- Nutze alle Lernfunktionen, wie Tests, Quizze und Umfragen.
- Schreibe Beiträge und tausche dich in unseren Foren aus.
- In einigen Lernangeboten bestätigen wir dir die Teilnahme.
KlimaOER
Kursthemen
-
-
1 Einführung in das Thema Corioliskraft
Abbildung 1: Windsysteme
Auf unserer Erde gibt es viele verschiedene Arten von Wind. Es gibt kleine und große Windsysteme. In der Abbildung Windsysteme sind die größten Winde zu sehen, die ständig rund um den Globus wehen. Man nennt sie auch globale Windsysteme.
Diese Winde entstehen, weil die Sonne die Erde nicht überall gleich stark erwärmt. Am Äquator ist es sehr heiß , dort steigt warme Luft nach oben. Von den kälteren Regionen in Richtung der Pole strömt Luft nach, um diesen Platz zu füllen. So entstehen Luftbewegungen, also Wind.
Eigentlich müsste die Luft dabei einfach geradeaus wehen. Aber wenn man sich die Pfeile in der Abbildung genau anschaut, sieht man:
Die Winde sind gekrümmt!Auf der Nordhalbkugel biegen sie nach rechts ab, auf der Südhalbkugel nach links. Warum ist das so?
Die Antwort darauf hat mit der Drehung der Erde zu tun. Dabei kommt eine besondere Kraft ins Spiel: die Corioliskraft. -
2.1 Erklärung der Corioliskraft mit Experiment
Ein Experiment, das die Corioliskraft sichtbar macht zum Selbstdurchführen:
Vorbereitung
- Finde eine Drehscheibe, auf die du dich setzen kannst und einen Ball, den du zum gegenüberliegenden Rand rollen kannst (z.B. auf Spielplätzen).
- Eine weitere Person kann sich am Rand gegenüber des Ballwerfenden auf der Drehscheibe sitzend positionieren, alternativ eine Kamera dort gut befestigen.
- Hinweis: Hilfreich ist auch - falls vorhanden - eine Drohne, die einige Meter über dem Drehpunkt der Scheibe während des Experiments schwebt und filmt.
Durchführung
- Um die drehende Erde darzustellen, versuchen weitere Personen die Scheibe auf eine schnelle möglichst gleichbleibende Winkelgeschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn anzuschieben bzw. drehen.
- Die ballwerfende Person kann beginnen, den Ball auf den Mittelpunkt der Scheibe zuzurollen bzw. der dahinter sitzenden weiteren Person, die den Ball auf der Geraden empfangen will (oder auf den Mittelpunkt und die dahinter befestigte Kamera).
Was lässt sich während des Experiments beobachten?
Resultat ist in der obigen Animation ersichtlich! (Wenn die Scheibe groß genug ist und die Scheibe schneller dreht (d.h. Winkelgeschwindigkeit Omega größer), entsteht statt einer Kreisbahn eine Spiralbahn (mit Schleifen) aufgrund der stärkeren Ablenkung durch die Corioliskraft und die zusätzlich wirkende Zentrifugalkraft, siehe)
In einem beschleunigten Bezugssystem, der Drehscheibe, wird ein Ball mit existierender Anfangsgeschwindigkeit auf die Drehachse zugerollt oder zugeworfen. Durch die zu beobachtende Krümmung der anfangs nur geradlinigen Bewegung scheinen ablenkende Kräfte (durch die Rotation der Scheibe hervorgerufen) zu wirken.
Welche Kräfte wirken, erfahrt ihr im nächsten Abschnitt im Video "Erklärungsvideo über die Corioliskraft" genauer.Alternativexperiment für das Klassenzimmer:
mit Globus und pfeilbemalter runder Pappe mit Drehpunkt:
Ziel
Das Experiment soll veranschaulichen, dass Bewegungen auf einer rotierenden Kugel scheinbar von ihrer geraden Bahn abgelenkt werden – das ist der Effekt der Corioliskraft.
Materialien
-
Ein Globus, der sich frei drehen lässt (auf einer Achse montiert)
-
Ein runder, stabiler Pappteller oder eine runde Pappe (Durchmesser ca. 20–30 cm)
-
Ein Stift oder Filzstift (abwaschbar, wenn er direkt auf den Globus malen soll)
-
Klebeband oder Knete (um die Pappe auf dem Globus zu fixieren)
Vorbereitung
-
Stelle den Globus so auf, dass er frei um seine Achse drehbar ist.
-
Befestige die runde Pappe mit Klebeband oder Knete an einer Stelle auf dem Globus – am besten so, dass sie flach und stabil aufliegt (z. B. am Äquator). Hinweis: Die Pappe dient als Zeichenfläche.
-
Markiere die Mitte der Pappe als „Startpunkt“.
Durchführung
-
Ohne Drehung
-
Halte den Globus still.
-
Setze den Stift am Startpunkt an und ziehe eine gerade Linie nach außen.
-
Ergebnis: Eine gerade Linie (Referenz).
-
-
Mit Drehung
-
Drehe den Globus langsam um seine Achse.
-
Während der Globus rotiert, setze den Stift wieder am Startpunkt an und versuche, die gleiche gerade Linie zu ziehen.
-
Achte darauf, den Stift gleichmäßig nach außen zu bewegen, während sich die Pappe mit dem Globus dreht.
-
Beobachtung
-
Anstatt einer geraden Linie entsteht eine gekrümmte Linie.
-
Je nach Drehrichtung des Globus und Position auf der Pappe wirkt es so, als ob der Strich nach rechts oder nach links abgelenkt wird.
-
Dies entspricht der Ablenkung durch die Corioliskraft:
-
Auf der Nordhalbkugel: Ablenkung nach rechts.
-
Auf der Südhalbkugel: Ablenkung nach links.
-
Erklärung
Die Corioliskraft entsteht nicht durch eine „echte“ Kraft, sondern dadurch, dass man Bewegungen aus einem rotierenden Bezugssystem betrachtet.
-
In Ruhe (Globusstopp) bewegt sich der Stift gerade.
-
Im rotierenden System (drehender Globus) erscheint die Bewegung gekrümmt.
-
Genau so werden auf der Erde Luft- und Meeresströmungen von ihrer geraden Bahn abgelenkt.
Tipps
-
Verwende abwischbare Folienstifte, wenn du direkt auf den Globus malen willst.
-
Wenn der Globus sich zu schnell dreht, wird der Effekt unübersichtlich. Langsame Drehung ist am besten.
-
Für eine eindrucksvollere Darstellung kannst du die Bahn auf Nord- und Südhalbkugel getrennt ausprobieren.
Schau dir das Video vom obigen Experiment in kleinerem Maßstab als das Spielplatz-Selbstexperiment an:
-
2.2 Erklärungsvideo über die Corioliskraft
-
2.3 Weitere Informationen über die Corioliskraft
Abbildung 2: Golfstrom
Die Corioliskraft wirkt nicht nur auf Winde, sondern z.B.: auch auf Meeresströmungen (Abb. Golfstrom) oder in der Atmosphäre anderer Planeten wie dem Jupiter (hat mehr Zirkulationszellen als die Erde). Damit man die Auswirkungen der Corioliskraft auf ein Objekt beobachten kann, muss es sich mindestens 100 km Richtung Norden oder Süden bewegen. Es müssen also weite Strecken zurück gelegt werden, um den Effekt der Corioliskraft auf unserer Erde mit bloßem Augen sehen zu können.
Am stärksten ist die Corioliskraft an den Polen, während sie am Äquator gleich Null ist.
Erwähnen: Auf der Südhalbkugel funktioniert es genau andersherum. Winde oder Meeresströmungen werden nach links, gegen den Uhrzeigersinn abgelenkt. -
2.4 Krümmung der Bahn
Wie sich Luftpakete auf der Erde bewegen – kurz erklärt
+ Stell dir vor, unser Wetterfrosch will den gleichen Weg nehmen wie ein Luft-
paket, das vom Äquator bis zum 30. nördlichen Breitengrad fliegt.
+ Man könnte denken: Es bewegt sich einfach geradeaus vom hohen zum
niedrigen Luftdruck – also direkt nach Norden. Doch das stimmt nicht
denn die Erdrotation verändert alles.
Was wirkt auf das Luftpaket?
Damit wir das verstehen, nehmen wir Folgendes an:
+ Das Luftpaket fliegt in gleichbleibender Höhe. bzw.:
+ Wir schauen uns nur die Bewegung auf der Karte an (nicht auf- oder
abwärts).
+ Reibung durch Berge oder den Boden spielt keine Rolle (es ist ja weit oben).
+ Und wir tun so, als sei die Corioliskraft (eine ablenkende Kraft) überall
gleich stark.Warum fliegt es nicht geradeaus?
+ Die Erdrotation sorgt dafür, dass eine sogenannte Corioliskraft wirkt.
+ Diese Scheinkraft lenkt alles, was sich bewegt, auf der Nordhalbkugel
nach rechts ab.
+ Es gibt also zwei Kräfte:
++ Die Gradientkraft (sie will das Luftpaket in Richtung niedriger Luftdruck
ziehen)
++ Die Corioliskraft (sie lenkt es nach rechts ab)
Was passiert dann?
+ Das Luftpaket fliegt also nicht gerade nach Norden, sondern immer
weiter nach rechts.
+ Mit der Zeit krümmt sich seine Bahn – es fliegt in einem Bogen.
+ Außerdem wird es langsamer, und am Ende fliegt es fast parallel zu den
Isobaren (den Linien gleichen Luftdrucks).
+ Das nennt man geostrophischer Wind – ein Gleichgewicht zwischen Luft-
druckkraft und CorioliskraftAuf der Nordhalbkugel lenkt die Erdrotation bewegte Luft nach rechts ab.
-
3 Hoch- und Tiefdruckgebiete
VIDEO GEOSTROPHISCHER WIND
In der Atmosphäre gibt es Gebiete mit höherem und niedrigerem Luftdruck. Diese nennt man Hoch- und Tiefdruckgebiete.
\item Auf Wetterkarten erkennt man sie an einem großen \textbf{H} für Hochdruck und einem großen \textbf{T} für Tiefdruck.
\item Um diese Hochs und Tiefs herum sind oft Linien eingezeichnet. Diese Linien nennt man \textbf{Isobaren} – sie verbinden Orte mit gleichem Luftdruck.
\item Luft bewegt sich immer von einem Ort mit höherem Druck zu einem Ort mit niedrigerem Druck. Man kann sich das so vorstellen: In einem Hochdruckgebiet ist "mehr" Luft, im Tiefdruckgebiet "weniger". Die Luft will diesen Unterschied ausgleichen und fließt deshalb vom Hoch zum Tief. Diese antreibende Kraft nennt man \textbf{Druckgradientkraft}.
\item Aber die Erde dreht sich! Deshalb wirkt eine weitere Kraft: die \textbf{Corioliskraft}.
\item Sie lenkt die Luft ab und sorgt dafür, dass sie nicht direkt von Hoch zu Tief weht, sondern stattdessen um die Hochs und Tiefs herum.
\item Wenn sich Druckgradientkraft und Corioliskraft genau ausgleichen, entsteht ein besonderer Wind: der \textbf{geostrophische Wind}.
\item Dieser Wind weht dann \textbf{entlang der Isobaren} – also parallel zu den Linien gleichen Drucks – und nicht direkt vom Hoch zum Tief.
\item Wichtig ist: Die Druckgradientkraft zeigt immer Richtung Tiefdruckgebiet. Die Corioliskraft wirkt ihr entgegen – und zwar nach \textbf{rechts zur Bewegungsrichtung} (auf der Nordhalbkugel).
\item Deshalb weht der geostrophische Wind auf der \textbf{Nordhalbkugel} im \textbf{Uhrzeigersinn um Hochdruckgebiete} und \textbf{gegen den Uhrzeigersinn um Tiefdruckgebiete}.
\item Auf der \textbf{Südhalbkugel} ist es genau andersherum! -
-
Was bedeutet das konkret für die Windsysteme unserer Erde?
Die Hoch- und Tiefdruckgebiete, die du gerade kennengelernt hast, sind häufig Teil größerer Windzirkulationen. Als Nächstes siehst du, wie eine solche Windzirkulation entsteht. Wenn du dir die Hoch- und Tiegdruckgebiete genauer anschaust, siehst du hier wieder den Effekt der Reibung.
-
Eine solche Windzirkulation bestimmt viele Kleinwetterlagen unserer Erde. Zum Beispiel findet sich eine solche Windzirkulation am Übergang von Meer und Land, Stadt und Land oder Berg und Tal. Sie bestimmt die Windrichtung an diesen Übergangsstellen.
-
-
Hadley-, Ferrel- und Polarzelle
Aufgrund der Sonnenenergie und der Erdrotation (Corioliskraft und Rotationsgeschwindigkeit) hat unsere Erde drei in Nord-Süd Richtung (meridional) verlaufende Zirkulationszellen. Die Namen für die verschiedenen Breitengradregionen werden hier eingeführt. Zwei Zellen-Typen (thermisch direkt oder thermisch indirekt angetriebene) werden unterschieden.
Schon Einstein wusste, um Masse, also auch Luft, zu bewegen benötigt es Energie. Diese Energie auf der Erde für die Winde kommt von der Sonne.
Je nach Jahreszeit variiert es, welche Orte die meiste Energie der Sonne, also das Strahlungsmaximum erhalten. Jedoch liegt die Zone der maximalen Strahlungsintensität meist in Äquatornähe. Sodass wir uns hier vorstellen können, dass die Erde einen Gürtel voller Energie entlang des Äquators umgeschnallt hat. Diese Energie bleibt jedoch nicht dort, denn die Atmosphäre strebt stets einen Gleichgewichtszustand an. Sodass die Energie die den Boden erhitzt auch die Umgebungsluft erhitzt und diese wiederum so viel Platz haben möchte, dass sie sich nicht nur ausdehnt, sondern auch aufsteigt.
Diese Vertikalbewegung ist auch schon Teil der äquatornahen Zirkulationszelle namens Hadley-Zelle. Da die aufgestiegene Luft in der Höhe die kühleren Bereiche nördlich und südlich auch wärmen möchte, strömt sie auch dorthin und teilt sich somit nach Norden und Süden hin auf. Nun können die zwei Hadley-Zellen ihren Kreislauf vervollständigen. Denn die horizontal strömende Luft kühlt sich ab und sinkt damit auch ab, sodass sich zuvor beim Aufsteigen gebildete Wolken bei dem nun stattfindenden Absinken der Luft auch wieder auflösen können. Da die Luft beim Absinken wieder in die wärmere Bodennähe kommt und durch höheren Luftdruck zusammengepresst wird, erwärmt sich die Luft beim Prozess des Absinkens. Sie strömt dahin zurück wo in Bodennähe zu Beginn des Kreislaufs ein Mangel an Luftteilchen (äquatoriale Tiefdruckrinne) durch die starken Aufwärtsbewegungen wegen der hohen Strahlungsintensität vorherrscht.
Nicht nur aufgrund der Jahreszeiten sondern auch der unregelmäßigen Land-Ozean Verteilung sind die Hadley-Zellen unterschiedlich stark ausgeprägt und auch nicht ganz symmetrisch um den Äquator. Die Hadley-Zellen sind thermisch direkt angetriebene Zellen. Eine andere thermisch direkte Zelle befindet sich an dem jeweiligen Pol. Betrachten wir in unserem Beispiel nur den Nordpol. Direkt am Nordpol befindet sich der absinkende Ast der Zirkulationszelle. Die bodennahen kalten Ostwinde wehen vom Pol hin zu niedrigeren Breiten, wo es einen aufsteigenden Ast gibt, da die Sonnenstrahlen 60°N gegenüber dem Pol verstärkt erreichen.
In der Höhe teilt sich dieser aufsteigende Ast in nördliche Richtung als Teil der Polar-Zelle und in südliche Richtung als Teil einer neuen Zelle, die thermisch indirekt ist, da dort wo verstärkte Strahlung ankommen sollte, statt einem aufsteigenden Ast, ihr absteigender Ast vorzufinden ist. Ihr Name ist Ferrel-Zelle. Sie dient als Bindeglied zwischen den thermisch direkten Zellen in der Nordhemisphäre und genauso in der Südhemisphäre.Außerdem sind in Bodennähe semi-permanente Hochs (30°N/S) und Tiefs (60°N/S) zu finden. Dazwischen ist die Westwindzone. Die Nord- (NH) oder Südostpassate (SH) hingegen wehen bodennah vom subtropischen Hochdruckgürtel zur äquatorialen Tiefdruckrinne. In den Polarregionen sind es die kalten Ostwinde die weg von den Polen wehen. (siehe Abbildung 1 zu Beginn des Moduls)
-