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Hintergrund: Luft, Wasser und Erde in Bewegung - die Corioliskraft

Der Ursprung der Windrichtung

  • Das Foto zeigt ein nachgebautes Modell von Kolumbus’ Segelschiff Santa Maria auf See. Der aus Nordosten wehende Passat brachte Kolumbus' Schiffe nach Amerika; Rechte: dpa
  • Ein Pärchen schützt sich mit einem Schirm vor Wind und Regen. In den gemäßigten Breiten wie hier in Mitteleuropa weht der Wind meist aus Westen; Rechte: dpa

Sie ist nur ein Schein. Die Corioliskraft ist gar keine Kraft und ein Außerirdischer, der die Erde aus dem All beobachtet, hätte sie nie entdeckt. Gaspard de Coriolis (1792-1843) stand aber mit beiden Beinen fest auf französischem Boden, als er 1835 die nach ihm benannte Kraft beschrieb. Die Scheinkraft wirkt in rotierenden Systemen wie der Erde. Sie lenkt Luft und Wasser sowie flüssiges Eisen im Erdkern. Doch am besten ist sie an den Passatwinden sichtbar, die in Äquatornähe stetig aus Nordost beziehungsweise Südost wehen.

Am Äquator entsteht durch den Aufstieg warmer Luft in Bodennähe eine Tiefdruckrinne, die Luft aus nördlich beziehungsweise südlich gelegenen Hochdruckgebieten ansaugt. Nun dreht sich die Erde am Äquator mit 1670 Kilometern pro Stunde ostwärts um die eigene Achse, in anderen Breitengraden jedoch langsamer. Strömt Luft zum Äquator, so hinkt sie im Lauf nach Osten hinterher. Der Boden dreht sich unter ihr weg und es entsteht "Fahrtwind". Es scheint, als ob die zum Äquator strömende Luft auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt wird, auf der Südhalbkugel nach links. Dieser Drall ist mit der Corioliskraft beschreibbar.

Die Corioliskraft beeinflusst auch die Westwinde der gemäßigten Breiten. Hier sinkt die Äquatorluft wieder abgekühlt zu Boden. Da sie sich schneller nach Osten bewegt als der Boden unter ihr, entsteht ein Wind aus Westen. Die Scheinkraft erzeugt auch Wirbelstürme – die drehen sich auf der Nordhalbkugel linksherum, auf der Südhalbkugel rechtsherum.

Triebkraft für den Golfstrom

  • Die Karte zeigt den Weg des Golfstroms von der amerikanischen Küste nach Europa. Die Corioliskraft lenkt das warme Wasser des Golfstroms in Richtung Nordeuropa; Rechte: WDR
  • Das Foto zeigt Yachten im Hafen von Stavanger. Die norwegischen Häfen - wie hier Stavanger - sind auch im Winter eisfrei; Rechte: mauritius

Gemeinsam mit dem Wind treibt die Corioliskraft auch Meeresströmungen, wie etwa den Golfstrom an und beeinflusst dadurch das Klima in Nordeuropa. In der Nähe des Äquators bewegen die Passatwinde im Atlantik warmes Wasser an der Meeresoberfläche nach Westen. So fließt der Nordäquatorialstrom zur südamerikanischen Ostküste, umflutet die kleinen Antillen, durchströmt das Karibische Meer und mündet in den Golf von Mexiko.

In dieser Bucht wird die Westwanderung des Stroms jäh gebremst, weil die mexikanischen Landmassen den Weg versperren. So zwängt sich das Wasser als Golfstrom durch die Meerenge zwischen Kuba und Florida und strömt in nordwestlicher Richtung die Küste der USA hinauf bis zum kanadischen Neufundland. Die Corioliskraft verleiht den Wassermassen dabei einen Schub nach rechts. Unterstützt wird dieser Antrieb durch die Westwinde in den gemäßigten Breiten. So treiben Wind und Corioliskraft das warme Wasser des Golfstroms über den Atlantik bis nach Nordeuropa.

Die warmen Wassermassen kühlen auf ihrer Reise nach Europa ab. Die Restwärme reicht jedoch aus, um hier ein mildes Klima zu erzeugen. Alle norwegischen Häfen sind durch die Wärme des Meeres den ganzen Winter über eisfrei. An der auf gleicher Breite liegenden Ostküste Kanadas ist es wesentlich kälter.

Die Entstehung des Erdmagnetfelds

  • Das Foto zeigt eine Kompassnadel. Die Corioliskraft erzeugt unter anderem auch das Erdmagnetfeld; Rechte: mauritius
  • Die Zeichnung zeigt ein Modell vom Erdkern sowie die schraubenförmigen Bahnen, auf denen sich das flüssige Eisen bewegt. Das Eisen im Erdinneren fließt auf Korkenzieherbahnen um die Erdachse; Rechte: dpa

Die Corioliskraft wirkt nicht nur auf der Erde, sondern auch im Erdinneren. Dort ist sie maßgeblich an der Entstehung des Erdmagnetfelds beteiligt, wie Berechnungen in den 1970er Jahren zeigten. Obwohl das Magnetfeld der Erde so aussieht, als würde ein riesiger Stabmagnet in unserem Planeten stecken, ist dieses Modell falsch. Im Erdkern ist es so heiß, dass Dauermagneten dort nicht existieren können. Stattdessen bilden Ströme aus flüssigem Eisen einen Elektromagneten. Man spricht hier auch von einem "Geodynamo".

Stünde die Erde still, würde heißes Material vom Kern zur Erdkruste aufsteigen und kaltes absinken. Diese einfachen Strömungen aus geladenen Eisenteilchen würden jedoch nicht reichen, um ein stabiles Magnetfeld aufzubauen. Durch die Erdrotation kommt nun die Corioliskraft ins Spiel. Sie gibt den Eisenteilchen einen Drall und zwingt sie, auf Korkenzieherbahnen parallel zur Erdachse zu fließen. Mathematisch lässt sich zeigen, dass diese Bewegung komplex genug ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen.

Im Jahr 2000 gelang Physikern vom Forschungszentrum Karlsruhe sogar der experimentelle Beweis dafür: In einem umgebauten Reaktor lenkten sie heißes, flüssiges Natrium auf Schraubenbahnen und erzeugten dadurch tatsächlich ein Magnetfeld.

Strudel in Bad und Küche

  • Das Foto zeigt eine nostalgische Badewanne. Die Corioliskraft wirkt nicht beim Abflusswasser in der heimischen Badewanne; Rechte: dpa
  • Das Foto zeigt einen Wasserstrudel. Nur unter Laborbedingungen drehen sich die Strudel wirklich "richtig" herum; Rechte: mauritius

Hartnäckig hält sich die Behauptung, dass die Corioliskraft auch die Drehrichtung von Wasserstrudeln daheim beeinflusst, etwa in der Badewanne, in der Spüle oder im WC. Nicht nur Fans der Serie "Die Simpsons" haben gehört, dass die Klospülung in Australien rechts-, in den USA aber linksherum wirbelt. Wirkt die Corioliskraft auch in Küche und Bad?

Der amerikanische Physiker Ascher Shapiro (1916-2004) knackte die Frage 1962: Theoretisch ja, praktisch nein. Nach Shapiro drehen sich Strudel im Spülbecken zufällig, da hier viele Störeffekte stärker sind als die Corioliskraft. Minimale Fließbewegungen, die vom Einlassen übrig sind oder beim Stöpsel ziehen entstehen, bestimmen die Drehrichtung ebenso wie kleine Unebenheiten am Boden des Beckens.

Im Labor konnte Shapiro die Störquellen ausschalten: Er baute ein großes, ebenes Becken, bohrte ein winziges Loch in den Boden und befestigte daran einen langen Schlauch, den er unten verschloss. Dann ließ er Wasser ein und wartete 24 Stunden, bis es völlig still stand. Er zog den Stöpsel am Schlauchende und beobachtete ein schwimmendes Streichholz. Nach 15 Minuten drehte sich das Hölzchen – gegen den Uhrzeigersinn, wie für die Nordhalbkugel vorausgesagt. Später glückte der Versuch auch in Australien: Hier strudelte es im Uhrzeigersinn. Die Corioliskraft wirkt in großen Dimensionen – in der Atmosphäre, im Meer oder im Erdkern. Um die Kraft in kleinem Maßstab zu beobachten, müssen Laborbedingungen herrschen. Versuche, die Corioliseffekte in einer normalen Spüle zeigen, sind Täuschungsversuche.

Rechts ’rum. Oder doch links?!

  • Das Bild zeigt ein zentrales Zahnrad und drei entgegengesetzt drehende äußere Zahnräder. Wirbelstürme drehen sich ähnlich wie dieses Zahnradmodell; Rechte: WDR/ Eva Prost

Kritische Leser mögen sich nun wundern, warum die Corioliskraft Passatwinde und Meeresströmungen auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn abgelenkt, während sich Wirbelstürme und die Strudel im Labor gegen den Uhrzeigersinn drehen. Ein Fehler im Text? Nein. Vereinfacht gesagt, verhalten sich Wirbelstürme und Wasserstrudel anders, weil hier Massen um ein zentrales "Nichts" rotieren. Die zentrale Drehung gegen den Uhrzeigersinn entsteht durch Massen, die von überall her im Uhrzeigersinn einströmen. So drehen sich Wirbelstürme auf der Nordhalbkugel linksherum, weil die Luftmassen rechtsherum ins Tiefdruckzentrum strömen. Dies ist vergleichbar mit einem zentralen Zahnrad, das von anderen Zahnrädern angetrieben wird.