Corioliskraft

In der allgemeinen Theorie der atmosphärischen Zirkulation existieren aufgrund von Temperaturunterschieden Gebiete mit niedrigem Druck über den Äquatorregionen und Gebiete mit hohem Druck über den Polarregionen. Der resultierende Unterdruck lässt die Hochdruckluft an den Polen entlang der Planetenoberfläche in Richtung Äquator strömen. Obwohl dieses Muster der Luftzirkulation theoretisch korrekt ist, wird die Luftzirkulation durch mehrere Kräfte modifiziert, von denen die wichtigste die Rotation der Erde ist.

Die Kraft, die durch die Rotation der Erde entsteht, ist als Coriolis-Kraft bekannt. Diese Kraft ist für den Menschen beim Gehen nicht wahrnehmbar, da sich der Mensch langsam bewegt und im Vergleich zur Größe und Rotationsgeschwindigkeit der Erde relativ kurze Strecken zurücklegt. Die Coriolis-Kraft wirkt sich jedoch erheblich auf die Bewegung über große Entfernungen aus, z. B. eine Luftmasse oder ein Gewässer. 

Die Coriolis-Kraft lenkt die Luft auf der Nordhalbkugel nach rechts ab, wodurch sie einem gekrümmten Pfad statt einer geraden Linie folgt. Der Betrag der Ablenkung ist je nach Breitengrad unterschiedlich. Sie ist an den Polen am größten und geht am Äquator auf Null zurück. Die Größe der Coriolis-Kraft unterscheidet sich auch mit der Geschwindigkeit des sich bewegenden Körpers – je größer die Geschwindigkeit, desto größer die Abweichung. Auf der Nordhalbkugel lenkt die Rotation der Erde die sich bewegende Luft nach rechts ab und verändert das allgemeine Zirkulationsmuster der Luft.

Die Coriolis-Kraft bewirkt, dass die allgemeine Strömung in jeder Hemisphäre in drei verschiedene Zellen aufbricht. Auf der Nordhalbkugel steigt die warme Luft am Äquator von der Oberfläche nach oben, wandert nach Norden und wird durch die Rotation der Erde nach Osten abgelenkt. Wenn es ein Drittel der Strecke vom Äquator bis zum Nordpol zurückgelegt hat, bewegt es sich nicht mehr nach Norden, sondern nach Osten. 

Diese Luft kühlt ab und sinkt in einem gürtelähnlichen Bereich bei etwa 30° Breite ab, wodurch ein Bereich mit hohem Druck entsteht, wenn sie zur Oberfläche absinkt. Dann fließt es nach Süden entlang der Oberfläche zurück zum Äquator. Die Coriolis-Kraft biegt die Strömung nach rechts und erzeugt so die nordöstlichen Passatwinde, die vom 30. Breitengrad bis zum Äquator vorherrschen. Ähnliche Kräfte erzeugen Zirkulationszellen, die die Erde zwischen dem 30. und 60. Breitengrad und zwischen dem 60. und den Polen umgeben. Dieses Zirkulationsmuster führt zu den vorherrschenden Westwinden der oberen Ebene in den Vereinigten Staaten.

Zirkulationsmuster werden durch saisonale Veränderungen, Unterschiede zwischen den Oberflächen von Kontinenten und Ozeanen und andere Faktoren wie Reibungskräfte, die durch die Topographie der Erdoberfläche verursacht werden und die Bewegung der Luft in der Atmosphäre modifizieren, weiter kompliziert. Beispielsweise verlangsamt die Reibung zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre innerhalb von 2.000 Fuß über dem Boden die sich bewegende Luft. Der Wind wird aufgrund der Reibungskraft von seiner Bahn abgelenkt. Daher weicht die Windrichtung an der Oberfläche etwas von der Windrichtung nur wenige tausend Fuß über der Erde ab.