Ein Tropensturm, der vom Äquator aus nach Norden zieht, tut dies nicht in einer geraden Linie, sondern er driftet nach rechts ab. Das liegt an der Corioliskraft. Sie wirkt unter anderem auf große Luftmassen und lenkt diese ab.
Aber was ist diese Corioliskraft überhaupt und wie entsteht sie?
Corioliskraft – Definition
Im Jahr 1835 untersuchte Gaspard Gustave de Coriolis erstmals eine Kraft, die große Luft- und Meeresströmungen der Erde ablenkte – die Corioliskraft.
Abb. 1 - Portrait von Gaspard Gustave de Coriolis
Die Corioliskraft wirkt auf sich bewegende Teilchen und lenkt diese aufgrund der Erdrotation ab.
Die Corioliskraft wirkt also auf unserer Erde und ist verantwortlich dafür, dass sich Luft- und Wassermassen nicht einfach von Nord nach Süd und umgekehrt bewegen, sondern in ihrer Bahn abgelenkt werden.
Die Corioliskraft wird als sogenannte Scheinkraft bezeichnet. Sie hängt also von einem Bezugssystem ab. Das Bezugssystem der Corioliskraft ist die sich drehende Erde und ihre sich ebenfalls mitdrehende Atmosphäre.
Mehr zur Wirkung von Kräften als Scheinkräfte und weitere interessante Fakten zu Kraft findest Du im Fach Physik.
Corioliskraft – einfach erklärt
Ursache für die Corioliskraft ist die Rotation der Erde um ihre eigene Achse und die gleichzeitige Rotation der Atmosphäre. Denn durch die Gravitation – auch Erdanziehungskraft genannt – und die Reibung der in der Atmosphäre vorhandenen Luftteilchen an der Erdoberfläche dreht sich die Atmosphäre der Erde mit der Erde selbst mit.
Genauere Informationen zur Atmosphäre der Erde findest Du in einer eigenen Erklärung dazu. Schau sie Dir gerne im Anschluss an.
Corioliskraft – Bahngeschwindigkeit
Die Erde und ihre Atmosphäre drehen sich innerhalb von 24 Stunden von West nach Ost einmal um die Erdachse. Die Geschwindigkeit, mit der sich Orte auf der Erde deshalb bewegen, nennt man Bahngeschwindigkeit. Sie berechnet sich aus der Zeit, die ein Ort für eine Erdumdrehung braucht, und der Strecke, die er dabei zurücklegt.
Da diese Zeit immer 24 Stunden entspricht, sich aber die zurückgelegte Strecke je nach Breitengrad unterscheidet, ist die Bahngeschwindigkeit von Orten auf verschiedenen Breitengraden der Erde auch unterschiedlich schnell.
Der Erdumfang am Äquator beträgt 40.080 Kilometer. Um diese Strecke zurückzulegen, benötigt ein Ort am Äquator 24 Stunden. Teilst Du nun die 40.080 Kilometer durch die 24 Stunden, erhältst Du am Äquator eine Bahngeschwindigkeit von 1.670 km/h.
Am 60. Breitengrad hat die Erde einen Umfang von 20.040 Kilometer, auch dafür braucht ein Ort auf diesem Breitengrad 24 Stunden. Daraus ergibt sich für Orte auf 60° Nord und Süd eine Bahngeschwindigkeit von 835 km/h.2
Die Bahngeschwindigkeit nimmt also vom Äquator in Richtung der Pole durch den kleiner werdenden Erdumfang ab.
Der Erdumfang wird zu den Polen hin deshalb kleiner, weil die Erde eine Kugelform hat.
Corioliskraft – Entstehung
Die Bahngeschwindigkeit spielt bei der Entstehung der Corioliskraft die entscheidende Rolle.
Bewegen sich nämlich Objekte oder Luftteilchen parallel zu den Längengraden, also in Richtung Äquator oder in Richtung des Nord- oder Südpols, behalten sie immer die Bahngeschwindigkeit bei, die sie am Ursprungsort ihrer Bewegung hatten. Das liegt an der sogenannten Massenträgheit.
Die Massenträgheit bezeichnet den Widerstand eines Objektes gegen eine Drehbewegung.
Das Objekt beziehungsweise die Teilchen behalten also trotz der Drehbewegung der Erde ihre ursprüngliche Geschwindigkeit bei.
Da nun aber die Bahngeschwindigkeit weiter polwärts geringer ist, sind Objekte oder Teilchen, die sich von den Polen in Richtung Äquator bewegen, in äquatornahen Gebieten langsamer als die Bahngeschwindigkeit dort. Sie bleiben deshalb sozusagen hinter der Erdrotation zurück und werden abgelenkt.
Teilchen und Objekte, die sich vom Äquator aus in Richtung der Pole bewegen, gelangen hingegen zu Breitengraden mit geringerer Bahngeschwindigkeit und sind sozusagen schneller als die Erdrotation – sie eilen voraus. Auch sie werden so abgelenkt.
Ob eine Ablenkung durch die Corioliskraft nach Osten oder Westen erfolgt, hängt von der Bewegungsrichtung der Objekte beziehungsweise Teilchen ab.
Bewegen die Teilchen sich polwärts, erfolgt eine Ablenkung nach Osten, denn sie eilen dann der Erdrotation von West nach Ost voraus.
Bewegen die Teilchen sich äquatorwärts folgt eine Ablenkung nach Westen, da sie jetzt hinter der Erdrotation in Richtung Westen zurückfallen.
Entsteht am Äquator und gleichzeitig auf dem Nullmeridian, also beim 0. Breitengrad und 0. Längengrad, ein Tropensturm hat dieser eine Geschwindigkeit von 1.670 km/h – die Bahngeschwindigkeit des Äquators.
Zieht er jetzt in Richtung Nordpol bis zum 60. Breitengrad, behält er diese Geschwindigkeit bei. Da bei 60° Nord die Bahngeschwindigkeit jedoch nur bei 835 km/h liegt, eilt der Tropensturm nun sozusagen der Erdrotation voraus – er ist doppelt so schnell wie die Bahngeschwindigkeit am 60. Breitengrad.
Zieht er beispielsweise innerhalb von 2 Stunden an den 60. Breitengrad, landet er nicht bei 0° geographischer Länge, sondern 1.670 Kilometer weiter östlich. Seine Bahn verläuft also nicht parallel zu den Längengraden, sondern in einer leichten Kurve nach Osten.
Corioliskraft – Nordhalbkugel und Südhalbkugel
Die Corioliskraft wirkt sowohl auf der Nordhalbkugel als auch auf der Südhalbkugel. Allerdings werden Teilchen auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt, Teilchen auf der Südhalbkugel nach links.
Wie Du aus dem vorherigen Beispiel weißt, wird ein Tropensturm auf seinem Weg vom Äquator in Richtung Norden nach Osten abgelenkt – aus Sicht des Sturms also nach rechts.
Zieht der Sturm jedoch in Richtung Südpol, wird er zwar ebenfalls nach Osten abgelenkt, aus Sicht des Sturms ist das jedoch dieses Mal eine Ablenkung nach links.
Corioliskraft – Formel
Wie stark die Corioliskraft C an einem bestimmten Breitengrad auf sich bewegende Luftteilchen ist, kann mithilfe einer Formel berechnet werden:
C=2m*υ*ω*sin(φ)
Die Variablen in der Formel stehen dabei für:
- m: Luftmasse in Kilogramm
- υ: Windgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde
- ω: Winkelgeschwindigkeit der Erde
- φ: Breitengrad
Am Äquator beträgt die Corioliskraft immer 0, da sich dieser in der Mitte der Erde befindet. Mithilfe der Formel kannst Du Dir das so erklären:
Der Breitengrad des Äquators ist 0°. Setzt Du 0° für φ ein, erhältst Du sin(0°)=0 – denn der Sinus von 0° ist immer gleich 0.
Ist in einer Multiplikation ein Multiplikator gleich 0, so ist das Ergebnis ebenfalls immer 0.
Das Ergebnis für C bei 0° geographischer Breite ist also immer 0 egal, wie groß die anderen Variablen sind.
Corioliskraft – Beispiel
Ein beständiges und anschauliches Beispiel für die Wirkung der Corioliskraft auf Luftmassen sind die Passatwinde.
Die Passatwinde entstehen aufgrund der Innertropischen Konvergenzzone (kurz: ITC). Da die Sonne in den Tropen im Zenit steht – also senkrecht auf die Erde strahlt – erhitzt sich die bodennahe Luft dort stark. Wenn sie aufsteigt, bildet sich am Boden beim Äquator ein Tiefdruckgebiet, auch äquatoriale Tiefdruckrinne genannt.
Nachdem sie in der Höhe abgekühlt ist, sinkt die Luft etwa beim 30. Breitengrad Nord und Süd wieder ab, wodurch sich dort ein Hochdruckgebiet bildet – der subtropische Hochdruckgürtel.
Warme Luft steigt auf und bildet ein Tiefdruckgebiet, weil die Luft nach oben weicht und unten kaum noch Luftteilchen vorhanden sind. Tiefdruck herrscht bei einem Luftdruck unter 1013,25 Hektopascal.
Kalte Luft sinkt herab und bildet dadurch ein Hochdruckgebiet. Es sammeln sich hier die ganzen Luftteilchen unten. Hochdruck herrscht bei einem Luftdruck über 1013,25 Hektopascal.
Die Luft versucht nun, den Druckunterschied zwischen subtropischem Hochdruckgürtel und äquatorialer Tiefdruckrinne auszugleichen und strömt deshalb vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet – es weht Wind von circa 30° Nord und Süd hin zum Äquator. Diese Winde auf der Nord- und Südhalbkugel werden Passatwinde genannt.
Detailliertere Informationen zur Innertropischen Konvergenzzone, zur Entstehung von Wind, zu Hoch- und Tiefdruckgebieten, Luftdruck und zu den Passatwinden findest Du in eigenen Erklärungen zu diesen Themen. Schau sie Dir für ein noch besseres Verständnis gerne an.
Die Passatwinde wehen jedoch nicht parallel zu den Längengraden in Richtung Äquator. Da sie vom 30. Breitengrad hin zum Äquator wehen, gelangen sie in ihrer Bewegung in Gebiete mit schnellerer Bahngeschwindigkeit nahe dem Äquator und bleiben deshalb hinter der Erdrotation zurück.
Die Passatwinde werden so von der Corioliskraft sowohl auf der Südhalbkugel als auch auf der Nordhalbkugel also nach Westen abgelenkt.
Auf der Nordhalbkugel entspricht das aus der Sicht des Windes einer Ablenkung nach rechts, der Passatwind auf der Südhalbkugel wird aus seiner Sicht nach links abgelenkt.
Durch ihre Ablenkung heißen die Passatwinde Nord-Ost-Passat auf der Nordhalbkugel und Süd-Ost-Passat auf der Südhalbkugel – denn sie wehen aus Nord-Osten beziehungsweise Süd-Osten.
Winde werden immer nach der Richtung benannt, aus der sie wehen. Der Westwind beispielsweise weht also nicht in Richtung Westen, sondern aus Westen in Richtung Osten.
Corioliskraft – Das Wichtigste
- Die Corioliskraft wirkt auf sich bewegende Teilchen und lenkt diese aufgrund der Erdrotation ab.
- Ursache für die Corioliskraft ist die Rotation der Erde und die unterschiedlichen Bahngeschwindigkeiten auf den Breitengraden der Erde.
- Die Corioliskraft lenkt sich bewegende Teilchen je nach ihrer Bewegungsrichtung nach Osten oder Westen ab. Auf der Nordhalbkugel werden Teilchen durch die Corioliskraft nach rechts abgelenkt, auf der Südhalbkugel nach links.
- Die Formel der Corioliskraft lautet C=2m*υ*ω*sin(φ) .
- Ein beständiges und anschauliches Beispiel für die Wirkung der Corioliskraft auf Luftmassen sind die Passatwinde.
Nachweise
- spektrum.de: Corioliskraft. (30.09.2022)
- dwd.de: Corioliskraft. (30.09.2022)
- spektrum.de: Scheinkraft. (30.09.2022)
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