Haben Sie sich jemals gefragt, warum das Wetter so unberechenbar ist und warum sich Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn drehen? Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Corioliskraft, einer unsichtbaren Macht, die unser Klima und die Bewegungen auf unserem Planeten maßgeblich beeinflusst. Dieses Buch enthüllt auf leicht verständliche Weise die komplexen Zusammenhänge zwischen der Erdrotation, der Corioliskraft und den daraus resultierenden meteorologischen Phänomenen. Von der Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten über die Passatwinde bis hin zu den subtilen Einflüssen auf Meeresströmungen und sogar den Flugverkehr – entdecken Sie, wie diese Kraft unser tägliches Leben prägt. Mit anschaulichen Erklärungen, leicht nachvollziehbaren Formeln und aufschlussreichen Experimenten wird die Corioliskraft entmystifiziert und ihre Auswirkungen auf Wetter und Klima greifbar gemacht. Verstehen Sie den Druckgradienten, die Rolle der Grund- und Nullschicht und wie die Corioliskraft den Massenfluss der Luftmassen steuert. Begleiten Sie uns auf eine Reise durch die atmosphärischen Prozesse und erfahren Sie, wie die Drehung der Erde das Wettergeschehen bestimmt. Dieses Buch ist nicht nur eine Einführung in die Grundlagen der Meteorologie, sondern auch ein Schlüssel zum Verständnis der komplexen Systeme, die unser Klima formen. Es richtet sich an alle, die mehr über die physikalischen Kräfte hinter dem Wettergeschehen erfahren möchten, sei es Schüler, Studenten oder einfach nur wetterinteressierte Leser. Erforschen Sie die Geheimnisse der Corioliskraft und gewinnen Sie neue Einblicke in die Dynamik unserer Umwelt und erfahren Sie mehr über Gaspard-Gustave de Coriolis.
Inhaltsverzeichnis
1. Der Entdecker der Corioliskraft - Gaspard-Gustave de Coriolis 3
2. Die Corioliskraft 4
2.1. Grundlagen 4
2.1.1 Einführung 4
2.1.2 Die Formel der Corioliskraft und ihres Betrags 5
2.1.3 Die Formel der Coriolisbeschleunigung und ihres Betrags 6
2.2 Auswirkungen auf das Wetter 6
2.2.1 Hoch- und Tiefdruckgebiete 6
2.2.2 Der Druckgradient 8
2.2.3 Druckausgleich in der Grundschicht 9
2.2.4 Aufbau von Druckunterschieden in der Nullschicht 10
2.2.5 Beobachtung des Luftdrucks von sechs aufeinander folgenden Tagen 12
2.2.6 Der Passat 14
2.2 Versuche 16
2.3.1 Aufbau 16
2.3.2 Versuch 1 17
2.3.3 Versuche 2, 3 und 4 18
3. Weitere Auswirkungen 20
Literaturverzeichnis 22
Erklärung 23
1 Der Entdecker der Corioliskraft - Gaspard-Gustave de Coriolis
Der französische Mathematiker Gaspard-Gustave de Coriolis wurde 1792 in Paris geboren.
Obwohl er prädestiniert dafür war, Ingenieur zu werden, hat er diesen Beruf nicht ergriffen, sondern wurde 1816 Tutor in Analysis und Mechanik an der Ecole Polytechnique, welche er seit 1808 besuchte.
Später setzte er seine Forschungen an der Ecole des Ponts et Chaussées fort.
Coriolis hatte große Begabung, aber sein gesundheitlicher Zustand hinderte ihn daran, seinem Ehrgeiz gerecht zu werden. Er war ein erfolgreicher Lehrer und zusammen mit General Poncelet ein Vorreiter bei der Verbesserung der Lehrmethoden in Mechanik. Zusätzlich zu seinem großen Engagement als Lehrer bewältigte er gleichzeitig Forschungen in theoretischer und angewandter Mechanik.
Er entdeckte die nach ihm benannte Corioliskraft 1835.
Wie er sie entdeckte und seit wann sie seinen Namen trägt, konnte aus keiner Quelle entnommen werden.
Coriolis ist der Verfasser von ,,Calcul de l′effet des machines" (1829), welches 1844 mit dem Titel ,,Traité de la mécanique des corps solides" neu aufgelegt wurde, und von ,,Théorie mathématique du jeu billard" (1835). Außerdem hat er mehrere Artikel in ,,Dictionnaire de l′industrie" veröffentlicht.
1836 wurde er Mitglied der Académie des Sciences und wurde 1838 Nachfolger von Dulong als Direktor an der Ecole Polytechnique.
1843 starb Coriolis in Paris (vgl. [10]).
2 Die Corioliskraft
2.1 Grundlagen
2.1.1 Einführung
Meteorologen verwenden bei Wettervorhersagen in den Medien häufig Satellitenbilder, um die Verbreitung der Wolken darzustellen.
Auffällig daran ist, dass sich Wolken im Kreis drehen, wie in Abb. 1 (Quelle: Internetseite ,,http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fssatms1.html")
über dem Nordatlantik bei etwa nördlicher Breite und westlicher Länge deutlich zu erkennen ist.
Diese Tatsache und ihre Gründe sollen im Folgenden erläutert werden.
Abb. 1
2.1.2 Die Formel der Corioliskraft und ihres Betrags
Die Corioliskraft wirkt auf Körper, die sich in einem rotierenden Bezugssystem bewegen. Sie ist senkrecht zur Bewegungsrichtung des Körpers und senkrecht zur Drehachse des rotierenden Bezugssystems gerichtet.
Unter Verwendung von , der Winkelgeschwindigkeit des Bezugssystems, , der Geschwindigkeit des Körpers der Masse m relativ zum Bezugssystem wird die Corioliskraft berechnet mit:
Abb. 2
(vgl. [5], S.208).
Werden zwei Vektoren vektoriell miteinander multipliziert, wie hier , so ist das Ergebnis ein neuer Vektor, welcher auf den beiden ursprünglichen Vektoren, in diesem Fall und , senkrecht steht. Der Vektor der Corioliskraft steht also senkrecht auf den Vektoren und , und ist um den Faktor der doppelten Masse - also - länger, als das Vektorprodukt von und .
Der Betrag eines Vektorprodukts ist das Produkt aus den jeweiligen Beträgen der Vektoren und dem Sinus des Winkels - hier , den die beiden Vektoren einschließen. In Abb. 2 (vgl. [2], S. 80) kommt der Betrag des Vektorprodukts durch das farbig hervorgehobene Parallelogramm zum Ausdruck.
Für den Betrag der Corioliskraft folgt deshalb:
(vgl. [3], S. 39).
2.1.3 Die Formel der Coriolisbeschleunigung und ihres Betrags
Da die Masse m des bewegten Körpers konstant ist, kann das Newtonsche Gesetz (vgl. [6], S. 12)
auf die Corioliskraft , angewendet werden. Es ergibt sich:
Nach Division durch die Masse des Körpers folgt für die Coriolisbeschleunigung:
Aus dieser Formel wird ersichtlich, dass die Beschleunigung ebenso gerichtet ist wie die Corioliskraft, also ebenfalls auf und senkrecht steht. Werden die Gesetze des Vektorprodukts auf die Coriolisbeschleunigung angewendet, so ergibt sich für ihren Betrag:
(vgl. [5], S. 208).
2.2 Auswirkungen auf das Wetter
2.2.1 Hoch- und Tiefdruckgebiete
Auch die Erde ist ein rotierendes Bezugssystem, in dem die Corioliskraft wirkt, denn die Erde dreht sich ja um die Erdachse, die imaginäre Verbindung zwischen den Polen des Planeten.
Die Corioliskraft lenkt alle Bewegungen, also auch bewegte Luft, auf dem Bezugssystem Erde - abhängig vom Ort - nach rechts oder links ab (vgl. [4], S. 92). Auf der nördlichen Hemisphäre wird bewegte Luft nach rechts abgelenkt, auf der südlichen Hemisphäre nach links (vgl. [8], S. 118).
Winde sind nichts anderes als Luft, die sich bewegt. Aber warum bewegt sich Luft? Sie könnte doch theoretisch auch immerzu still sein.
Luft wird durch die Einstrahlung der Sonne erwärmt. Mit der Temperatur verändert sich auch die Dichte und damit der Druck. Es entstehen Druckunterschiede zwischen den verschieden warmen Luftmassen (vgl. [8], S. 117).
Luft ist immer bestrebt, vom höheren zum tieferen Druck zu wandern, um den Unterschied wieder auszugleichen. Die Kraft, die diese Bewegung auslöst, wird Druckgradientkraft genannt (vgl. [4], S. 92f.).
Dieser Ausgleich kann nicht einfach dadurch geschehen, dass Luft vom Hochdruckgebiet direkt in das Tiefdruckgebiet gelangt. Daran wird die Luft von der Corioliskraft gehindert.
Abb. 3
Denn wenn Luft vom hohen Druck zum tiefen Druck wandert, wird diese Bewegung von der Corioliskraft abgelenkt, so dass sich die Luft um das Hochdruckgebiet schließlich dreht, auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn, also rechts herum, auf der südlichen Hemisphäre genau anders herum ([4], S. 92). Die Drehrichtung in einem Hoch wird als antizyklonal bezeichnet, die in einem Tief als zyklonal, weil sie genau entgegengesetzt zu der im Hoch ist (vgl. [9], S. 144).
Das heißt, dass sich die Luft um ein Tief auf der nördlichen Hemisphäre links herum und auf der südlichen Hemisphäre rechts herum dreht. Auf einem Satellitenbild sind Tiefdruckgebiete besser zu erkennen als Hochdruckgebiete, weil Tiefs im Satellitenbild durch Wolken sichtbar werden.
Das kann in Abb. 3 (Quelle: Internetseite ,,http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fssatms1.html") beobachtet werden: Über dem Nordwestpazifik bei etwa östlicher Länge und nördlicher Breite ist ein Tief zu erkennen, welches sich links herum dreht. Über dem Indischen Ozean bei östlicher Länge und südlicher Breite beziehungsweise bei östlicher Länge und südlicher Breite sind Tiefs zu erkennen, die sich rechts herum drehen.
2.2.2 Der Druckgradient
Die Geschwindigkeit des Windes wird größer, wenn der Druckunterschied größer wird; sie vergrößert sich ebenfalls mit zunehmender Nähe der Zentren des Hoch- und Tiefdruckgebiets. Diese beiden Gegebenheiten, von denen die Windgeschwindigkeit abhängt, werden mit dem Druckgradienten ausgedrückt. ,,Ein Gradient gibt die Änderung einer Größe innerhalb einer Strecke an." (vgl. [11]).
,,[Der Druckgradient] ist das Luftdruckgefälle" ([8], S. 100), das heißt, damit wird ausgedrückt, wie viel Druckunterschied sich auf eine bestimmte Länge verteilt.
Auf einer Wetterkarte wird Druck durch Isobaren dargestellt (vgl. [4], S. 19). Alle Orte gleichen Drucks werden durch eine Linie verbunden.
Hierbei muss der Druck auf gleiche Höhe umgerechnet werden; es wird der Druck berechnet, welcher an den Orten herrschen würde, wenn diese auf Meereshöhe lägen. Würde auf die Umrechnung auf ein Niveau verzichtet werden, so würde das Ergebnis verfälscht, denn Druck nimmt unabhängig von sich änderndem Wetter ab, je höher ein Ort auf der Erde liegt, z. B. im Gebirge (vgl. [8], S. 100). Niedriger Druck ist ein ,,Luftdefizit" ([4],S. 92), das heißt die Luftteilchen werden weniger, die Luft wird dünner.
Um die Zentren von Hoch- und Tiefdruckgebieten ergeben die Isobaren Figuren, die Kreisen oder Ellipsen ähneln und annähernd konzentrisch sind. Der Gradient ist radial gerichtet (vgl. [8], S. 100).
2.2.3 Druckausgleich in der Grundschicht
Wie sollen sich die Druckunterschiede ausgleichen, wenn sich die Luftmassen jeweils um das Hoch und das Tief drehen, wenn der Wind sozusagen parallel zu den Isobaren weht?
Auf die Luft in einem Hochdruckgebiet wirken also zwei Kräfte: die Druckgradientkraft, welche eine Bewegung in Gang setzt, damit die Luft zum Tiefdruckgebiet wandert, und die Corioliskraft, welche diese Bewegung hemmt.
Zwischen den beiden Kräften stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass Wind weht, auf dessen Vektor der Geschwindigkeit die Corioliskraft senkrecht steht und die Druckgradientkraft genau entgegengesetzt zur Corioliskraft wirkt. Es erfolgt also kein Druckausgleich (vgl. [4], S. 92f.).
Der Druckausgleich erfolgt in Bodennähe, von den Meteorologen wird diese Zone als Grundschicht bezeichnet. Die Corioliskraft wird umso größer, je schneller der Wind weht. In Bodennähe wird die Bewegung der Luft durch Reibung gebremst, der Wind weht langsamer. Das bedeutet, dass auch die Corioliskraft kleiner wird. Die Druckgradientkraft aber bleibt gleich, denn sie ist unabhängig von der Windgeschwindigkeit, sie hängt vom Druckunterschied ab und der bleibt ja auch in Bodennähe gleich.
In Bodennähe ist also kein Kräftegleichgewicht zwischen der Corioliskraft und der Druckgradientkraft vorhanden, es gibt hier keinen Gradientwind, der parallel zu den Isobaren weht. Die Druckgradientkraft ist stärker als die Corioliskraft, so dass sie die Luft vom Hoch zum Tief zieht. Dieser Wind wird als untergradientisch bezeichnet (vgl. [4], S. 93).
2.2.4 Aufbau von Druckunterschieden in der Nullschicht
Wind wird als übergradientisch bezeichnet, wenn die Corioliskraft stärker als die Druckgradientkraft ist. Solchen Wind kann es in Bodennähe nicht geben, da Reibung die Corioliskraft vermindert. Wenn die Corioliskraft gegenüber der Druckgradientkraft überwiegt, so bedeutet das, dass Luft vom Tief zum Hoch befördert wird, und dass Energie aufgewendet werden muss. Dies geschieht in der sogenannten Nullschicht, welche sich in etwa zehn Kilometern über der Erdoberfläche befindet. Sie wird so genannt, weil dort die Bewegungen in senkrechter Richtung gleich Null sind (vgl. [4], S. 94f.). Die Nullschicht kann als Gegensatz zur Grundschicht genannt werden. In der Nullschicht werden die Druckunterschiede geschaffen, welche in der Grundschicht auszugleichen versucht werden (vgl. [4], S. 96).
In und zwischen den Hoch- und Tiefdruckgebieten wird auch Energie - mit der Luft - transportiert. Es ist leicht zu verstehen: Aus 2.2.1 ist bekannt, dass der Druckunterschied zwischen einem Hoch und Tief von verschieden starker Erwärmung herrührt. Wärme ist Energie. Es besteht also auch ein Energieunterschied zwischen dem Hoch und dem Tief, der - zusammen mit dem Druckunterschied - ausgeglichen wird.
Die Luft im Hoch ist kälter, also energieärmer, als im Tief. Sie sinkt nach unten, sie ist sozusagen schwerer, weil sie eine hohe Dichte hat. Das heißt, dass der Druck höher ist.
Im Tief besitzt die Luft mehr Energie als im Hoch. Die Dichte ist nur gering, weshalb die Luft als leicht bezeichnet werden kann. Darum steigt die Luft in einem Tief nach oben. Es wird also Energie nach oben transportiert, aber nur bis zur Nullschicht. Dort gibt es ja keine Bewegungen in senkrechter Richtung mehr.
Verhältnis der Kräfte
|
Wind
|
Massen-fluß
|
Druckgefälle
|
Ort
|
unter-gradientisch
|
zum Tief
|
wird abgebaut
|
Grundschicht
| |
Gradientwind
|
keiner
|
bleibt gleich
|
zwischen Grund- und Nullschicht
| |
über-gradientisch
|
zum Hoch
|
wird aufgebaut
|
Nullschicht
|
steht für die Corioliskraft und für die Druckgradientkraft
Tabelle 1
Im Hoch wird also nur wenig Energie von der Nullschicht weg bewegt und im Tief viel Energie zur Nullschicht hin bewegt (vgl. [4], S. 97). Das erklärt die Energiezufuhr der Nullschicht und warum dort die Winde übergradientisch sind, das heißt, dass die Corioliskraft gegenüber der Druckgradientkraft überwiegt und die Luft vom Tief zum Hoch bewegt wird, also der Druckunterschied noch verstärkt wird.
Der Meteorologe Hollmann hat die drei möglichen Relationen von Corioliskraft und Druckgradientkraft in einer Tabelle (vgl. Tabelle 1) zusammengefasst (vgl. [4], S. 97).
Abb. 4
2.2.5 Beobachtung des Luftdrucks von sechs aufeinander folgenden Tagen
Abb. 5
In den nebenstehenden Abbildungen ist der Druck von sechs aufeinander folgenden Tagen über Europa und dem Nordatlantik dargestellt. Es wurden jeweils Karten verwendet, die den Druck darstellen, der für 72 Stunden nach Erstellen der Karte vorhergesagt wurde, weil keine genaueren Karten mit vergleichbarer Überschaubarkeit verfügbar waren (Quelle von Abb. 4 bis Abb. 9: Internetseite ,,http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsecmeur.html")
Abb. 6
In Abb. 4 (für den 15. Januar 2000) ist ein Hoch über dem Nordatlantik bei etwa westlicher Länge und nördlicher Breite zu erkennen. Der Druck in diesem Hoch steigt noch bis zum 17. Januar 2000 (vgl. Abb. 6). Das Hoch bezieht seine Luft aus den umliegenden Tiefs. In dem Tief, welches am 15. Januar 2000 über Grönland liegt und bis 17. Januar 2000 über Skandinavien hinweg zieht, sinkt der Druck in diesem Zeitraum, das heißt, dass Luft abgegeben wird. Ebenso sinkt der Druck im Tief, welches über dem Nordatlantik bei westlicher Länge und nördlicher Breite liegt (vgl. Abb. 4 und 5) und bis 17. Januar 2000
Abb. 9
vor die Ostküste Nordamerikas zieht. Ab 17. Januar 2000 baut sich das Hoch dann wieder ab. Der Druck in den umliegenden Tiefs steigt (vgl. Abb. 8 und 9).
Von Süden hat sich schon ein neues Hoch genähert (vgl. Abb. 7).
2.2.6 Der Passat
In der Region um den Äquator wehen die Passate. Ihre Entstehung kann mit der Luftzirkulation in einem beheizten Zimmer verglichen werden (vgl. [4], S. 158):
Das Zimmer sei geschlossen und rechteckig. An einer Wand befinde sich ein Heizkörper.
Über dem Heizkörper erwärmt sich die Luft, das heißt der Druck steigt, so dass er an diesem Teil der Decke höher ist als im restlichen Zimmer.
Wegen des Bestrebens der Luft, alle Druckunterschiede auszugleichen, fließt die warme Luft über dem Heizkörper seitlich ab. Dort ist der Druck geringer, und abgelenkt wird die Bewegung von der Corioliskraft auch nicht, weil es sie ,,bei solchen kleinräumigen Luftbewegungen nicht [gibt]" ([4], S. 158). Da sich die Luftmasse über dem Heizkörper verringert, sinkt der Druck in Bodennähe um den Heizkörper.
Die Luftzirkulation um den Äquator ist ähnlich wie in dem Beispiel mit dem Zimmer.
Am Äquator ist die Sonneneinstrahlung maximal, in dem Zimmer entspricht der Äquator der Seite mit dem Heizkörper. Am Äquator gibt es, ebenso wie an der Wand mit dem Heizkörper, keine Corioliskraft. Dies liegt aber nicht an der zu geringen Größe der Bewegung, sondern daran, dass der Geschwindigkeitsvektor des Körpers - also hier der Geschwindigkeitsvektor der Luft - und der Vektor der Winkelgeschwindigkeit des Bezugssystems Erde genau entgegengesetzt gerichtet sind, das heißt, die beiden Vektoren sind linear abhängig () und ihr Vektorprodukt ist gleich Null (da ).
Am Äquator gilt, da :
Die dem Heizkörper gegenüberliegende Wand aus unserem Zimmer kann auf der Erde mit den ,,subtropisch-randtropischen Hochdruckgürteln" ([9], S. 234) verglichen werden.
Sie befinden sich etwa bei 30° nördlicher und südlicher Breite. Auf der Erde befinden sich also eigentlich zwei ,Zimmer`, die sich am Äquator treffen und kreisförmig um die Erde gehen.
In den subtropisch-randtropischen Hochdruckgürteln sinkt die Luft, die sich in der Nullschicht, in unserem Vergleich also an der Zimmerdecke, vom Äquator weg bewegt hat. In der Grundschicht fließt die Luft aufgrund der Druckgradientkraft wieder zum Äquator hin. Es müsste also zwischen den suptropisch-randtropischen Hochdruckgürteln und dem Äquator Wind aus Nord - auf der Nordhalbkugel - beziehungsweise Süd - auf der Südhalbkugel - wehen.
Bei geographischer Breite wirkt die Corioliskraft, da der Geschwindigkeitsvektor und der Vektor der Winkelgeschwindigkeit hier nicht linear abhängig sind.
Deshalb werden die Luftströmungen, die von dort ausgehen, auf der nördlichen Hemisphäre nach rechts, auf der südlichen Hemisphäre nach links, also immer nach Westen abgelenkt. Mit zunehmender Nähe zum Äquator nimmt die Corioliskraft stark ab und geht schließlich sogar gegen Null, so dass dort keine weitere Ablenkung erfolgt (vgl. [4], S. 159). Die Passate wehen deshalb aus Nordost (auf der nördlichen Hemisphäre) beziehungsweise Südost (auf der südlichen Hemisphäre).
Da der Druckunterschied - und damit die Druckgradientkraft - zwischen der ,,äquatorialen Tiefdruckrinne" ([9], S. 234) und den subtropisch-randtropischen Hochdruckgürteln nur gering ist, er beträgt nur etwa vier bis acht Hektopascal, ist der Passat nur ein schwacher Wind (vgl. [9], S. 234).
2.3 Versuche
2.3.1 Aufbau
Eine schwere Kugel rollt aus einer Rinne auf einen vertikal gelagerten Drehteller.
Für einen außenstehenden Beobachter rollt die Kugel immer auf der gleichen Bahn entlang, unabhängig davon ob sich der Teller dreht oder nicht. Anders wäre es für einen Beobachter, der sich auf der Scheibe befindet. Für ihn wäre die Bewegung der Kugel nur so lange geradlinig, wie der Teller still stünde. Wenn sich der Teller dreht, sieht der sich ebenfalls drehende Beobachter, dass die Kugel auf einer gekrümmten Bahn läuft (vgl. [1], S. 114).
Abb. 10
Dies soll in Versuchen nachgeprüft werden:
Abb. 11
Eine Kugel der Masse rollt aus einem leicht geneigten Rohr auf eine auf einem Plattenspieler waagrecht drehbar gelagerte Schallplatte (vgl. Abb. 10). Der Höhenunterschied zwischen dem Anfang und dem Ende des Rohres beträgt . Um die Reibung möglichst gering zu halten, wurde die Platte mit Papier überzogen.
Damit die Bahn der Kugel sichtbar wird, wurde das dunkle Papier mit Mehl bestäubt.
2.3.2 Versuch 1
In Versuch 1 rollt die Kugel über den still stehenden Plattenspieler, um die geradlinige Bewegung der Kugel sichtbar zu machen. Die Kugel hinterlässt im Mehl eine Bahn, welche sich in der Halbgeraden, die durch das Rohr gegeben ist, fortsetzt (vgl. Abb. 11).
2.3.3 Versuche 2, 3 und 4
In Versuch 2 dreht sich die Schallplatte. Der Plattenspieler wurde auf 45,0 Umdrehungen pro Minute gestellt, das entspricht einer Umlaufzeit von .
Damit kann die Winkelgeschwindigkeit berechnet werden (vgl. [6], S. 21):
Bei Vernachlässigung der Reibung im Rohr und auf der Schallplatte kann die Geschwindigkeit der Kugel berechnet werden:
Wird die Höhe der Schallplatte gesetzt, so besitzt die Kugel beim Loslassen im Rohr potentielle Energie, welche sich beim Herabrollen des Höhenunterschiedes des Rohres vollständig in kinetische Energie verwandelt.
Es gilt:
Nun kann mit Hilfe von 2.1.2 der Betrag der Corioliskraft berechnet werden:
In Abb. 12 sind die Größen, von denen die Corioliskraft abhängt, für eingezeichnet. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu, der Vektor ist in zehnfacher Vergrößerung relativ zu und dargestellt; wichtig ist, dass die Richtung der Vektoren zu erkennen ist. Da die Kugel auf der durch die Schallplatte gegebene Ebene rollt und der Vektor der Winkelgeschwindigkeit parallel zur Drehachse der Schallplatte ist,
Abb. 12
stehen die Vektoren und senkrecht aufeinander, das heißt der Winkel zwischen ihnen ist 90 °.
Das bedeutet für die Corioliskraft:
Für Versuch 3 wird der Plattenspieler auf 33,3 Umdrehungen pro Minute gestellt, so dass die Umlaufzeit ist.
Die Corioliskraft ist dann:
Bei Versuch 4 dreht sich der Plattenspieler mit 16,7 Umdrehungen pro Minute, das heißt, die Umlaufzeit ; für die Corioliskraft folgt:
Werden die drei Ergebnisse nun gegenüber gestellt (vgl. Tabelle 2), so ist zu erkennen, dass mit Zunahme der Umlaufzeit die
Abb. 13
Corioliskraft abnimmt, sie sind also indirekt proportional. Das heißt, dass auch die Ablenkung
Abb. 14
der Kugel abnehmen muss.
Versuch
|
T [s]
|
FC [10-3 N]
|
2
|
1,33
|
172
|
3
|
1,80
|
127
|
4
|
3,60
|
63,6
|
Tabelle 2
Das Ergebnis von Versuch 2 ist in Abb. 13 zu sehen.
Die Ablenkung in Versuch 3 ist geringer als in
Abb. 15
Versuch 2, wie bei der zugehörigen Fotografie (vgl. Abb. 14) zu sehen ist. Bei Versuch 4 hat die Ablenkung noch weiter abgenommen (vgl. Abb. 15).
3. Weitere Auswirkungen
Die Corioliskraft hat auf der Erde auch Auswirkungen, die nicht das Wetter betreffen.
Jede Bewegung auf der Erdoberfläche wird von der Corioliskraft abgelenkt. Meistens ist sie aber so gering, dass sie nicht von Bedeutung ist.
Im Flugverkehr spielt die Corioliskraft sehr wohl eine Rolle. Bei Flügen mit nördlicher oder südlicher Geschwindigkeitskomponente müssen Flugzeuge gegengelenkt werden, damit sie ,,nicht gegenüber der sich drehenden Erde zurückbleib[en]." (vgl. [7], S. 116).
Flüsse werden auf der Nordhalbkugel auf der rechten Seite stärker ausgeschwemmt als auf der linken; auf der Südhalbkugel werden Flüsse auf der linken Seite stärker ausgeschwemmt.
Ebenso ist auf der nördlichen Hemisphäre der Verschleiß von Eisenbahnschienen auf der rechten Seite größer als auf der linken. Auf der südlichen Hemisphäre nützen sich analog die linken Schienen stärker ab (vgl. [7], S. 115).
Literaturverzeichnis
[1] Bader, F. (Hrsg.), Formeln und Tabellen zur Schulphysik, Köln, Aulis Verlag Deubner, 1967
[2] Barth, F., Mühlbauer, P., Nikol, F. und Wörle, K., Mathematische Formeln und Definitionen, München, Bayrischer Schulbuch-Verlag und J. Lindauer Verlag (Schaefer), 19905
[3] Breuer, H., dtv-Atlas zur Physik Band 1,München, Deutscher Taschenbuch Verlag, 1987
[4] Faust, H., Das große Buch der Wetterkunde, Düsseldorf und Wien, Econ Verlag, 1968
[5] Gellert, W. und Lenk, R. (Hrsg.), Fachlexikon abc Physik, Zürich, Verlag Harri Deutsch, 1974
[6] Hammer, A., Hammer, H. und Hammer, K., Physikalische Formeln und Tabellen, München, J. Lindauer Verlag (Schaefer), 19946
[7] Kuhn, W., (Hrsg.), Einführung in die Physik, Köln, Verlagsgesellschaft Schulfernsehen, 1974
[8] Roth, G., Wetterkunde für alle, München, BLV Verlagsgesellschaft, 1977
[9] Weischet, W., Einführung in die Allgemeine Klimatologie, Stuttgart, Teubner, 19956
Internet:
[10] Brock, H., Gaspard-Gustave de Coriolis, Internetseite ,,http://www.newadvent.org/cathen/04370a.htm" von 1999, aufgerufen am 04. Dezember 1999
[11] Gradient, Internetseite ,,http://www.informatik.uni-freiburg.de/~dbis/.mir/meteo/lexikon/gradient.html", o. J., abgerufen am 19. Dezember 1999
Erklärung
Ich erkläre hiermit, daß ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt habe, und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
Marktbergel, dem 25. Januar 2000
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Corioliskraft und wer hat sie entdeckt?
Die Corioliskraft ist eine Scheinkraft, die auf Körper wirkt, die sich in einem rotierenden Bezugssystem bewegen. Sie wurde von dem französischen Mathematiker Gaspard-Gustave de Coriolis entdeckt.
Wie lautet die Formel der Corioliskraft?
Die Corioliskraft wird berechnet mit der Formel FC = -2m (ω x v), wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Bezugssystems und v die Geschwindigkeit des Körpers relativ zum Bezugssystem ist.
Wie beeinflusst die Corioliskraft das Wetter?
Die Corioliskraft lenkt die Winde ab. Auf der Nordhalbkugel werden Winde nach rechts abgelenkt, was zur Drehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn führt. Auf der Südhalbkugel ist die Ablenkung entgegengesetzt.
Was sind Hoch- und Tiefdruckgebiete und wie entstehen sie?
Hochdruckgebiete entstehen durch absinkende, kalte Luft, während Tiefdruckgebiete durch aufsteigende, warme Luft entstehen. Die Corioliskraft bewirkt, dass sich die Luft um diese Gebiete dreht.
Was ist der Druckgradient und wie hängt er mit dem Wind zusammen?
Der Druckgradient ist das Luftdruckgefälle zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Je größer der Druckunterschied und je näher die Zentren beieinander liegen, desto stärker ist der Wind.
Wie erfolgt der Druckausgleich in der Grundschicht und der Nullschicht?
In der Grundschicht (Bodennähe) wird die Luft durch Reibung gebremst, sodass die Druckgradientkraft stärker ist als die Corioliskraft und Luft vom Hoch zum Tief zieht. In der Nullschicht, etwa 10 km über der Erdoberfläche, überwiegt die Corioliskraft, wodurch Luft vom Tief zum Hoch befördert wird.
Was ist der Passat und wie entsteht er?
Der Passat ist ein Wind, der in der Region um den Äquator weht. Er entsteht durch die Erwärmung der Luft am Äquator und die anschließende Verlagerung zu den subtropischen Hochdruckgebieten, wobei die Corioliskraft die Luft ablenkt.
Welche weiteren Auswirkungen hat die Corioliskraft?
Die Corioliskraft beeinflusst auch den Flugverkehr, die Erosion von Flussufern und den Verschleiß von Eisenbahnschienen, obwohl ihre Auswirkungen oft gering sind.
Kann man die Corioliskraft experimentell nachweisen?
Ja, die Corioliskraft kann experimentell nachgewiesen werden, indem man eine Kugel auf einem rotierenden Drehteller rollen lässt. Die Kugel wird für einen Beobachter auf dem Teller eine gekrümmte Bahn beschreiben.
Wie verändern sich die Experimente, wenn die Geschwindigkeit der Drehscheibe anders ist?
Wenn die Drehscheibe schneller wird, ist die Krümmung größer. Wenn sich die Drehscheibe langsamer dreht, dann ist auch die Ablenkung geringer.
- Arbeit zitieren
- Caroline Göttlein (Autor:in), 2000, Die Corioliskraft, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/97103
