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05.06.2014

Von Badewannen und Scheinkräften

Warum drehen sich Tief- und Hochdruckgebiete?

Am Donnerstagvormittag lag das Zentrum des Tiefs "Dena" über den südlichen Niederlanden. Von dort verlief ein langgezogenes Wolkenband spiralförmig über den Nordosten Frankreichs, bog sich nach rechts über den Ärmelkanal und englische Ostküste um sich in einem weiteren langgestreckten Bogen über die Nordsee und die Nordosthälfte Deutschlands bis nach Tschechien und Österreich zu erstrecken - ein perfekter Bilderbuchwirbel.

Auf der Nordhalbkugel drehen sich Tiefdruckgebiete gegen, Hochs mit dem Uhrzeigersinn und gleichen dadurch effektiv Temperaturunterschiede zwischen polaren und subtropischen Breiten aus. Wie kommen diese Wirbel zustande?

Wenn man sich auf ein Kinderkarussell setzt und mit einer Wasserspritzpistole sein Gegenüber zu treffen versucht, stellt man verblüfft fest, dass der Wasserstrahl durch die Drehbewegung scheinbar seitlich abgelenkt wird und sein Ziel verfehlt. „Wieso scheinbar, ich sehe doch ganz genau wie der Strahl einen Bogen macht?“ mag der Schütze protestieren. Außenstehende Beobachter werden diese Aussage nicht bestätigen, denn für sie ist der Strahl wie erwartet in gerader Linie aus der Pistole ausgetreten. Jedoch hat sich in der Zeit zwischen dem Austritt aus der Mündung und dem Erreichen bzw. dem Nicht-Erreichen des Ziels das Karussell ein Stückchen weitergedreht, weswegen er aus Sicht der Mitfahrer einen Bogen gemacht hat.

Die Kraft, die den Wasserstrahl abgelenkt hat existiert nur für die Passagiere des sich drehenden Karussells, nicht für jene, die mit beiden Beinen fest auf dem Boden (der Tatsachen) stehen – es handelt sich um eine Scheinkraft, die nach dem französischen Mathematiker und Physiker Gaspard Gustave de Coriolis (1792 bis 1843) benannt ist, der sie erstmals 1835 mathematisch beschrieben hat und deswegen neben anderen 71 französischen Größen aus Naturwissenschaft und Technik auf dem Eiffelturm in Paris verewigt wurde.

Genau diese Scheinkraft wirkt auf Luftmassen ein, die sich großräumig auf unserem rotierenden Planeten bewegen. Jedoch ist die auf der Erde wirksame Corioliskraft recht gering. Neben der Masse und der Geschwindigkeit des abgelenkten Körpers wird die Corioliskraft nämlich durch die sog. Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung beeinflusst. Die Erde hat eine Winkelgeschwindigkeit von 360 Grad in knapp 24 Stunden, dreht sich also an einem Tag einmal um ihre eigene Achse. Auf einem Kinderkarussell mit einer solchen Winkelgeschwindigkeit würde man wohl recht bald eingenickt sein. Man rast zwar auf der sich drehenden Erde in Deutschland mit über 1000 km/h durch den Weltraum, jedoch ist der Kreis den man dabei beschreibt so weitläufig, dass man die Ablenkungskraft am eigenen Leib nicht wahrnehmen kann.

Wirkt nun aber die Corioliskraft über einen Zeitraum von mehreren Tagen, so führt dies sehr wohl zu einer markanten Ablenkung. Und somit wird die Luft, die eigentlich nur vom hohen zum tiefen Druck strömen will auf ihrem Weg dorthin so stark abgelenkt, dass sie das Druckzentrum bis zum „Sankt-Nimmerleins-Tag“ umkreisen müsste, wenn ihr nicht die Bodenreibung zu Hilfe käme. Durch sie wird sie nämlich abgebremst und damit auch die ablenkende Corioliskraft verringert. Nun kann die Luft in das Tief einströmen und es auffüllen, wodurch dieses dann seinen Lebenszyklus beendet.

Die Corioliskraft ist an den Polen am stärksten und verschwindet am Äquator, da man dort senkrecht zur Drehachse steht und die Rotation in diesem Fall nicht mehr ablenkend wirken kann. Deswegen können tropische Wirbelstürme auch nicht direkt auf dem Äquator entstehen. Erst etwa in 5 Grad nördlicher bzw. südlicher Breite wirkt die Corioliskraft stark genug um Hurrikane, Taifune und Zyklone entstehen zu lassen.

Die Ablenkungsrichtung ist zwar auf der Südhalbkugel absolut gesehen gleich wie auf der Nordhalbkugel, jedoch steht man quasi kopfüber auf der Erde wodurch sich relativ zum Betrachter die Ablenkungsrichtung umkehrt. Deswegen drehen sich Tiefs auf der Südhalbkugel im und Hochs gegen den Uhrzeigersinn.

Die Wirbel, die beim Abfließen aus der Badewanne entstehen werden übrigens nicht durch die Corioliskraft verursacht, da diese viel zu schwach ist und viel zu kurz wirkt um das Wasser abzulenken. Hier wirken ebenfalls Reibungskräfte, die zum Badewannenrand hin zunehmen. Durch die ungleichmäßige Abbremsung des Wassers verwirbelt es, wobei die Drehrichtung des Wirbels zufällig entsteht bzw. von der Form der Badewanne oder den vorangegangenen Planschbewegungen abhängt.

Donnerstag, 5. Juni 2014

Tim Staeger
ARD-Wetterredaktion