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EARTH EXPLAINED · UNTERRICHTSMATERIAL

Warum Hurrikane sich drehen

Die Maschine, das Auge und der Coriolis-Effekt

Video 9:50Stufe Klassenstufen 6–12 · Einführung in die Meteorologie an der UniversitätStandards MS-ESS2-4, MS-ESS2-5, MS-ESS2-6, MS-ESS3-2, HS-ESS3-1
Sprache Deutsch

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Was treibt einen Hurrikan an, und warum dreht sich jeder Hurrikan nördlich des Äquators gegen den Uhrzeigersinn, während sich jeder südlich davon im Uhrzeigersinn dreht?

Ein Hurrikan ist eine Wärmekraftmaschine, die mit warmem Meerwasser läuft und ihre Drehung von der rotierenden Erde erhält. Diese Lektion folgt der Folge vom Treibstoff (Meerwasser von mindestens 26,5 °C) und dem sich selbst speisenden Kreislauf aus Verdunstung und Kondensation über den Coriolis-Effekt, der die einströmende Luft zu einer Spirale aufwickelt, bis zum ruhigen Auge und der heftigen Augenwand, die es umgibt. Dann wendet sie sich den Menschen zu: warum Stürme Namen tragen, was der Galveston-Hurrikan von 1900 und Hurrikan Katrina im Jahr 2005 über die Sturmflut gezeigt haben und wie sich die Dreitagesvorhersagen der Zugbahn verbessert haben, von Abweichungen von mehr als 350 Meilen im Jahr 1990 auf etwa 100 Meilen Mitte der 2020er-Jahre, während eine plötzliche Verstärkung weiterhin schwer vorherzusagen ist.

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Lernziele Nach dieser Stunde können die Schülerinnen und Schüler:

  1. Erklären, wie ein Hurrikan als Wärmekraftmaschine funktioniert: Warmes Wasser verdunstet, feuchte Luft steigt auf, ihr Wasserdampf kondensiert, und die freigesetzte Wärme treibt die Luft schneller nach oben, wodurch mehr feuchte Luft angesaugt wird.
  2. Die Bedingungen im Ozean nennen, die ein Hurrikan braucht (eine Meeresoberfläche von mindestens 26,5 °C, etwa 80 °F, die bis in eine Tiefe von etwa 50 m warm ist), und damit erklären, warum die atlantische Saison im Spätsommer ihren Höhepunkt erreicht.
  3. Den Coriolis-Effekt beschreiben und damit vorhersagen, in welche Richtung sich ein Sturm auf jeder Halbkugel dreht, und erklären, warum Hurrikane innerhalb von etwa 5° um den Äquator fast nie entstehen.
  4. Den Aufbau eines ausgewachsenen Hurrikans beschreiben, einschließlich der Spiralbänder, der Augenwand und des Auges, und erklären, warum der Wind abflaut und dann aus der entgegengesetzten Richtung zurückkehrt, wenn das Auge vorüberzieht.
  5. Erklären, warum tropische Wirbelstürme Namen erhalten, wie die atlantischen Namenslisten im Wechsel verwendet werden und warum manche Namen gestrichen werden.
  6. Den Galveston-Hurrikan von 1900 und Hurrikan Katrina im Jahr 2005 vergleichen und mit ihnen erklären, warum oft die Sturmflut und nicht allein die Windkategorie bestimmt, wie tödlich ein Hurrikan ist.
  7. Einen Vorhersagekegel richtig deuten und beurteilen, wie stark sich die Vorhersagen der Zugbahn im Vergleich zu den Vorhersagen der Stärke verbessert haben, am Beispiel der raschen Intensivierung.

Vor dem Ansehen

Wichtige Begriffe ★ Vertiefungsbegriffe für ältere Schülerinnen und Schüler

Tropischer Wirbelsturm
Ein großes, rotierendes Sturmsystem mit warmem Kern, das über tropischen oder subtropischen Meeren entsteht. Wenn seine andauernden Winde 74 mph (119 km/h) erreichen, heißt er im Atlantik sowie im östlichen und zentralen Nordpazifik Hurrikan, im westlichen Nordpazifik Taifun und im Südpazifik und im Indischen Ozean Zyklon.
Wärmekraftmaschine
Ein System, das Wärme in Bewegung umwandelt. Ein Hurrikan entnimmt der warmen Meeresoberfläche Wärme und wandelt einen kleinen Teil davon in Wind um.
Kondensation
Die Umwandlung von Wasserdampf in flüssige Tröpfchen, wobei Wolken entstehen. Dabei wird die Wärme frei, die beim Verdunsten des Wassers aufgenommen wurde, und diese Wärme ist die wichtigste Energiequelle des Hurrikans.
Coriolis-Effekt
Die scheinbare Ablenkung von allem, was sich über eine weite Strecke über die Oberfläche der rotierenden Erde bewegt: auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links. Am Äquator ist er null, an den Polen am stärksten.
Spiralbänder
Die langen, gekrümmten Bänder aus Wolken und Regen, die sich spiralförmig zum Zentrum eines Hurrikans hin winden; ihre Krümmung zeigt, in welche Richtung sich der Sturm dreht.
Auge
Das annähernd kreisförmige Gebiet mit schwachem Wind im Zentrum eines starken Hurrikans, meist 30 bis 60 km breit. Die Luft darin sinkt ab, deshalb kann der Himmel teilweise klar sein.
Augenwand
Der Ring aus hoch aufragenden Gewitterwolken um das Auge, in dem die stärksten Winde und der heftigste Regen eines Hurrikans auftreten.
Millibar
Eine Einheit des Luftdrucks, gleich einem Hektopascal (hPa). Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 1.013 mb; der niedrigste je auf Meereshöhe gemessene Luftdruck, 870 mb, wurde 1979 im Auge von Taifun Tip verzeichnet.
Sturmflut
Der Anstieg des Meeres über die normale Gezeitenhöhe, der vor allem von den Winden eines Sturms an Land gedrückt wird. Sie ist meist der tödlichste Teil eines Hurrikans.
Deich
Ein Damm oder eine Mauer, die gebaut wird, um das Wasser eines Flusses, eines Sees oder des Meeres zurückzuhalten. In New Orleans versagten 2005 Deiche und Flutmauern, und Wasser aus dem See und den Kanälen überflutete den größten Teil der Stadt.
Unsicherheitskegel
Die Vorhersagegrafik, die zeigt, wohin das Zentrum eines Sturms voraussichtlich ziehen wird. Das Zentrum bleibt in etwa zwei von drei Fällen darin. Sie zeigt weder die Größe des Sturms noch, wo seine Auswirkungen zu spüren sein werden.
Rasche Intensivierung
Ein Anstieg der maximalen andauernden Windgeschwindigkeit eines tropischen Wirbelsturms um mindestens 30 Knoten (35 mph, 55 km/h) innerhalb von 24 Stunden.
Gestrichener Name
Ein Sturmname, den die Weltorganisation für Meteorologie aus den wechselnden Listen streicht, weil der Sturm so tödlich oder so kostspielig war, dass eine erneute Verwendung des Namens unangemessen wäre.
Latente Wärme★
Die Wärme, die beim Verdunsten von Wasser aufgenommen und beim Kondensieren des Dampfes wieder abgegeben wird, etwa 2,5 Millionen Joule pro Kilogramm Wasser. Sie transportiert Energie von der Meeresoberfläche in den Sturm.
Druckgradientkraft★
Die Kraft, die Luft vom höheren zum tieferen Druck schiebt. Sie treibt die Luft zum Zentrum eines Hurrikans hin; der Coriolis-Effekt lenkt diesen Zustrom dann zu einer Drehung ab.
Saffir-Simpson-Hurrikan-Windskala (Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale)★
Die Einstufung eines Hurrikans von 1 bis 5, die nur auf seiner maximalen andauernden Windgeschwindigkeit beruht, von Kategorie 1 (74 bis 95 mph, 119 bis 153 km/h) bis Kategorie 5 (157 mph, 252 km/h, oder mehr). Sturmflut, Überschwemmungen durch Regen und Tornados berücksichtigt sie nicht.

Kapitelübersicht Eine Zeit wählen, um ab dort abzuspielen

0:00Die Maschine

Ein Hurrikan ist eine Wärmekraftmaschine, die mit warmem Meerwasser läuft, mindestens 26,5 °C (etwa 80 °F) warm und bis in eine Tiefe von etwa 50 Metern warm. Verdunstung, aufsteigende Luft und Kondensation verstärken sich gegenseitig, und an einem einzigen Tag setzt ein durchschnittlicher Hurrikan mehr als hundertmal so viel Wärme frei wie der gesamte Strom, den die Welt erzeugt.

1:46Warum er sich dreht

Luft strömt zum tiefen Druck im Zentrum, und der Coriolis-Effekt lenkt sie auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links ab, sodass sich Stürme im Norden gegen den Uhrzeigersinn und im Süden im Uhrzeigersinn drehen. Innerhalb von etwa 5° um den Äquator ist der Effekt zu schwach, um einen Sturm in Drehung zu versetzen.

3:10Das Auge

Hurrikan Patricia (2015), dessen Winde von 215 mph (345 km/h) die stärksten sind, die je in einem Hurrikan gemessen wurden, und das Auge von Isabel (2003): absinkende Luft und schwacher Wind im Auge, die stärksten Winde in der Augenwand. Taifun Tip (1979) hält die Rekorde für den niedrigsten Luftdruck auf Meereshöhe, 870 mb, und für die größte Ausdehnung, etwa 2.220 km Durchmesser.

4:29Die Namen

Atlantische Stürme tragen seit 1950 Namen, seit 1953 Frauennamen, und 1979 kamen Männernamen hinzu. Sechs Listen mit je 21 Namen werden im Wechsel verwendet, sodass jeder Name alle sechs Jahre wiederkehrt, es sei denn, ein Sturm ist so tödlich oder so kostspielig, dass sein Name gestrichen wird.

5:311900 und 2005

1900 überspülte eine Sturmflut von mehr als 15 Fuß Galveston, wo niemand sehen konnte, wie stark der Sturm geworden war, und tötete mindestens 8.000 Menschen; die Stadt wurde hinter einer Ufermauer wieder aufgebaut und hob sich selbst an. 2005 versagten, als die Sturmflut von Katrina stieg, die Deiche und Flutmauern von New Orleans, und 80 Prozent der Stadt wurden überflutet: insgesamt fast 1.400 Tote und 125 Milliarden Dollar Schaden.

7:18Die Prognose

Der Vorhersagekegel zeigt, wohin das Zentrum voraussichtlich ziehen wird, nicht die Größe des Sturms. Die Abweichungen der Dreitagesvorhersage der Zugbahn sanken von mehr als 350 Meilen im Jahr 1990 auf etwa 100 Meilen Mitte der 2020er-Jahre, doch eine rasche Intensivierung wie bei Hurrikan Milton (2024) bleibt schwer vorherzusagen.

8:28Dreht sich weiter

Zyklon Winston (2016) im Südpazifik dreht sich mit derselben Maschine im Uhrzeigersinn. Die Zusammenfassung: eine Wärmekraftmaschine auf warmem Wasser, eine Drehung, die von der Erdrotation stammt, und Zugbahnen, die weit besser vorhergesagt werden als die Stärke.

Häufige Fehlvorstellungen Für die Lehrkraft

FehlvorstellungWegen des Coriolis-Effekts läuft das Wasser in Toiletten und Waschbecken auf der Nordhalbkugel in die eine Richtung ab und auf der Südhalbkugel in die andere.

Was die Belege zeigenDer Coriolis-Effekt spielt nur bei großen und lang andauernden Bewegungen eine Rolle, etwa bei Winden, die über viele Stunden hinweg Hunderte von Kilometern zurücklegen. In einem Waschbecken oder einer Toilette ist er tausendfach zu schwach, um gegen die Form des Beckens und die Art anzukommen, wie das Wasser eingefüllt oder gespült wurde. Nur in sorgfältig kontrollierten Experimenten, bei denen das Wasser viele Stunden lang zur Ruhe kommen durfte, wurde gezeigt, dass die Erdrotation die Drehrichtung eines Abflusswirbels bestimmt.

FehlvorstellungDas Auge ist der heftigste Teil eines Hurrikans, oder: Wenn der Wind plötzlich abflaut, ist der Sturm vorbei.

Was die Belege zeigenIm Auge sinkt die Luft ab und der Wind ist schwach; die stärksten Winde herrschen in der Augenwand, die es umgibt. Wenn das Auge über einen Ort hinwegzieht, ist die Ruhe nur vorübergehend: Die andere Seite der Augenwand kommt, und der Wind kehrt genauso heftig aus der entgegengesetzten Richtung zurück. Wer während der Ruhe nach draußen geht, kann ungeschützt im Freien überrascht werden.

FehlvorstellungDie Kategorie eines Sturms sagt dir, wie gefährlich er ist.

Was die Belege zeigenDie Saffir-Simpson-Kategorie beruht nur auf dem stärksten andauernden Wind. Sie sagt nichts über die Sturmflut aus, die meist die tödlichste Gefahr ist, und nichts über Überschwemmungen durch Regen. Katrina war beim Landfall ein Sturm der Kategorie 3, schwächer als auf seinem Höhepunkt der Kategorie 5, doch als seine Sturmflut stieg, versagten die Schutzanlagen von New Orleans, und 80 Prozent der Stadt wurden überflutet.

FehlvorstellungDer Vorhersagekegel zeigt, wie groß der Sturm ist, und Orte außerhalb des Kegels sind sicher.

Was die Belege zeigenDer Kegel zeigt nur die voraussichtliche Bahn des Sturmzentrums, und das Zentrum verlässt den Kegel in etwa einem von drei Fällen. Starke Winde, Sturmflut und heftiger Regen reichen oft weit über das Zentrum hinaus und auch weit über den Kegel hinaus.

FehlvorstellungDa Meteorologen die Bahn eines Sturms drei Tage im Voraus auf etwa 100 Meilen genau vorhersagen können, können sie auch seine Stärke ebenso gut vorhersagen.

Was die Belege zeigenDie Vorhersagen der Zugbahn haben sich seit 1990 um mehr als das Dreifache verbessert, die Vorhersagen der Stärke dagegen viel langsamer. Die rasche Intensivierung ist der schwierigste Fall: Milton stieg 2024 in etwa einem Tag von Kategorie 1 auf Kategorie 5 auf, und die Winde von Patricia nahmen 2015 innerhalb von 24 Stunden um 105 Knoten (etwa 120 mph) zu, weit schneller, als die Vorhersagen erwarten ließen.

Diskussionsfragen

  1. Die Folge sagt, ein Hurrikan „läuft“ mit warmem Wasser. Was passiert mit einem Hurrikan, wenn er über Land oder über kühleres Wasser zieht, und warum?
  2. Auf einem Satellitenbild kannst du erkennen, auf welcher Halbkugel sich ein Hurrikan befindet. Erkläre, wie. Warum überquert ein Hurrikan so selten den Äquator?
  3. 1900 konnte in Galveston niemand sehen, wie stark der Sturm draußen im Golf geworden war. Liste die Technologien auf, die Galveston heute warnen würden. Welche ist deiner Meinung nach die wichtigste, und warum?
  4. Katrina war beim Landfall schwächer als auf seinem Höhepunkt und war doch weit tödlicher und kostspieliger als viele stärkere Stürme. Was sagt dir das darüber, wie wir die Gefahr durch Hurrikane vermitteln? Wie würdest du eine bessere Warnmeldung gestalten?
  5. Galveston antwortete auf 1900 mit einer Ufermauer und indem es die Stadt anhob; New Orleans antwortete auf 2005 mit einem 14,5 Milliarden Dollar teuren System aus Deichen, Toren und Pumpen. Was sind die Stärken und Grenzen, wenn man eine Stadt mit Ingenieurbauten schützt? Was könnte eine Küstengemeinde sonst noch tun?
  6. Die Vorhersagen, wohin ein Sturm zieht, haben sich weit stärker verbessert als die Vorhersagen, wie stark er wird. Wenn du für den Katastrophenschutz verantwortlich wärst und ein Sturm an einem Tag von Kategorie 1 auf Kategorie 5 springen könnte, wie würde das deine Entscheidungen über Evakuierungen verändern?

Quiz Antwort wählen; sie wird sofort geprüft

1.Was braucht ein Hurrikan laut der Folge vom Ozean?

2.Was setzt in der Maschine des Hurrikans die Wärme frei, die die Luft noch schneller aufsteigen lässt?

3.Luft strömt zum Tiefdruckzentrum eines Hurrikans. Was macht der Coriolis-Effekt auf der Nordhalbkugel mit ihr?

4.Warum entstehen Hurrikane innerhalb von etwa 5° (rund 550 km) um den Äquator fast nie?

5.Wo findet man die stärksten Winde eines Hurrikans?

6.Warum streicht die Weltorganisation für Meteorologie den Namen eines Sturms?

7.Woher kam der größte Teil des Wassers, das New Orleans nach Hurrikan Katrina überflutete?

8.Was zeigt der Kegel in einer Hurrikanvorhersage?

9.Meteorologen sprechen von rascher Intensivierung, wenn die maximalen Winde eines Sturms innerhalb von 24 Stunden um mindestens wie viel zunehmen?

10.Zyklon Winston (2016) im Südpazifik drehte sich im Uhrzeigersinn. Warum?

Schriftliche Antwort

1. Zeichne ein beschriftetes Schema der Wärmekraftmaschine eines Hurrikans. Zeige die warme Meeresoberfläche, die Verdunstung, die aufsteigende feuchte Luft, die Kondensation zu Wolken, die Freisetzung von Wärme und den Zustrom neuer Luft an der Oberfläche. Erkläre in zwei oder drei Sätzen, warum sich der Kreislauf selbst speist und was ihn stoppen würde.

Was eine gute Antwort enthält

Eine gute Antwort zeigt warmes Wasser (mindestens 26,5 °C), das verdunstet; feuchte Luft, die aufsteigt; den Dampf, der zu hoch aufragenden Wolken kondensiert und Wärme freisetzt; die erwärmte Luft, die schneller aufsteigt und dadurch den Druck an der Oberfläche senkt; und mehr feuchte Luft, die über dem Meer nachströmt, um sie zu ersetzen, wodurch sich der Kreislauf schließt. Der Kreislauf stoppt, wenn der Nachschub an warmer, feuchter Luft abreißt: über Land, über kühlerem Wasser oder wenn der Sturm kaltes Wasser von unterhalb einer dünnen warmen Schicht aufwühlt.

2. Erkläre, warum sich Hurrikane auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn drehen und warum sie fast nie am Äquator entstehen.

Was eine gute Antwort enthält

Luft strömt von allen Seiten zum tiefen Druck im Zentrum. Weil sich die Erde dreht, wird Luft, die sich über eine weite Strecke über ihre Oberfläche bewegt, abgelenkt, auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links (der Coriolis-Effekt). Die einströmende Luft kreist deshalb um das Zentrum, statt es zu erreichen, und wickelt den Sturm im Norden zu einer Spirale gegen den Uhrzeigersinn und im Süden zu einer im Uhrzeigersinn auf. Am Äquator ist die Ablenkung null und innerhalb von etwa 5° um ihn zu schwach, um einen Sturm in Drehung zu versetzen, deshalb entstehen Hurrikane dort fast nie und wechseln fast nie von einer Halbkugel auf die andere.

3. Erkläre anhand von Galveston (1900) und Katrina (2005), warum die Kategorie eines Hurrikans allein nicht verrät, wie gefährlich er sein wird, und beschreibe, wie jede der beiden Städte danach reagiert hat.

Was eine gute Antwort enthält

Die Kategorie misst nur den stärksten andauernden Wind. Bei beiden Katastrophen starben die meisten Menschen durch Wasser: In Galveston überspülte eine Sturmflut von mehr als 15 Fuß eine flache Sandinsel und tötete mindestens 8.000 Menschen; in New Orleans traf Katrina als Sturm der Kategorie 3 auf Land, schwächer als auf seinem Höhepunkt der Kategorie 5, doch als seine Sturmflut stieg, versagten Deiche und Flutmauern und überfluteten 80 Prozent einer Stadt, die größtenteils unterhalb des Meeresspiegels liegt, und insgesamt starben fast 1.400 Menschen. Die Sturmflut hängt von der Größe des Sturms, seiner Zugbahn und der Form der Küste und des Meeresbodens ab, nicht nur von der Windgeschwindigkeit. Galveston baute eine 17 Fuß hohe Ufermauer und hob einen Großteil der Stadt mit Wagenhebern an; New Orleans baute ein 14,5 Milliarden Dollar teures System aus Deichen, Toren und Pumpen.

Vertiefung Universität und gymnasiale Oberstufe

Warum am Äquator keine Stürme entstehen

Die Stärke des Coriolis-Effekts wird mit dem Coriolis-Parameter gemessen, f = 2Ω sin φ, wobei Ω = 7,29 × 10-5 rad/s die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und φ die geographische Breite ist. Ob die Rotation für eine Strömung mit der Geschwindigkeit U und der Größe L eine Rolle spielt, beurteilt man mit der Rossby-Zahl, Ro = U / (f L): Die Rotation dominiert, wenn Ro etwa 1 oder kleiner ist.

AufgabeBerechne f am Äquator, bei 5° und bei 20° Breite. Bestimme für einen sich entwickelnden Sturm mit U = 10 m/s und L = 500 km die Rossby-Zahl Ro bei 5° und bei 20°. Bestimme dann Ro für Wasser, das aus einem Waschbecken abfließt (U = 0,1 m/s; L = 0,3 m), bei 45° Breite, und erkläre, was deine Ergebnisse über die Aussagen der Folge und über den Toiletten-Mythos sagen.

Ausführliche Lösung

f = 0 am Äquator; f = 2 × 7,29 × 10-5 × sin 5° ≈ 1,27 × 10-5 s⁻¹ bei 5°; und f ≈ 4,99 × 10-5 s⁻¹ bei 20°, fast viermal so groß. Für den Sturm ist Ro ≈ 10 ÷ (1,27 × 10-5 × 5 × 105) ≈ 1,6 bei 5°, aber Ro ≈ 0,4 bei 20°, wo die Rotation die Strömung bestimmt. Am Äquator ist Ro unendlich: Es gibt überhaupt keine Ablenkung. Für das Waschbecken ist f ≈ 1,03 × 10-4 s⁻¹ und Ro ≈ 0,1 ÷ (1,03 × 10-4 × 0,3) ≈ 3.000: Die Erdrotation ist bedeutungslos im Vergleich zur Form des Beckens und zur Art, wie es gefüllt wurde. (Nahe der Obergrenze eines Hurrikans dreht sich die aus dem Sturm ausströmende Luft aus demselben Grund in die entgegengesetzte Richtung, auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn.)

Die Energiebilanz eines Regentages

Jedes Kilogramm Wasserdampf, das kondensiert, setzt seine latente Wärme frei, etwa L = 2,5 × 106 J/kg. Eine gängige Abschätzung nimmt an, dass ein durchschnittlicher Hurrikan pro Tag 1,5 cm Regen auf eine Kreisfläche mit einem Radius von 665 km fallen lässt. Der weltweite Strombedarf überstieg 2024 die Marke von 30.000 TWh (Ember, 2025).

AufgabeBerechne die Masse des Regens, der an einem Tag fällt, die durch seine Kondensation freigesetzte Wärme in Joule pro Tag und in Watt sowie die mittlere elektrische Leistung der Welt in Watt. Überprüfe die Aussage der Folge, dass ein durchschnittlicher Hurrikan an einem Tag mehr als hundertmal so viel Wärme freisetzt wie der gesamte Strom, den die Welt erzeugt.

Ausführliche Lösung

Fläche = π × (6,65 × 105 m)² ≈ 1,39 × 1012 m²; Regenvolumen = 0,015 m × 1,39 × 1012 m² ≈ 2,1 × 1010 m³, eine Masse von etwa 2,1 × 1013 kg. Freigesetzte Wärme ≈ 2,1 × 1013 kg × 2,5 × 106 J/kg ≈ 5,2 × 1019 J pro Tag, also 5,2 × 1019 ÷ 86.400 s ≈ 6,0 × 1014 W. Weltweiter Strom: 30.000 TWh = 1,08 × 1020 J pro Jahr, also im Mittel etwa 3,4 × 1012 W. Das Verhältnis beträgt etwa 6,0 × 1014 ÷ 3,4 × 1012 ≈ 175, im Einklang mit „mehr als hundertmal“. Nur ein kleiner Teil dieser Wärme wird am Ende zu Wind; die nächste Aufgabe schätzt ab, wie viel.

Warum jede Stufe der Windgeschwindigkeit so viel ausmacht

Die Kraft des Windes auf eine Wand wächst mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit, V², und die Rate, mit der der Wind Energie transportiert und abgibt, wächst mit ihrer dritten Potenz, V³. Die Leistung, die die Winde eines Hurrikans durch Reibung an der Meeresoberfläche abgeben, lässt sich als P ≈ ρ CD V³ A abschätzen, mit der Luftdichte ρ ≈ 1,2 kg/m³, einem Widerstandsbeiwert CD ≈ 2 × 10-3 und A als Fläche mit starkem Wind.

AufgabeVergleiche die Kraft und den Energiefluss des Windes an der Untergrenze der Kategorie 5 (157 mph) mit denen an der Untergrenze der Kategorie 1 (74 mph). Mache dasselbe für Katrina auf seinem Höhepunkt (175 mph) und bei seinem Landfall in Louisiana (125 mph). Schätze dann P für einen Sturmkern mit einem Radius von 50 km ab, in dem der Wind im Mittel 40 m/s erreicht, und vergleiche das Ergebnis mit der Wärme, die in der vorigen Aufgabe durch den Regen freigesetzt wurde.

Ausführliche Lösung

157 ÷ 74 ≈ 2,1, also ist die Kraft etwa 2,1² ≈ 4,5-mal so groß und der Energiefluss etwa 2,1³ ≈ 9,5-mal so groß. Für Katrina gilt 175 ÷ 125 = 1,4: etwa das 2,0-Fache der Kraft und das 2,7-Fache des Energieflusses auf seinem Höhepunkt, weshalb die Abschwächung vor dem Landfall für die Windschäden wichtig war, auch wenn die Sturmflut trotzdem katastrophal blieb. P ≈ 1,2 × 2 × 10-3 × (40)³ × π × (5 × 104)² ≈ 154 W/m² × 7,9 × 109 m² ≈ 1,2 × 1012 W, vergleichbar mit einem Drittel der mittleren elektrischen Leistung der Welt, aber nur etwa 0,2 Prozent der 6,0 × 1014 W Wärme, die durch Kondensation frei werden. Der größte Teil dieser Wärme wird nach oben und aus dem Sturm hinaus getragen und schließlich ins All abgestrahlt; ein Hurrikan ist eine starke Maschine, aber keine effiziente.

Wie viel besser sind die Vorhersagen geworden?

Das National Hurricane Center veröffentlicht jedes Jahr die mittlere Abweichung seiner offiziellen Vorhersagen, in Seemeilen (1 n mi = 1,151 Landmeilen = 1,852 km). Für alle atlantischen tropischen Wirbelstürme betrug die mittlere Abweichung der Zugbahn nach 72 Stunden 312,3 n mi im Jahr 1990 und 78,1 n mi im Jahr 2022; der Mittelwert für 2020 bis 2025 lag bei 89,4 n mi.

AufgabeRechne die Abweichung von 1990 und den Mittelwert für 2020–2025 in Landmeilen und Kilometer um. Um wie viel Prozent ist die Abweichung gesunken, und um welchen Faktor? Welche mittlere jährliche Verbesserungsrate ergibt sich daraus? Wenn die Unsicherheitsfläche um eine vorhergesagte Position mit dem Quadrat der Abweichung wächst, um wie viel kleiner ist diese Fläche heute?

Ausführliche Lösung

1990: 312,3 × 1,151 ≈ 359 mi (578 km); 2020–2025: 89,4 × 1,151 ≈ 103 mi (166 km), passend zu „mehr als 350“ und „etwa hundert“ in der Folge. Die Abweichung sank um (312,3 − 89,4) ÷ 312,3 ≈ 71 Prozent, ein Faktor von 3,5: „mehr als das Dreifache“. Ein Faktor von 3,5 in etwa 32 Jahren ergibt (1/3,5)^(1/32) ≈ 0,962, also knapp 4 Prozent Verbesserung pro Jahr. Die Fläche wächst mit dem Quadrat: 3,5² ≈ 12-mal kleiner. Das beste einzelne Jahr, 2024, erreichte 66,9 n mi (etwa 77 mi), einen Faktor von etwa 4,7. Die Werte schwanken von Jahr zu Jahr mit den Stürmen der jeweiligen Saison: 2023 betrug der Mittelwert 111 n mi.

Wie viel einer Sturmflut geht auf den tiefen Luftdruck zurück?

Ein niedrigerer Luftdruck lässt die Meeresoberfläche darunter ansteigen, um Δh = Δp / (ρ g), mit der Dichte des Meerwassers ρ = 1.025 kg/m³ und g = 9,81 m/s². Das ist der Effekt des „inversen Barometers“. Der Rest einer Sturmflut ist Wasser, das vom Wind aufgestaut wird; dieser Anteil ist über einem breiten, flachen Kontinentalschelf am größten.

AufgabeZeige, dass das inverse Barometer das Meer um etwa 1 cm pro Hektopascal (Millibar) Druckabfall anhebt. Der Kerndruck von Katrina betrug bei seinem Landfall in Louisiana 920 mb; nimm als Umgebungsdruck 1.010 mb an. Schätze den Anteil der Sturmflut ab, der auf den Druck zurückgeht, und vergleiche ihn mit der höchsten gemessenen Sturmflut, 27,8 Fuß (8,5 m) in Pass Christian, Mississippi. Was ergeben die 870 mb von Taifun Tip?

Ausführliche Lösung

1 hPa = 100 Pa, also Δh = 100 ÷ (1.025 × 9,81) ≈ 0,0099 m ≈ 1 cm pro hPa. Für Katrina ergibt Δp ≈ 90 hPa etwa 0,9 m (3 Fuß), ungefähr ein Zehntel der Sturmflut von 8,5 m; den Rest drückte der Wind über dem flachen, sanft abfallenden Schelf des Golfs an Land. Der Druckabfall von 140 hPa bei Tip ergibt nur etwa 1,4 m. Wind, Größe des Sturms und Form der Küste, nicht der Kerndruck, machen die großen Sturmfluten.

Bezug zu Bildungsstandards

Next Generation Science Standards (NGSS, USA)

MS-ESS2-4

Ein Modell entwickeln, um den Kreislauf des Wassers durch die Systeme der Erde zu beschreiben, angetrieben durch die Energie der Sonne und die Schwerkraft.

In dieser Folge: Die Maschine des Hurrikans: Verdunstung aus dem warmen Meer, Kondensation in der Augenwand und Regen.

MS-ESS2-5

Daten sammeln, die belegen, wie die Bewegungen und komplexen Wechselwirkungen von Luftmassen zu Änderungen der Wetterbedingungen führen.

In dieser Folge: Luft, die vom hohen zum tiefen Druck in den Sturm strömt; die Ruhe und die Umkehr des Windes, wenn das Auge vorüberzieht; Vorhersagen innerhalb von Wahrscheinlichkeitsbereichen (der Kegel).

MS-ESS2-6

Ein Modell entwickeln und nutzen, um zu beschreiben, wie ungleiche Erwärmung und die Rotation der Erde Muster der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation verursachen, die regionale Klimate bestimmen.

In dieser Folge: Der Coriolis-Effekt, entgegengesetzte Drehrichtungen auf den beiden Halbkugeln und warum Hurrikane das warme tropische Meer brauchen.

MS-ESS3-2

Daten zu Naturgefahren analysieren und interpretieren, um künftige katastrophale Ereignisse vorherzusagen und die Entwicklung von Technologien zur Minderung ihrer Folgen zu unterstützen.

In dieser Folge: Satelliten, Hurrikanjäger und Modelle; Daten zu den Abweichungen der Zugbahn seit 1990; Ufermauern, Deiche und Pumpen.

HS-ESS3-1

Eine evidenzbasierte Erklärung dafür konstruieren, wie die Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen, das Auftreten von Naturgefahren und Klimaveränderungen menschliche Aktivitäten beeinflusst haben.

In dieser Folge: Die Ufermauer von Galveston und das Anheben der Stadt, New Orleans nach Katrina und das Streichen von Sturmnamen.

Advanced Placement (AP, USA)

Universitätskurse

Einführung in die Meteorologie

Druckgradientkraft und Coriolis-Effekt; der Coriolis-Parameter und die Rossby-Zahl; Aufbau tropischer Wirbelstürme (Auge, Augenwand, Spiralbänder); latente Wärme und feuchte Konvektion

Tropenmeteorologie und Klima

Bedingungen für die Entstehung tropischer Wirbelstürme; der Hurrikan als Wärmekraftmaschine; rasche Intensivierung; Verifikation von Vorhersagen und Güte bei Zugbahn gegenüber Stärke

Küstengefahren und Ozeanographie

Sturmflut, Windstau und der Effekt des inversen Barometers; die Grenzen der Saffir-Simpson-Skala; Küstenschutz und Risikokommunikation

Transkript Der Sprechertext auf Deutsch, wie in den Untertiteln

0:00Die Maschine

Das ist Hurrikan Isabel, im Atlantik, im September 2003: ein Sturm der Kategorie 5, eine Maschine von der Größe eines Landes, die sich dreht. Wenn Sie seinen Spiralbändern folgen, sehen Sie, dass sich die Winde nahe der Oberfläche alle in dieselbe Richtung drehen, gegen den Uhrzeigersinn. Jeder Hurrikan nördlich des Äquators dreht sich so, und jeder südlich davon dreht sich andersherum. Dieses Muster ist kein Zufall. Der Planet selbst erzeugt es.

0:27In dieser Vorlesung finden wir heraus, wovon ein Hurrikan angetrieben wird, warum er sich so dreht, wie er es tut, und was im Auge geschieht. Wir blicken zurück auf zwei Stürme, die Amerika verändert haben, und sehen, wie Vorhersagen, die einst um mehr als 350 Meilen danebenlagen, heute nur noch um etwa 100 danebenliegen.

0:44Wir beginnen mit dem Treibstoff. Ein Hurrikan ist eine Wärmekraftmaschine, und er läuft mit warmem Wasser. Die Meeresoberfläche muss mindestens 26,5 °C warm sein, etwa 80 °F. Und das Wasser muss bis in eine Tiefe von etwa 50 Metern so warm bleiben. Diese Karte zeigt das Meer Ende August 2005, mit dem wärmsten Wasser in Rot. Sie erklärt auch, warum die Saison am Ende des Sommers ihren Höhepunkt erreicht, wenn der Ozean monatelang die Wärme der Sonne aufnehmen konnte.

1:13Die Maschine funktioniert so. Warmes Wasser verdunstet, und die feuchte Luft darüber steigt auf. Während die Luft aufsteigt, kondensiert ihr Wasserdampf zu Wolken, und bei der Kondensation wird Wärme frei. Diese Wärme lässt die Luft noch schneller aufsteigen, wodurch mehr feuchte Luft vom Meer angesaugt wird, sodass sich der Kreislauf immer weiter selbst speist. An einem einzigen Tag setzt ein durchschnittlicher Hurrikan mehr als 100 Mal so viel Wärme frei wie der gesamte Strom, den die Welt erzeugt.

1:46Warum er sich dreht

Als Nächstes kommt die Drehung. Luft strömt von allen Seiten auf den tiefen Druck im Zentrum des Sturms zu, und auf einem Planeten, der stillstünde, würde sie geradewegs hineinströmen. Doch die Erde dreht sich, und alles, was sich über eine weite Strecke über ihre Oberfläche bewegt, wird abgelenkt, auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links. Der Grund dafür ist folgender. Der Boden am Äquator wird mit etwa 1.670 Kilometern pro Stunde nach Osten getragen, während sich der Boden in der Nähe der Pole kaum bewegt. Luft, die in Richtung eines Pols strömt, nimmt ihre Drehbewegung nach Osten mit, und näher an der Achse trägt diese Drehung sie sogar noch schneller voran, sodass sie dem Boden unter ihr vorauseilt und sich ihre Bahn krümmt. Diese Ablenkung nennt man den Coriolis-Effekt.

2:30Deshalb erreicht die Luft das Zentrum nie direkt. Sie kreist darum herum, und der ganze Sturm windet sich zu einer Spirale, im Norden gegen den Uhrzeigersinn und im Süden im Uhrzeigersinn. Wenn Sie das wissen, verrät Ihnen jedes Satellitenbild eines Hurrikans, auf welcher Halbkugel er sich befindet.

2:47Direkt am Äquator gibt es jedoch überhaupt keine seitliche Ablenkung. Innerhalb von etwa 5 Grad um ihn herum, also rund 550 Kilometer zu beiden Seiten, ist der Coriolis-Effekt zu schwach, um einen Sturm in Drehung zu versetzen. Deshalb entstehen Hurrikane dort fast nie und wechseln fast nie von einer Halbkugel auf die andere.

3:10Das Auge

Werfen wir nun einen Blick ins Zentrum eines Sturms. Das ist Hurrikan Patricia vor der Küste Mexikos im Oktober 2015. Seine Winde erreichten 345 Kilometer pro Stunde, also 215 Meilen pro Stunde, die stärksten, die je bei einem Hurrikan verzeichnet wurden. In seinem Zentrum gibt es ein Loch in den Wolken: das Auge.

3:30Hier ist das Auge von Isabel aus der Nähe. Darin sinkt die Luft ab, deshalb ist der Wind schwach, und der Himmel kann sogar aufklaren. Die Wirbel, die Sie sehen können, sind Mesowirbel, kleinere Luftwirbel, die sich im Auge selbst drehen. Das Auge eines Hurrikans ist meist 30 bis 60 Kilometer breit, und um es herum steht die Augenwand, ein Ring aus hoch aufragenden Wolken, in dem die Winde am stärksten wehen. Wenn das Auge über einen Ort hinwegzieht, flaut der Wind plötzlich ab, und dann kehrt er genauso heftig aus der entgegengesetzten Richtung zurück.

4:02Der niedrigste je auf Meereshöhe gemessene Luftdruck wurde im Inneren eines Auges aufgezeichnet. Taifun Tip erreichte 1979 im Westpazifik einen Tiefstwert von 870 Millibar. Tip war außerdem der größte tropische Wirbelsturm, der je verzeichnet wurde, mit etwa 2.200 Kilometern Durchmesser. Über Nordamerika gelegt, würde er die halbe Breite der Vereinigten Staaten bedecken.

4:29Die Namen

Warum haben Stürme überhaupt Namen? Meteorologen verfolgten oft mehrere Stürme gleichzeitig, und lange Beschreibungen wurden über Funk leicht verwechselt. Atlantische Stürme erhielten 1950 erstmals Namen, nach dem damaligen Funkalphabet: Able, Baker, Charlie. Frauennamen wurden 1953 eingeführt, und 1979 kamen Männernamen auf die Listen.

4:54Namen machen einen echten Unterschied, wenn mehrere Stürme gleichzeitig aktiv sind. Am 14. September 2020 drehten sich im Atlantik fünf tropische Wirbelstürme gleichzeitig, etwas, das man zuvor erst einmal beobachtet hatte, im Jahr 1971. Die Weltorganisation für Meteorologie führt sechs Namenslisten für den Atlantik, die im Wechsel verwendet werden, sodass jeder Name alle sechs Jahre wiederkehrt. Die Ausnahme ist ein Sturm, der so tödlich oder so kostspielig war, dass sein Name endgültig gestrichen wird, wie es bei Katrina, Maria, Ian und Helene geschah.

5:311900 und 2005

Der erste dieser zwei Stürme schlug am 8. September 1900 zu. Galveston in Texas war damals eine der reichsten Städte des Bundesstaates, erbaut auf einer Sandinsel, deren höchster Punkt weniger als 9 Fuß über dem Meer lag. Es gab keine Satelliten und kein Radar, und Schiffe auf See hatten keinen Funk, sodass niemand sehen konnte, wie stark der Sturm draußen im Golf geworden war.

5:54Das Meer stieg um mehr als 15 Fuß und überspülte fast die ganze Insel. Am Morgen waren mindestens 8.000 Menschen tot, und es ist bis heute die tödlichste Naturkatastrophe in der Geschichte Amerikas. Galveston wurde hinter einer 17 Fuß hohen Ufermauer wieder aufgebaut, und dann wurde ein Großteil der Stadt Haus für Haus mit Wagenhebern angehoben.

6:15Einhundertfünf Jahre später kam Katrina. Am 28. August 2005 war er ein Sturm der Kategorie 5 mitten im Golf, mit Winden von 175 Meilen pro Stunde. Die ganze Küste von Louisiana bis Florida lag auf seinem Weg.

6:30Katrina traf am nächsten Morgen in Louisiana auf Land, inzwischen schwächer, als Sturm der Kategorie 3. Ein Großteil von New Orleans liegt jedoch unterhalb des Meeresspiegels hinter Deichen, und als die Sturmflut stieg, versagten die Deiche und Flutmauern an etwa 50 Stellen. Die Stadt wurde zu achtzig Prozent überflutet. Insgesamt starben fast 1.400 Menschen, und der Schaden belief sich auf 125 Milliarden Dollar.

6:56Der größte Teil dieses Wassers fiel nicht vom Himmel. Es strömte aus dem See und den Kanälen herein, als die Flutmauern nachgaben. Seitdem ist die Stadt von einem 14,5 Milliarden Dollar teuren System aus Deichen, Toren und Pumpen umgeben, einem der größten zivilen Bauprojekte, die das Army Corps of Engineers je errichtet hat.

7:18Die Prognose

Heutige Meteorologen sehen diese Stürme weit besser kommen, als es damals in Galveston irgendjemand konnte. Jede Vorhersage enthält heute einen Kegel, wie diesen hier. Der Kegel zeigt nicht die Größe des Sturms. Er zeigt, wohin das Zentrum voraussichtlich ziehen wird, und in zwei von drei Fällen bleibt das Zentrum darin.

7:371990 lagen die Vorhersagen des National Hurricane Center für drei Tage im Durchschnitt um mehr als 350 Meilen neben der Position des Sturms. Mitte der 2020er-Jahre lag die durchschnittliche Abweichung bei etwa 100 Meilen. Diese Verbesserung verdankt sich Satelliten, Hurrikanjäger-Flugzeugen, die direkt durch die Augenwand fliegen, und Computermodellen, die auf leistungsstarken Supercomputern laufen.

8:01Was weiterhin schwer vorherzusagen ist, ist die Stärke. Über sehr warmem Wasser verstärken sich manche Stürme erstaunlich schnell, ein Vorgang, den Meteorologen rasche Intensivierung nennen, definiert als ein Anstieg der Windgeschwindigkeit um mindestens 35 Meilen pro Stunde innerhalb eines einzigen Tages. Im Oktober 2024 stieg Hurrikan Milton auf dem Weg nach Florida in etwa einem Tag von Kategorie 1 auf Kategorie 5 auf.

8:28Dreht sich weiter

Schauen Sie nun auf die andere Seite der Welt. Das ist Zyklon Winston im Südpazifik im Februar 2016, zwei Tage bevor er Fidschi als einer der stärksten Stürme traf, die je auf der Südhalbkugel verzeichnet wurden. Er läuft mit demselben warmen Wasser und derselben Maschine, aber sehen Sie sich seine Spirale an. Dieser hier dreht sich im Uhrzeigersinn.

8:48Merken Sie sich also drei Dinge. Erstens ist ein Hurrikan eine Wärmekraftmaschine, die mit warmem Meerwasser von mindestens 26,5 °C läuft. Zweitens verleiht ihm die Erdrotation seine Drehung, nördlich des Äquators gegen den Uhrzeigersinn und südlich davon im Uhrzeigersinn, weshalb Hurrikane fast nie direkt am Äquator entstehen. Und drittens haben sich die Vorhersagen, wohin ein Sturm ziehen wird, seit 1990 um mehr als das Dreifache verbessert, doch wie stark er werden wird, bleibt der schwierige Teil.

9:19Wenn Sie das nächste Mal einen Hurrikan aus dem All sehen, achten Sie darauf, wie er sich dreht. Dreht er sich gegen den Uhrzeigersinn, liegt er nördlich des Äquators, und dreht er sich im Uhrzeigersinn, liegt er südlich davon. Und denken Sie daran, wovon er angetrieben wird: vom warmen Meer unter ihm, in Drehung versetzt von einem Planeten, der niemals aufhört, sich zu drehen. Danke fürs Zuschauen bei Earth Explained. Abonnieren Sie für die nächste Geschichte, und sehen Sie den Planeten live, rund um die Uhr, auf EarthWatch 24-7.

Quellen

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  2. Ember (2025). Global Electricity Review 2025: 2024 in review. ember-energy.org/latest-insights/global-electricity-review-2025/2024-in-reviewVerwendet für: Weltweiter Strombedarf, über 30.000 TWh im Jahr 2024
  3. Shapiro, A. H. (1962). Bath-tub vortex. Nature, 196, 1080–1081. doi.org/10.1038/1961080b0Verwendet für: Der Coriolis-Effekt und abfließendes Wasser (der Toiletten-Mythos)
  4. National Hurricane Center. Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale. NOAA. www.nhc.noaa.gov/aboutsshws.phpVerwendet für: Windbereiche der Kategorien und die Gefahren, die die Skala nicht erfasst
  5. Kimberlain, T. B., Blake, E. S., & Cangialosi, J. P. (2016). Tropical Cyclone Report: Hurricane Patricia (EP202015), 20–24 October 2015. National Hurricane Center. www.nhc.noaa.gov/data/tcr/EP202015_Patricia.pdfVerwendet für: Die Spitzenwinde von Patricia und seine rasche Intensivierung, die einen Rekord darstellte
  6. Dunnavan, G. M., & Diercks, J. W. (1980). An analysis of Super Typhoon Tip (October 1979). Monthly Weather Review, 108(11), 1915–1923. doi.org/10.1175/1520-0493(1980)108<1915:AAOSTT>2.0.CO;2Verwendet für: Der Luftdruck von 870 mb bei Tip und seine Rekordgröße
  7. National Hurricane Center. Tropical Cyclone Naming History and Retired Names. NOAA. www.nhc.noaa.gov/aboutnames_history.shtmlVerwendet für: Namen seit 1950, Frauennamen seit 1953, Männernamen seit 1979; sechs wechselnde Listen; gestrichene Namen
  8. Cline, I. M. (1900). Special report on the Galveston hurricane of September 8, 1900. Reproduced by the NOAA National Weather Service Heritage project: Galveston Storm of 1900. vlab.noaa.gov/web/nws-heritage/-/galveston-storm-of-1900Verwendet für: Die Sturmflut von 1900 in Galveston, nach den eigenen Beobachtungen des örtlichen Meteorologen
  9. American Society of Civil Engineers. Galveston Seawall and Grade Raising. Historic Civil Engineering Landmark. www.asce.org/about-civil-engineering/history-and-heritage/historic-landmarks/galveston-seawall-and-grade-raisingVerwendet für: Die 17 Fuß hohe Ufermauer und das Anheben der Stadt mit Schraubenwinden
  10. Knabb, R. D., Rhome, J. R., & Brown, D. P. (2005; updated 2023). Tropical Cyclone Report: Hurricane Katrina, 23–30 August 2005. National Hurricane Center. www.nhc.noaa.gov/data/tcr/AL122005_Katrina.pdfVerwendet für: Höchst- und Landfallintensität von Katrina, Sturmflut, Deichbrüche, Überschwemmung, Todesopfer (1.392) und Schaden (125 Milliarden Dollar)
  11. National Hurricane Center. Storm Surge Overview. NOAA. www.nhc.noaa.gov/surgeVerwendet für: Was eine Sturmflut ist und warum sie die häufigste Todesursache bei Hurrikanen ist
  12. National Hurricane Center. Definition of the NHC Track Forecast Cone. NOAA. www.nhc.noaa.gov/aboutcone.shtmlVerwendet für: Was der Kegel zeigt; die Zwei-Drittel-Regel
  13. National Hurricane Center. National Hurricane Center Forecast Verification: Official Error Trends. NOAA. www.nhc.noaa.gov/verification/verify5.shtmlVerwendet für: Mittlere Abweichungen der Zugbahn im Atlantik, von 1990 bis Mitte der 2020er-Jahre
  14. Beven, J. L., II, Alaka, L., & Fritz, C. (2025). Tropical Cyclone Report: Hurricane Milton (AL142024), 5–10 October 2024. National Hurricane Center. www.nhc.noaa.gov/data/tcr/AL142024_Milton.pdfVerwendet für: Die rasche Intensivierung von Milton von Kategorie 1 auf Kategorie 5

Bilder in der Folge: USGS, NOAA und NASA (gemeinfrei), mit Karten von NASA/USGS Landsat über NASA GIBS; Animationen von EarthWatch 24-7. Vollständige Bildnachweise: earthwatch247.com/credits.html.

Diese Lektion zitieren

EarthWatch 24-7. (2026). Warum Hurrikane sich drehen: Die Maschine, das Auge und der Coriolis-Effekt [Videolektion]. Earth Explained: Hurrikane. https://earthwatch247.com/learn/hurricanes/de/

Lösungen

  1. C. Ein Hurrikan ist eine Wärmekraftmaschine, die von warmem Wasser angetrieben wird; die Meeresoberfläche muss mindestens 26,5 °C warm sein, und die Wärme muss bis in etwa 50 m Tiefe reichen, damit die Durchmischung durch den Sturm selbst kein kaltes Wasser nach oben holt.
  2. A. Die Wärme, die beim Verdunsten von Meerwasser aufgenommen wird, wird frei, wenn der Dampf zu Wolken kondensiert. Diese Wärme erwärmt die aufsteigende Luft, die schneller steigt und mehr feuchte Luft vom Meer ansaugt.
  3. D. Nördlich des Äquators wird bewegte Luft nach rechts abgelenkt, sodass sie um das Zentrum herumströmt, statt es zu erreichen, und sich der Sturm gegen den Uhrzeigersinn aufwickelt.
  4. B. Der Coriolis-Effekt ist am Äquator null und nimmt mit der geographischen Breite zu. In der Nähe des Äquators ist er zu schwach, um die einströmende Luft in einen rotierenden Sturm zu verwandeln, auch wenn das Wasser warm ist.
  5. A. Im Auge sinkt die Luft ab und der Wind ist schwach. Die stärksten Winde wehen in der Augenwand, die es umgibt.
  6. C. Sechs Listen werden im Wechsel verwendet, sodass jeder Name normalerweise alle sechs Jahre wiederkehrt. Namen wie Katrina, Maria, Ian und Helene wurden nach außergewöhnlich tödlichen oder kostspieligen Stürmen gestrichen.
  7. B. Ein Großteil von New Orleans liegt unterhalb des Meeresspiegels hinter Deichen. Als die Sturmflut von Katrina stieg, versagten sie an etwa fünfzig Stellen, und Wasser aus dem See und den Kanälen überflutete etwa 80 Prozent der Stadt.
  8. D. Der Kegel wird aus den Abweichungen früherer Vorhersagen berechnet. Er zeigt, wohin das Zentrum voraussichtlich ziehen wird, nicht die Größe des Sturms und nicht, wie weit seine Auswirkungen reichen.
  9. C. Die Definition ist ein Anstieg um mindestens 30 Knoten (35 mph) an einem Tag. Milton übertraf das 2024 bei Weitem: Seine Winde stiegen innerhalb von 24 Stunden von 70 Knoten auf 150 Knoten, von Kategorie 1 auf Kategorie 5.
  10. A. Winston lief mit derselben Warmwasser-Maschine; nur die Richtung der Coriolis-Ablenkung ist anders, deshalb drehen sich Stürme auf der Südhalbkugel andersherum.

Schriftliche Antwort

  1. Eine gute Antwort zeigt warmes Wasser (mindestens 26,5 °C), das verdunstet; feuchte Luft, die aufsteigt; den Dampf, der zu hoch aufragenden Wolken kondensiert und Wärme freisetzt; die erwärmte Luft, die schneller aufsteigt und dadurch den Druck an der Oberfläche senkt; und mehr feuchte Luft, die über dem Meer nachströmt, um sie zu ersetzen, wodurch sich der Kreislauf schließt. Der Kreislauf stoppt, wenn der Nachschub an warmer, feuchter Luft abreißt: über Land, über kühlerem Wasser oder wenn der Sturm kaltes Wasser von unterhalb einer dünnen warmen Schicht aufwühlt.
  2. Luft strömt von allen Seiten zum tiefen Druck im Zentrum. Weil sich die Erde dreht, wird Luft, die sich über eine weite Strecke über ihre Oberfläche bewegt, abgelenkt, auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links (der Coriolis-Effekt). Die einströmende Luft kreist deshalb um das Zentrum, statt es zu erreichen, und wickelt den Sturm im Norden zu einer Spirale gegen den Uhrzeigersinn und im Süden zu einer im Uhrzeigersinn auf. Am Äquator ist die Ablenkung null und innerhalb von etwa 5° um ihn zu schwach, um einen Sturm in Drehung zu versetzen, deshalb entstehen Hurrikane dort fast nie und wechseln fast nie von einer Halbkugel auf die andere.
  3. Die Kategorie misst nur den stärksten andauernden Wind. Bei beiden Katastrophen starben die meisten Menschen durch Wasser: In Galveston überspülte eine Sturmflut von mehr als 15 Fuß eine flache Sandinsel und tötete mindestens 8.000 Menschen; in New Orleans traf Katrina als Sturm der Kategorie 3 auf Land, schwächer als auf seinem Höhepunkt der Kategorie 5, doch als seine Sturmflut stieg, versagten Deiche und Flutmauern und überfluteten 80 Prozent einer Stadt, die größtenteils unterhalb des Meeresspiegels liegt, und insgesamt starben fast 1.400 Menschen. Die Sturmflut hängt von der Größe des Sturms, seiner Zugbahn und der Form der Küste und des Meeresbodens ab, nicht nur von der Windgeschwindigkeit. Galveston baute eine 17 Fuß hohe Ufermauer und hob einen Großteil der Stadt mit Wagenhebern an; New Orleans baute ein 14,5 Milliarden Dollar teures System aus Deichen, Toren und Pumpen.

Vertiefung

  1. Warum am Äquator keine Stürme entstehen: f = 0 am Äquator; f = 2 × 7,29 × 10-5 × sin 5° ≈ 1,27 × 10-5 s⁻¹ bei 5°; und f ≈ 4,99 × 10-5 s⁻¹ bei 20°, fast viermal so groß. Für den Sturm ist Ro ≈ 10 ÷ (1,27 × 10-5 × 5 × 105) ≈ 1,6 bei 5°, aber Ro ≈ 0,4 bei 20°, wo die Rotation die Strömung bestimmt. Am Äquator ist Ro unendlich: Es gibt überhaupt keine Ablenkung. Für das Waschbecken ist f ≈ 1,03 × 10-4 s⁻¹ und Ro ≈ 0,1 ÷ (1,03 × 10-4 × 0,3) ≈ 3.000: Die Erdrotation ist bedeutungslos im Vergleich zur Form des Beckens und zur Art, wie es gefüllt wurde. (Nahe der Obergrenze eines Hurrikans dreht sich die aus dem Sturm ausströmende Luft aus demselben Grund in die entgegengesetzte Richtung, auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn.)
  2. Die Energiebilanz eines Regentages: Fläche = π × (6,65 × 105 m)² ≈ 1,39 × 1012 m²; Regenvolumen = 0,015 m × 1,39 × 1012 m² ≈ 2,1 × 1010 m³, eine Masse von etwa 2,1 × 1013 kg. Freigesetzte Wärme ≈ 2,1 × 1013 kg × 2,5 × 106 J/kg ≈ 5,2 × 1019 J pro Tag, also 5,2 × 1019 ÷ 86.400 s ≈ 6,0 × 1014 W. Weltweiter Strom: 30.000 TWh = 1,08 × 1020 J pro Jahr, also im Mittel etwa 3,4 × 1012 W. Das Verhältnis beträgt etwa 6,0 × 1014 ÷ 3,4 × 1012 ≈ 175, im Einklang mit „mehr als hundertmal“. Nur ein kleiner Teil dieser Wärme wird am Ende zu Wind; die nächste Aufgabe schätzt ab, wie viel.
  3. Warum jede Stufe der Windgeschwindigkeit so viel ausmacht: 157 ÷ 74 ≈ 2,1, also ist die Kraft etwa 2,1² ≈ 4,5-mal so groß und der Energiefluss etwa 2,1³ ≈ 9,5-mal so groß. Für Katrina gilt 175 ÷ 125 = 1,4: etwa das 2,0-Fache der Kraft und das 2,7-Fache des Energieflusses auf seinem Höhepunkt, weshalb die Abschwächung vor dem Landfall für die Windschäden wichtig war, auch wenn die Sturmflut trotzdem katastrophal blieb. P ≈ 1,2 × 2 × 10-3 × (40)³ × π × (5 × 104)² ≈ 154 W/m² × 7,9 × 109 m² ≈ 1,2 × 1012 W, vergleichbar mit einem Drittel der mittleren elektrischen Leistung der Welt, aber nur etwa 0,2 Prozent der 6,0 × 1014 W Wärme, die durch Kondensation frei werden. Der größte Teil dieser Wärme wird nach oben und aus dem Sturm hinaus getragen und schließlich ins All abgestrahlt; ein Hurrikan ist eine starke Maschine, aber keine effiziente.
  4. Wie viel besser sind die Vorhersagen geworden?: 1990: 312,3 × 1,151 ≈ 359 mi (578 km); 2020–2025: 89,4 × 1,151 ≈ 103 mi (166 km), passend zu „mehr als 350“ und „etwa hundert“ in der Folge. Die Abweichung sank um (312,3 − 89,4) ÷ 312,3 ≈ 71 Prozent, ein Faktor von 3,5: „mehr als das Dreifache“. Ein Faktor von 3,5 in etwa 32 Jahren ergibt (1/3,5)^(1/32) ≈ 0,962, also knapp 4 Prozent Verbesserung pro Jahr. Die Fläche wächst mit dem Quadrat: 3,5² ≈ 12-mal kleiner. Das beste einzelne Jahr, 2024, erreichte 66,9 n mi (etwa 77 mi), einen Faktor von etwa 4,7. Die Werte schwanken von Jahr zu Jahr mit den Stürmen der jeweiligen Saison: 2023 betrug der Mittelwert 111 n mi.
  5. Wie viel einer Sturmflut geht auf den tiefen Luftdruck zurück?: 1 hPa = 100 Pa, also Δh = 100 ÷ (1.025 × 9,81) ≈ 0,0099 m ≈ 1 cm pro hPa. Für Katrina ergibt Δp ≈ 90 hPa etwa 0,9 m (3 Fuß), ungefähr ein Zehntel der Sturmflut von 8,5 m; den Rest drückte der Wind über dem flachen, sanft abfallenden Schelf des Golfs an Land. Der Druckabfall von 140 hPa bei Tip ergibt nur etwa 1,4 m. Wind, Größe des Sturms und Form der Küste, nicht der Kerndruck, machen die großen Sturmfluten.