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Corioliskraft – die geheimnisvolle Macht der Erdrotation

Unsere Erde dreht sich – das zeigt schon der Wechsel von Tag und Nacht. Doch die Erdrotation beeinflusst auch andere Phänomene auf unserem Planeten – von Meeresströmungen über die Drehrichtung von Tiefdruckwirbeln bis hin zu so alltäglichen Dingen wie dem Fallen von Gegenständen oder den Schienen der Eisenbahn. Was aber hat es mit der Corioliskraft auf sich und wirkt sie tatsächlich selbst auf den Badewannenstrudel?

Die Corioliskraft ist ein Phänomen, das auf sich drehenden Körpern wirkt – ob ein Planet, eine Kugel oder auch ein Karussell. Diese Kraft entsteht, weil sich beispielsweise eine rotierende Scheibe außen schneller bewegt als innen. Versucht man nun, sich auf ihr von innen nach außen zu bewegen, macht sich dies in einer ablenkenden Kraft bemerkbar: Statt auf dem Karussell geradeaus von der Mitte zum Rand zu gehen, driftet man unwillkürlich zur Seite hin ab und läuft im Bogen zum Rand.

Wirbel eines Tiefdruckgebietes
Tiefdruckgebiete drehen sich auf der Nordhalbkugel immer gegen den Uhrzeigersinn.

Warum Tiefdruckgebiete gegen den Uhrzeigersinn drehen

Der gleiche Effekt tritt auch bei der sich drehenden Erdkugel auf:  Während eines Tages dreht sich die Erde einmal um sich selbst. Dabei legt ein Punkt am Äquator rund 40.000 Kilometer zurück, ein Punkt weiter polwärts aber eine kürzere Strecke, weil der Erdumfang zu den Polen hin abnimmt. Bewegt sich nun eine Masse zum Pol hin oder von ihm weg, muss sie diesen Geschwindigkeitsunterschied ausgleichen - sie wird durch die Corioliskraft abgelenkt. Auf der Nordhalbkugel werden bewegte Körper daher in Bewegungsrichtung nach rechts abgelenkt, auf der Südhalbkugel nach links.

Am deutlichsten sehen wir die Wirkung der Corioliskraft auf einer Wetterkarte oder einem Satellitenbild. Denn die Erdrotation beeinflusst auch die Bewegung der Luftmassen und Winde. Bei einem Hochdruckgebiet strebt die Luft vom Hochdruck im Zentrum weg nach außen. Durch die Corioliskraft wird diese Luft auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt – es entsteht ein sich im Uhrzeigersinn drehender Wirbel. Umgekehrt ist es bei Tiefdruckgebieten und Wirbelstürmen, die Luft in sich aufsaugen. Sie drehen sich bei uns immer gegen den Uhrzeigersinn.

Blick auf den Gardasee
Die Erdrotation beeinflusst nicht nur Strömungen in den Ozeanen, sondern wirkt selbst in relativ kleinen Seen wie dem oberitalienischen Gardasee.

Golfstrom und Gardasee

Die Erdrotation beeinflusst nicht nur Luftströmungen, sondern wirkt auch auf das irdische Wasser. Am deutlichsten ist dies am Golfstrom zu erkennen: Er strömt vom Äquator nordwärts und wird dabei nach Osten abgelenkt, gefördert wird dies noch zusätzlich von den aus Westen wehenden Winden. Erst dadurch bewegt sich dieser warme Wasserstrom im Bogen von der Karibik aus über den Atlantik bis nach Europa – und beschert uns das vergleichsweise milde Wetter.

Aber die Corioliskraft wirkt auch auf deutlich kleinere Gewässer, wie Forscher erst vor kurzem herausgefunden haben. Sogar das Wasser im nur rund 50 Kilometer langen und ziemlich schmalen Gardasee spürt den Einfluss dieser Scheinkraft. Denn wenn der Wind aus Norden längst über den See weht, lenkt die Erdrotation den Wind und auch das von ihm bewegte Wasser nach rechts in Richtung Westen ab. Dadurch entsteht ein Querströmung, die warmes Oberflächenwasser am Westufer sammelt, während am Ostufer kälteres Tiefenwasser aufsteigt.

Torre degli Asinelli in Bologna
Von diesem Turm in Bologna ließ Giovanni Battista Guglielmini im Jahr 1791 Gewichte fallen, um die ablenkende Kraft der Erdrotation zu vermessen.

Fallende Gewichte und erodierte Flussufer

Aber wer glaubt, die Erdrotation wirke nur auf Winde und Wassermassen irrt: Selbst in Prozessen und Objekten unseres Alltags können wir den Einfluss der sich drehenden Erde erkennen – wenn auch manchmal nur in winzigem Maße. Ein Beispiel ist das Fallen eines Gegenstands: Schon Galileo Galilei und Isaac Newton sagten voraus, dass die Corioliskraft auch ein fallendes Objekt auslenken müsste. Allerdings ist diese Ablenkung so gering, dass sie erst bei längeren Fallstrecken überhaupt messbar wird.

So müsste beispielsweise ein fallender Apfel auf einer Fallstrecke von gut acht Metern immerhin um 0,5 Millimeter nach Osten abgelenkt werden. Diese Ablenkung nachgewiesen hat erstmals der Italienische Forscher Giovanni Battista Guglielmi im Jahr 1791. Er ließ ein Gewicht aus 78 Metern von einem der Stadttürme der Stadt Bologna hinabfallen und registrierte dabei eine Ablenkung von im Mittel 16 Millimetern – was dem theoretischen Wert von 10,7 Millimetern schon recht nahekam. Einen ähnlichen Versuch machte der Landvermesser Johann Benzenberg im Jahr 1802 im Hamburger Michel aus 76,30 Meter Höhe. Er kam auf rund 8,7 Millimeter.

Eisenbahnschienen und der Badewannenstrudel

Doch nicht nur beim Fallen wirkt die Scheinkraft der Erdrotation. Sie macht sich auch daran bemerkbar, dass beispielsweise die rechte Eisenbahnschiene beim Darüberfahren eines Zuges eine Winzigkeit stärker rechts belastet wird als links – weil auch der Zug leicht nach rechts ausgelenkt wird. Dieser Effekt ist allerdings so gering, dass er von vielen anderen Störeinflüssen auf überlagert wird.

Ähnliches gilt für den berühmten Badewannenstrudel: Der Legende nach dreht er sich auf der Nordhalbkugel und der Südhalbkugel entgegengesetzt, weil auch auf ihn die Erdrotation wirkt. Rein theoretisch stimmt das sogar. Allerdings ist der Effekt der Corioliskraft auf unser Badewasser so winzig, dass er in der Praxis nicht nachweisbar ist. Ob das Wasser demnach rechts- oder linksherum abfließt, hängt eher von der Geometrie und Oberfläche des Wannenbodens und vielen anderen Störfaktoren ab. Würde man allerdings die Wanne ins Riesenhafte vergrößern, dann ließe sich der Corioliseffekt tatsächlich nachweisen.

Foucault'sches Pendel unter der Kuppel des Pantheons, Paris.
Das Foucault'sche Pendel im Pantheon in Paris.

Das Foucault'sche Pendel

Der bekannteste Nachweis der Erdrotation aber ist das Pendel des französischen Physikers Léon Foucault: 1851 führte er das Prinzip öffentlichkeitswirksam im Pariser Pantheon vor – sein Experiment ist noch heute dort zu sehen. Ein 67 Meter langes Pendel mit einem knapp 30 Kilogramm schweren Gewicht hing von der Decke und berührte mit seiner Spitze knapp eine ebene Sandfläche. Wenn dieses Pendel in Schwingung versetzt wurde, bewegte es sich nicht nur geradlinig hin und her, sondern wurde im Laufe der Zeit leicht nach rechts abgelenkt. Die Pendelspitze zeichnete dadurch nach und nach eine Rosette in den Sand. Heute befindet sich unter dem Pendel statt der Sandfläche eine Gradskala, die die Ablenkung zeigt.

Ursache dafür ist wieder die ablenkende Wirkung der Erdrotation: Während das Pendel stabil bleibt, dreht sich die Erde unter dem Pendel weg. Für uns als Beobachter wirkt dies, als wenn sich die Pendelebene verschiebt – die Corioliskraft scheint das Pendel im Uhrzeigersinn auszulenken. Nur direkt am Äquator verändert sich die Schwingungsrichtung des Pendels nicht. Je weiter man in Richtung der Pole kommt, desto stärker ist die Auslenkung. Wenn wir diesen Pendelversuch bei uns hier in Deutschland durchführen, wandert das Pendel um rund 11,5 Grad pro Stunde.

NPO, 18.06.2019
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