3: De Corioliskracht

De Corioliskracht is een centraal element in de dynamica van oceaan- en atmosfeerstromingen. Een rigoureuze afleiding met behulp van vectorrekening wordt gegeven in veel leerboeken over klassieke mechanica, maar dergelijke afleidingen zijn vaak niet de meest effectieve manier om een conceptueel begrip te krijgen. Daarom zullen wij hier een meer intuïtieve kwalitatieve uitleg geven. In dit hoofdstuk over geofysische stromingen hebben we het veel gehad over de 2e wet van Newton, maar de sleutel tot het begrijpen van de Corioliskracht is veeleer de 1e wet van Newton: een voorwerp in beweging blijft in beweging met dezelfde snelheid en in dezelfde richting tenzij het wordt beïnvloed door een onevenwichtige kracht. De Aarde en alles wat zich daarop bevindt is voortdurend in beweging, aangezien de Aarde rond haar as draait. Bovendien verandert de richting van al deze bewegingen voortdurend: terwijl u om 14.00 uur aan uw bureau zit te typen, beweegt u in precies de tegenovergestelde richting vergeleken met toen u om 02.00 uur in uw bed lag. Deze gedwongen veranderingen in de richting van de beweging van voorwerpen die de neiging hebben om in dezelfde richting te blijven bewegen is wat aanleiding geeft tot zogenaamde pseudo-krachten (die eigenlijk heel reëel zijn, als je toevallig op een draaiende planeet zoals de Aarde woont).

De pseudo-kracht die conceptueel het gemakkelijkst te begrijpen is, is de centrifugale kracht, hieronder afgebeeld.

In essentie worden voorwerpen van een roterend lichaam afgeworpen, omdat de voorwerpen in een rechte lijn blijven bewegen (zoals aangegeven door de pijl), terwijl het oppervlak van het roterende lichaam niet in een rechte lijn beweegt (zoals aangegeven door de cirkel). Gelukkig hoeven we ons geen zorgen te maken dat we van de Aarde worden geslingerd, want de zwaartekracht die onze voeten op de grond houdt is ongeveer 300 keer sterker dan de middelpuntvliedende kracht. De middelpuntvliedende kracht speelt geen rol van betekenis in de dynamica van de oceaan en de atmosfeer, maar maakt de Aarde wel enigszins elliptisch.

De Corioliskracht is een pseudokracht die ontstaat wanneer een voorwerp zich beweegt op het oppervlak van een roterend lichaam. De Corioliskracht is conceptueel veel subtieler dan de centrifugale kracht en bestaat in feite uit twee verschillende effecten, die hieronder elk worden geïllustreerd:

Het linkerpaneel illustreert het eerste effect: een voorwerp dat in de absolute ruimte steeds in dezelfde richting beweegt, lijkt van richting te veranderen wanneer de aarde naar rechts draait. Eerst beweegt het voorwerp recht naar het noorden in de richting van de pool (linkerpijl), maar daarna wordt de richting van de beweging noordoost in het referentiekader van de aarde (rechterpijl), hoewel de richting en de snelheid van het voorwerp in de absolute ruimte niet zijn veranderd. Het rechterpaneel illustreert het tweede effect: als een voorwerp op het aardoppervlak beweegt (zoals aangegeven door de vaste pijl), neemt het de snelheid van de aardrotatie (gestippelde pijlen) met zich mee. Als het hemellichaam naar het noorden beweegt, komt het in gebieden waar de snelheid van de aardrotatie kleiner is dan op zijn oorspronkelijke plaats. Het zal dus een overtollige snelheid naar het oosten hebben, waardoor de beweging van het noorden naar het noordoosten wordt afgebogen, gezien in het referentiekader van de aarde. In het referentiekader van de Aarde leidt elk van deze 2 effecten tot een versnelling met een grootte gelijk aan \(Omega maal v) (met \(Omega) de hoeksnelheid van de Aarde, \(v) de snelheid van het voorwerp in het referentiekader van de Aarde, en \theta de breedtegraad), dus de totale versnelling is \(2 maal \Omega \t maal v \siniteta) of \(f \t maal v\), met de Coriolisparameter \(f = 2 maal \Omega \t maal \siniteta). De corioliskracht maakt een hoek van 90° ten opzichte van de beweging van het voorwerp, naar rechts op het noordelijk halfrond, naar links op het zuidelijk halfrond; hij verdwijnt op de evenaar (90°(\theta=0°)). In de zonale en meridionale richtingen bedragen de versnellingen:

De invloed van de Corioliskracht op bewegende stukken lucht (of water) wordt hier gedemonstreerd.