woche dauern.

Um einen solchen Wirbelsturm zu bilden, muss das Wasser eine Temperatur von mindestens 27° Celsius besitzen. Zusätzlich wird die Corioliskraft benötigt, die eine Drehung der Luftmassen verursacht. In Richtung der Pole ist das Wasser zu kalt, in Richtung Äquator wird die Corioliskraft zu gering. Aus diesem Grund entstehen Hurrikane nur in einem Streifen in den Tropen, der etwa zwischen dem 5. und dem 20. Breitengrad liegt.

Kleiner, aber noch viel schneller als Hurrikane sind Tornados, auch „Windhosen“ genannt. Sie bilden sich in feuchtheißen Regionen beim Zusammentreffen von warmer und kalter Luft während eines Gewitters. Wie ein gewaltiger Rüssel senken sie sich aus einer Gewitterwolke herab bis zum Boden. Im Inneren dieses Rüssels herrscht sehr geringer Luftdruck, der die Luftmassen ansaugt und herumwirbelt. Solche Tornados können sehr klein sein, aber auch einen Durchmesser von bis zu 1,5 Kilometern bekommen und sind bis in die Ferne gut sichtbar, weil sie Staub und Wasserdampf weit nach oben reißen. Schon nach kurzer Zeit ist der Spuk vorbei.

Dort, wo der Tornado entlangrast, hinterlässt er indes eine Schneise der Verwüstung. Besonders häufig kommen die gefährlichen Luftwirbel im Mittleren Westen der USA vor. Dort gibt es sogar eine richtige „Tornado-Straße“: Weil hier kalte und warme Luftmassen aus Nord und Süd ungehindert aufeinanderprallen, rasen durch diese Gegen mehrere hundert Tornados im Jahr.

Ihren Ursprung haben die Passatwinde am Äquator. Dort treffen die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Erde und heizen die Luft sehr stark auf. Die Luftmassen dehnen sich aus und steigen auf. Oben breiten sie sich in Richtung der Wendekreise aus. Weil die Luft auf dieser Reise abkühlt, sinkt sie nach einer Weile wieder nach unten und sorgt am Boden für Hochdruck. So bilden sich in etwa 30° nördlicher und südlicher Breite eine ganze Reihe von Hochdruckgebieten: der subtropische Hochdruckgürtel. Zu diesem subtropischen Hochdruckgürtel gehört zum Beispiel das Azorenhoch, das sich stark auf das Wetter in Europa auswirkt.

Am Äquator selbst sind durch die aufsteigenden Luftmassen Gebiete mit tiefem Luftdruck entstanden. Durch diesen Unterdruck werden Luftmassen vom subtropischen Hochdruckgürtel angesaugt, die Passatwinde. Diese wehen allerdings nicht direkt vom Hoch zum Tief, sondern werden durch die Corioliskraft abgelenkt. Darum weht der Passat auf der Nordhalbkugel immer aus Nordost, auf der Südhalbkugel aus Südost. Am Äquator treffen diese Passatwinde aufeinander. Durch die starke Sonneneinstrahlung steigt die Luft erneut nach oben, so dass es fast windstill ist. Hier schließt sich der Kreislauf der Passatwinde, die Teil eines globalen Windmusters sind.

Weil der Stand der Sonne im Lauf eines Jahres wandert, verlagert sich auch der Ort der stärksten Sonneneinstrahlung. Dadurch verschiebt sich die ganze Passatzirkulation um einige Breitengrade zwischen Nord und Süd.

Der unermüdliche Kreislauf der Luft beginnt am Äquator, wo ständig warme Luft aufsteigt. Am Boden bildet sich eine ganze Kette von Tiefdruckgebieten, die sogenannte äquatoriale Tiefdruckrinne. Die aufgestiegene Luft bewegt sich in großer Höhe in Richtung der Pole. Weil sie unterwegs abkühlt, sinkt sie in den Subtropen bei etwa 30° nördlicher und südlicher Breite wieder ab und strömt am Erdboden als Passatwind zurück in Richtung Äquator. Der gesamte Windkreislauf um den Äquator wurde schon 1753 von dem englischen Wissenschaftler George Hadley beschrieben und wird darum „Hadley-Zelle“ genannt. (Als „Zelle“ bezeichnen Meteorologen eine kreisförmige Luftströmung.)

Auch rund um die Pole zirkulieren Luftmassen und bilden die beiden „polaren Zellen“: Weil am Pol kalte Luft zu Boden sinkt, entsteht an dieser Stelle ein Hochdruckgebiet. Von hier aus strömt am Boden kalte Luft in Richtung Äquator. Sobald sich diese Luftmasse ausreichend erwärmt hat, steigt sie wieder auf: Eine ganze Reihe von Tiefs entsteht rund um den 60. Breitengrad, die subpolare Tiefdruckrinne. Die Luft, die hier aufsteigt, fließt in der Höhe zurück zum Pol.

Zwischen polarer Zelle und Hadley-Zelle, etwa zwischen dem 30. und 60. Breitengrad treffen sich die Luftmassen der Polargebiete und der Passatzone: Hier hat sich die dritte große Windzelle breit gemacht. Nach ihrem Entdecker, dem Amerikaner William Ferrel, heißt sie auch „Ferrel-Zelle“. Weil in dieser Region kalte und warme Luftmassen aufeinandertreffen, herrscht hier oft wechselhaftes und regenreiches Wetter, das wir in Mitteleuropa gut kennen. Der Wind kommt vorherrschend aus westlicher Richtung. Darum wird die Region zwischen 40. und 60. Breitengrad in Europa Westwindzone genannt. Auch in der Höhe kommt der Wind aus Westen: An der Grenze zur polaren Zelle fließen starke Höhenwinde, die durch die Corioliskraft gedreht und nach Osten gelenkt werden – die sogenannten Jetstreams.

Auf jeder Halbkugel haben sich also drei große Windkreisläufe aufgebaut: die Hadley-Zelle, die Ferrel-Zelle und die polare Zelle. Warum es gerade drei sind, hängt mit der Geschwindigkeit der Erdrotation zusammen. Was passieren würde, wenn sich die Erde viel langsamer drehen würde, lässt sich mit dem Computer simulieren: Dann würde die warme Luft einfach am Äquator aufsteigen, abgekühlt am Pol wieder sinken und am Boden zurückfließen. Es gäbe auf jeder Hemisphäre nur eine große Windzelle. Je schneller man aber im Computermodell die Erde rotieren lässt, desto mehr Windzellen spalten sich ab. Bei der Simulation der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit der Erde kommt auch der Computer zum Ergebnis: Es gibt auf jeder Halbkugel genau drei große Windzellen.