Ebbe und Flut gleichen unserem Lebenslauf.
Manchmal ruhig und beschaulich,
dann wieder stürmisch und unberechenbar.
( Angelika Mack )
Gezeiten - Ebbe und Flut:
Hafenbecken in West Looe
Überrascht stehen wir am 29. Mai 2003 in West Looe Südengland am Hafen und schauen in ein leeres Hafenbecken.
Wo ist das Wasser welches eigentlich fast 3m hoch im Hafenbecken stehen sollte?
Des Rätsels Lösung ist einfach und spannend zugleich. Es ist Ebbe.
Einfach, da Ebbe und Flut ein alltägliches Verhalten der Natur zeigen. Aber trotzdem spannend da niemand mit solch kolossalen Auswirkungen gerechnet hätte.
Da läuft mal eben ein komplettes Hafenbecken leer und der Wasserspiegel hebt und senkt sich um fast 3 Meter.
Doch was sind die Gezeiten eigentlich wirklich? Wie entstehen Ebbe und Flut und welchem Rhythmus der Natur folgen sie?
Gehen wir dieser spannenden Frage auf dieser Seite im wahrsten Sinn des Wortes auf den Grund und betrachten das Naturschauspiel etwas genauer.
Eine kurze Einführung
Das Sonne-Erde-Mond-System
Unter den Gezeiten oder der Tide (niederdeutsch tiet=Zeit) versteht man den durch die Gravitation des Mondes und der Sonne verursachten Zyklus von Ebbe und Flut auf den großen
Gewässern der Erde.
Das Wasser geht und das Wasser kommt in einem unaufhaltsamen Zyklus der Natur einem Uhrwerk gleichend.
Die Gezeiten werden im Wesentlichen durch die Schwerkraft (Gravitationskraft) zwischen Erde und Mond sowie Erde und Sonne verursacht.
Sie sind damit natürlich auch abhängig von den Abständen Erde-Mond und Erde-Sonne.
Je nach Winkel der drei Himmelskörper Sonne, Erde und Mond zueinander können sich die Gezeitenkräfte addieren oder subtrahieren.
Abhängig davon fallen Ebbe und Flut mal stärker und mal schwächer aus.
Es gibt die folgenden Zusammenhänge in Kurzform:
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Der Mond umkreist die Erde bzw. genauer betrachtet umkreisen sich Erde und Mond gegenseitig sich und bilden einen gemeinsamen Schwerpunkt.
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Der Zeitabstand von Flut zu Flut bzw. von Ebbe zu Ebbe beträgt 12 Stunden und 24 Minuten.
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Bis zu 20 Meter heben und senken sich Meere und Ozeane.
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Die Erddrehung sowie die Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne überlagern sich gegenseitig.
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Der Zeitpunkt und die Intensität der Gezeiten hängen wesentlich von der sehr unregelmäßigen Gestalt der Meeresbodens und der Küstenformen ab.
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Auch der Wind, Schwankungen des Luftdrucks sowie Resonanzeffekte können zu weiteren änderungen des Wasserstandes führen.
Bay of Fundy bei Flut
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Bay of Fundy bei Ebbe
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Zur Vollständigkeit sei bemerkt, dass die Gezeitenkräfte der Sonne und des Mondes nicht nur Einfluss auf das Wasser haben, auf welchen wir uns im folgenden konzentrieren wollen.
Unter dem Einfluss der Gezeitenkräfte gibt es darüber hinaus periodische Schwankungen des Luftdrucks durch Schwankungen in der Erdatmosphäre wie auch Gezeitenwirkung auf die Erdkruste
welche sich um 20-50cm hebt und senkt.
Begriffe
Als Flut bezeichnet man das ansteigen bzw. "auflaufen" des Wassers.
Als Ebbe bezeichnet man das sinken beziehungsweise "ablaufen" des Wassers.
Den Zeitpunkt des höchsten Wasserstandes bezeichnet man mit Hochwasser (HW), den des tiefsten Wasserstandes mit Niedrigwasser (NW).
Da sich die Stellung von Mond und Sonne relativ zur Erde stetig ändern sind direkt aufeinanderfolgende Hoch- und Niedrigwasser und die damit einhergehenden
Wasserhöhen immer unterschiedlich.
Der Höhenunterschied zwischen Niedrigwasser und dem folgenden Hochwasser (während Höchststand) wird als Tidenstieg bezeichnet.
Der Höhenunterschied zwischen Hochwasser und der folgenden Niedrigwasserhöhe (während Niedrigstand) wird als Tidenfall bezeichnet.
Den Mittelwert aus Tidenstieg und Tidenfall bezeichnet man als Tidenhub.
Der zeitliche Verlauf des Wasserstandes zwischen Niedrigwasser, Hochwasser und darauf folgendem Niedrigwasser ergibt die Tidenkurve.
Die gezeitenbedingte Höhe des Wasserstandes bezogen auf das örtliche Seekartennull bezeichnet man als Höhe der Gezeit.
Begriffe
Entstehung der Gezeiten
Die Mondbahn
Erde und Mond
Der Mond umkreist die Erde im Verlauf von 27,3 Tagen von Westen nach Osten im Bezug auf die Fixsterne und mit einer Geschwindigkeit von 1023 m/s.
Wegen der Rotation der Erde umkreist er jedoch, wie auch Sonne, Planeten und Fixsterne, scheinbar die Erde an einem Tag.
Daher ist der Mondaufgang wie bei all diesen Himmelskörpern im Osten und der Untergang im Westen.
Die Rotation der Erde und des Mondes um die Erde sind gleichgerichtet, daher dauert der scheinbare Lauf des Mondes um die Erde nicht genau 24 h sondern 50 Minuten länger.
Diese Unterschiede addieren sich im Laufe eines Monats zu einem Tag, da der Mond in dieser Zeit die Erde einmal umkreist hat.
Die Entfernung des Mondes beträgt im Mittel 384.000 km, variiert aber um ±5,49% mit Extremwerten zwischen 356.410 km (Perigäum) und 406.740 km (Apogäum).
Aus diesem Grund ergeben sich Schwankungen in der Anziehungskraft des Mondes.
Gemeinsame Schwerpunkte
Erde und Mond bewegen sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt.
In der Himmelsmechanik wird dieser Massen-Schwerpunkt welcher durch zwei oder mehr Himmelkörper gebildet wird auch Baryzentrum genannt.
Kreisen zwei gleich große Himmelskörper mit gleicher Masse um einen gemeinsamen Schwerpunkt so liegt dieser Massen-Schwerpunkt genau in der Mitte der Verbindungslinie zwischen den beiden
Himmelskörpern.
Wären Erde und Mond gleich groß so würden sie sich wie im Bild zu sehen ist bewegen
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Der Mond ist aber mit einem Durchmesser von 3.476km etwa nur 1/4 so groß wie die Erde (Durchmesser 12.756km).
Der gemeinsame Schwerpunkt verschiebt sich in Richtung Erde.
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Erde und Mond gleich groß
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Erde und Mond real
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Flutberge
Flutberge
Da die Masse der Erde 81 mal größer ist wie die des Mondes, befindet sich der Massenschwerpunkt noch im Inneren der Erde.
Er ist im Mittelwert 4.671 km vom Erdmittelpunkt (Geozentrum) entfernt, aber immer noch innerhalb der Erde in rund 1.700 km Tiefe.
Der Radius der Erde beträgt ca. 6378 km.
Die Erde führt die Bewegung um den Systemschwerpunkt als starres Ganzes aus.
Durch diese kreisförmige Bewegung wird also eine identische Beschleunigung (und Fliehkräfte) in jedem einzelnen Punkt der Erde erzeugt.
Auf der mondnahen Seite der Erde ist das Gravitationsfeld des Mondes etwas stärker als die Fliehkraft und es bildet sich der erste Flutberg.
Der Mond zieht also an den Wassern der Erde.
Etwa im Erdmittelpunkt heben sich beide Kräfte auf.
Auf der mondfernen Seite ist die Fliehkraft stärker als die Mondgravitation und es bildet sich der zweite Flutberg aus welcher auf Gegenflut genannt wird.
Das ist zunächst der wesentliche Bestandteil im himmlischen Uhrwerk was die Entstehung von Ebbe und Flut beeinflusst.
Aber nicht nur der Mond übt Gravitationskräfte auf die Erde aus sondern auch die Sonne. Und obwohl die Sonne im Mittel 149 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist,
ist sie doch ca. 110 mal Größer als die Erde und damit ist ihr Gravitationseinfluss nicht zu vernachlässigen.
Durch das Zusammenspiel Erde-Sonne-Mond gibt es verschiedene Typen von Ebben und Fluten welche da wären:
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Springflut - Sonne und Mond stehen auf einer Geraden und die Anziehungskraft addiert sich
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Nippflut - Sonne Mond stehen auf verschiedenen Seiten der Erde und die Anziehungskraft subtrahiert sich
Die größte Springflut findet man übrigens in Kanada mit 14,5m Differenz zwischen Ebbe und Flut.
Also …..
Springflut
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Nippflut
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Stehen Sonne, Mond und Erde auf einer Geraden wie bei Voll- und Neumond,
so addieren sich die Anziehungswirkungen, und es kommt zu einer (höheren) Springtide (Springflut).
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Stehen Sonne, Mond und Erde in einem rechten Winkel zueinander wie bei Halbmond,
so wird die Anziehungskraft des Mondes von der Sonne abgeschwächt, und es kommt zur (niedrigeren) Nipptide (Nippflut).
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Zusammengefasst kann man also sagen, dass der Wasserstand und die Höhe der Gezeiten, durch die Stellung von Sonne und Mond variiert.
Erdrotation und Mondbewegung
Die Erde dreht in knapp 24 Stunden einmal um ihre eigene Achse. Während dieser Zeit bewegt sich auch der Mond auf seiner Bahn um die Erde ein kleines Stück weiter.
Damit der Beobachter den Mond wieder an gleicher Ausgangsstellung sehen kann wie einen Tag vorher, als Referenz kann z.B. der Mondaufgang oder der Kulminationspunkt dienen,
dauert es nochmals 50 Minuten. Der Mond ist also 50 Minuten auf seiner Bahn weitergewandert.
Bewegung des Mondes
Von einem Hochwasser, hervorgerufen durch die Anziehungskraft des Mondes, zum nächsten Hochwasser dauert es also 24 Stunden und 50 Minuten.
Zwischen zwei Hochwassern liegen im Abstand von 12 Stunden und 25 Minuten das Hochwasser der Gegenflut welches durch die Fliehkräfte der Erde hervorgerufen wird.
Kurzum, in einem Abstand von 12 Stunden und 25 Minuten ist immer Flut.
Erde - Mond
Die Erde muss sich noch weitere 50 Minuten drehen, damit der Beobachter auf der Erde wieder seine Ausgangsstellung zum Mond hat.
Von einem Hochwasser bis zum übernächsten vergehen etwa 24 Stunden und 50 Minuten; zwischen zwei Hochwassern liegen 12 Stunden und 25 Minuten (Mittelwert).
Gezeitenkräfte
Gezeitenkräfte
Das Java Applet von Ingo Berg (hier als animated GIF) illustriert die Gezeitenkräfte welche von Mond und Sonne verursacht werden.
Zur Erklärung:
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Die gelbe Linien sind die Gezeitenkräfte welche von der Sonne verursacht werden.
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Die grauen Linien sind die Gezeitenkräfte welche von unserem Mond verursacht werden. Diese sind annähernd zwei Mal so stark wie die der Sonne.
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Der graue Kreis ist die resultierende Kraft welche durch die Addition beider Kräfte entsteht und welche für die Entstehung von Ebbe und Flut maßgeblich verantwortlich ist.
Ebbe und Flut
Der Wechsel von Ebbe und Flut und das damit verbundene Heben und Senken der Wasseroberfläche welche durch das Ansteigen und Abfließen der Wassermassen entsteht nennt man wie schon erklärt Gezeiten.
Die Art in der sich die Gezeiten über den Globus ausbreiten hängt wesentlich vin der Gestalt und der Tiefe der Ozeane, den Inseln, den Kontinenten und dem Meeresboden ab.
Die Gezeiten kleinerer Randmeere wie z.B. der Nordsee sind fast ausschließlich durch das Mitschwingen der angrenzenden Ozeane verursacht und nur zu einem sehr kleinen Teil direkt durch die Schwerkrafteinwirkung von Sonne und Mond.
Das Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydographie hat einige Diagramme veröffentlicht welche schön das Steigen unf Fallen des Meeresspiegels in Abhängigkeit von Sonne und Mond zeigen und verdeutlichen. Schauen wir uns das im Detail mal an …..
Erde - Mond
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Erde - Sonne
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Meeresschwankung verursacht durch die Sonne
Das Fallen und Steigen des Meeresspiegels kann als sinusförmige Kurve dargestellt werden.
Die Gezeiten werden im wesentlichen vom Mond bestimmt. Die Sonne verstärkt und verringert die Wirkung des Mondes auf die Gezeiten.
Wie in obiger Animation schon dargestellt müssen die Kräfte von Sonne und Mond addiert werden um die tatsächlichen Kräfte zu berechnen welche die Gezeitenhöhe bestimmen.
Sonne - Erde - Mond
Meeresschwankung verursacht durch Sonne und Mond
Wenn Sonne, Erde, Mond auf einer Geraden liegen, d.h. bei Neu- und bei Vollmond,
wirken Mond und Sonne miteinander auf die Massen der Erde und so entstehen besonders starke Gezeiten welche Springtiden genannt werden.
Etwa 7 Tage nach Voll- oder Neumond, hat der Mond ein Viertel seiner Bahn um die Erde zurückgelegt, und Sonne, Erde, Mond bilden einen rechten Winkel.
Die Wirkung der Sonne ist der des Mondes entgegengesetzt.
Sonne - Erde - Mond
Meeresschwankung verursacht durch Sonne und Mond
Die resultierende Gezeit ist deutlich geringer als diejenige, die durch den Mond allein erzeugt wird.
Sie tritt bei Halbmond auf und wird Nipptide genannt. Der Unterschied zwischen Hochwasser und Niedrigwasser ist hier kleiner als zur Springzeit.
Verlauf der Gezeiten
In der nachfolgenden Grafik ist die Wirkung von Mond und Sonne auf die Gezeiten in der Zeit zwischen zwei Springzeiten dargestellt.
Gezeitenwellen
Severn Bore 9. März 2005
Bedingt durch den Wechsel des Wasserstandes kommt es insbesondere im küstennahen Bereich zu mehr oder weniger starken Ausgleichsströmungen, sogenannten Gezeitenströmen.
Den Zeitpunkt der Strömungsumkehr zwischen auflaufend und ablaufend Wasser und umgekehrt nennt man den Kenterpunkt der Tide.
Erreicht die Tide durch eine Flussmündung das Landesinnere, spricht man von Gezeitenwelle.
Das Bild zeigt eine Gezeitenwelle im Fluß Severn in der Nähe von Gloucester in England.
Die Gezeitenwelle gilt als zweitgrößte Gezeitenwelle der Welt.
In nur wenigen Sekunden steigt das Wasser im Fluss von Ebbe auf Flut um bis zu 2,8 Meter und das Wasser scheint förmlich in umgekehrter Richtung den Fluss hinaufzulaufen.
Schematische Darstellung der Laufrichtung der Gezeitenwelle in der Nordsee
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Wechselwirkung mit dem Mond
Der Retroreflektor von Apollo 11
Der mittlere Abstand zwischen dem Mond und der Erde wächst jährlich um etwa 3,8 cm.
Die Entfernung wird seit der ersten Mondexpedition Apollo 11 regelmäßig per Lidar vermessen, indem die Laufzeit bestimmt wird,
die das Licht für die Strecke hin und zurück benötigt.
Sowohl von amerikanischen, als auch von sowjetischen Mondmissionen wurden dazu Retroreflektoren auf dem Mond platziert.
Die allmählich zunehmende Entfernung ist eine Folge der Gezeitenkräfte, die der Mond auf der Erde bewirkt.
Die Rotationsenergie der Erde wird dabei in Wärme umgewandelt und der damit verbundene Drehimpuls der Erdrotation wird auf den Bahndrehimpuls des Mondes übertragen,
der sich dadurch von der Erde entfernt.
Dieser schon lange vermutete Effekt ist seit 1995 durch die Laser-Distanzmessungen abgesichert.
Durch die Eigendrehung der Erde schieben sich Landmassen der Erde unter den zwei Flutbergen hindurch.
Die Erde dreht sich schneller als die Flutberge.
Durch die "Reibung" eilen die Flutberge der Stellung Mond-Erde etwas voraus.
Sie werden also "vorangeschoben".
Die vorauseilenden Flutberge ziehen auch am Mond und beschleunigen ihn.
Der Mond zieht an den "versetzen" Flutbergen und bremst damit die Erde.
Ein Teil der Reibungskräfte werden auch in Wärme umgesetzt.
Der Mond beschleunigt auf seiner Bahn gemäß dem 2. Kepplerschen Gesetz und wandert nach außen von der Erde weg.
Unaufhaltsam!
Mondbeschleunigung
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2. Kepplersches Gesetz
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Der Abstand von Erde und Mond wird jährlich fast 4 cm größer. Bis in 5,5 Mrd. Jahren wird der Abstand von Mond und Erde 600.00 km betragen.
Durch die Abbremsung der Erde werden die Tage länger. Vor 500 Millionen Jahren dauerte ein Erdentag nur etwa 21 Stunden.
Sonne und Mond haben sich noch lange nicht aneinander angepasst.
Täglich wird die Erde durch die Gezeiten langsamer.
Das Erde-Mond-System ist noch nicht im Gleichgewicht.
Im Prinzip wird das so lange weitergehen, bis auch der Erdtag die Monatslänge erreicht hat.
Dann stehen die beiden Gezeitenberge immer an der gleichen Stelle des Globus.
Wo Flut ist, bleibt sie und wo Ebbe ist, da wird immer Ebbe sein.
Wenn dieser Zustand erreicht ist sein wird, liegt die Tageslänge bei 90 heutigen Tagen.
Die Scheibe des Mondes wird dann nur noch den halben Durchmesser der Sonnenscheibe am Himmel zeigen.
Nie wieder wird er sie vollständig bedecken, nie wieder wird es auf der Erde eine totale Sonnenfinsternis geben.
Der Mond wird Tag und Nacht an derselben Stelle des Himmels stehen, er wird nie auf- und nie untergehen.
Mondtransit vor der Sonne
Ein Gezeitenrechner
An dieser Stelle soll irgendwann ein Gezeitenrechner bereitgestellt werden.
Leider habe ich bisher nur sehr wenig Zeit für die Implementierung gefunden noch im Netz etwas passendes entdeckt.
Daher bleibt diese Stelle zunächst leer.
