Gezeitenkraft

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Entstehung der Gezeitenkräfte:
Die unterschiedlich großen Pfeile im oberen Bild zeigen die Gravitationskräfte, die durch einen Himmelskörper, der rechts außerhalb des Bildes steht, auf den kugelförmigen Himmelskörper an zwei besonderen Stellen der Oberfläche und im Schwerpunkt wirken.
Die Pfeile im unteren Bild zeigen an der Oberfläche die Differenzen zur Gravitationskraft im Schwerpunkt: Das sind die Gezeitenkräfte an diesen beiden Stellen der Oberfläche.

Die auf einen ausgedehnten Himmelskörper wirkende Gezeitenkraft ist abgeleitet von der Gravitationskraft, die von einem anderen Himmelskörper ausgeht. Sie ist die Differenz zwischen der Gravitationskraft an einer beliebigen Stelle und im Schwerpunkt des betroffenen Himmelskörpers. An seinen Oberflächenpunkten, die dem verursachenden Himmelskörper maximal zugewandt oder abgewandt sind, ist sie am größten und zeigt nach außen. Beide Körper bilden ein Zweikörpersystem. Jeder der beiden bewirkt auf dem anderen Körper eine Gezeitenkraft. Die Gezeitenkraft hat ihren Namen von ihren als maritime Gezeiten erkennbaren Wirkungen auf die Erde.

Die Gezeitenkraft tritt zwischen allen Himmelskörpern auf, hat aber nur bei großen Körpern oder in Gravitationsfeldern mit hoher räumlicher Änderungsrate merkliche Auswirkungen. Zwischen Planeten und ihrem Zentralgestirn und zwischen den Planeten und ihren Monden ist sie unmittelbar beobachtbar (wie an den maritimen Gezeiten der Erde). Zwischen Doppelsternen oder zwischen wechselwirkenden Galaxien lässt sie sich theoretisch angeben, wobei hier größere Zeiträume berücksichtigt werden müssen.

Obwohl einschränkend meistens die an der Oberfläche wirkende Kraft als Gezeitenkraft bezeichnet wird, ist diese Kraft überall, auch im Körperinneren, wirksam: Ihre Hauptwirkung ist eine Verzerrung des Himmelskörpers. Wenn der Himmelskörper rotiert, so läuft diese Verzerrung um. Der Körper wird gewalkt, was große Bewegungsenergiemengen in thermische Energie des Körpers umwandelt, also eine Verlustgröße im Bewegungssystem darstellt. Auf diese Weise wurde die Eigenrotation des Erdmondes durch die Gezeitenkraft der Erde gebremst. Er dreht sich heute nur noch so schnell wie er um die Erde läuft (gebundene Rotation, er zeigt der Erde immer dieselbe Seite). Die Koppelung ist jetzt stabil, weil die Gezeitenkraft immer an den gleichen Stellen des Mondes wirkt, er wird nicht mehr gewalkt. Umgekehrt bremst die Gezeitenkraft des Mondes und in geringerem Maße die Gezeitenkraft der Sonne die Eigenrotation der Erde. Die dabei umgewandelte Energie hält den Erdkern heiß. Vor etwa 400 Millionen Jahren drehte sich die Erde noch in nur 22 Stunden um sich selbst, und das Jahr hatte etwa 400 Tage.[1]

Entstehung und Größe der Gezeitenbeschleunigung[Bearbeiten]

Statt der Gezeitenkraft wird die verursachende Beschleunigung, die Gezeitenbeschleunigung ermittelt.

Die Betrachtungen lassen sich sowohl mit einem Bezugssystem außerhalb des Himmelskörpers als auch mit dem Himmelskörper selbst als Bezugssystem anstellen. Beide Vorgehensweisen führen zwingend zu gleichen Ergebnissen.

Bezugssystem außerhalb des betrachteten Himmelskörpers[Bearbeiten]

Die Gezeitenbeschleunigung, die eine Masse M maximal auf der Oberfläche eines im Abstand r befindlichen Himmelskörpers (Durchmesser 2R) verursacht, ist:

(1)     a_g \approx \mp 2R\frac{GM}{r^3}.
Herleitung

Die Gravitationsbeschleunigung a eines Körpers in einem äußeren Gravitationsfeld der Masse M ist mit der Gravitationskonstante G und dem Abstand r des Körperschwerpunktes zu M wie folgt gegeben:

(2)     a_m = \frac{GM}{r^2}

Auf ein auf der Verbindungslinie zwischen Körperschwerpunkt und der Masse, die das Gravitationsfeld erzeugt, und auf der Körperoberfläche liegendes Massenelement wirkt die Beschleunigung

(3)     a_r = \frac{GM}{(r\pm R)^2}.

Der Punkt mit r+R liegt auf der der Masse abgewandten Seite und ist von ihr am weitesten entfernt. Der Punkt mit r-R liegt auf der ihr zugewandten Seite und ist ihr am nächsten. Die Beschleunigungen dieser beiden Massenelemente sind wie ihre Abstände von der Masse die beiden Extremwerte.

Die Gezeitenbeschleunigung dieser Elemente ist jeweils die Differenz zwischen ihrer Gravitationsbeschleunigung und der Gravitationsbeschleunigung des Körperschwerpunkts:

(4)     a_g = \frac{GM}{(r\pm R)^2} - \frac{GM}{r^2}= \frac{GM}{r^2} \left(\frac{1}{(1\pm R/r)^2} - 1 \right) \approx \frac{GM}{r^2} ((1\mp 2R/r) -1) =  \mp 2R\frac{GM}{r^3}

Die Näherung folgt aus der Reihenentwicklung um R/r=0 (R<<r) und Abbruch nach dem linearen Glied von

(5)     \frac{1}{(1\pm R/r)^2} = 1 \mp 2R/r + 3(R/r)^2 \dots.

Die Gezeitenbeschleunigung weist auf beiden Seiten vom Körperschwerpunkt weg. Sie ist aber auf beiden Seiten nicht ganz gleich groß, was in obiger Formel zu erkennen ist, wenn man den Näherungsteil weglässt.

Rechenbeispiel - Gezeitenbeschleunigung auf der Erdoberfläche durch den Erdmond

Für die Gezeitenwirkung des Mondes auf die Erde ist ag mit

G = 6,67·10-14 m3/(g s2), die Gravitationskonstante
M = 7,34·1025 g, die Masse des Mondes
r = 3,84·108 m, die mittlere Entfernung des Mondes
R = 6,37·106 m, der mittlere Radius der Erde
a_\text{g} \approx \mp 11 \cdot 10^{-7} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}

Wendet man die in obiger Formel enthaltene Näherung nicht an, ergibt die Rechnung

a_\text{r1} = - 10{,}75 \cdot 10^{-7} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}         (für die dem Mond abgewandte Seite),
a_\text{r2} = + 11{,}30 \cdot 10^{-7} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}         (für die dem Mond zugewandte Seite).

Im Schwerpunkt der Erde ist die vom Mond stammende Gravitationsbeschleunigung

a_\text{m}  = \frac{GM}{r^2} = 33{,}2 \cdot 10^{-6} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}.

Somit ist die Gezeitenbeschleunigung etwa 30-mal kleiner als die Gravitationsbeschleunigung.

Verglichen mit der Erdbeschleunigung (9,81 m/s2) ist die Gezeitenbeschleunigung nur das 10–7-fache.

Rechenbeispiel - Gezeitenbeschleunigung auf der Erdoberfläche durch die Sonne

Die von der Sonne auf der Erde herrührende Gezeitenbeschleunigung ag ist mit

M = 1,989·1033 g , die Masse der Sonne
r = 1,496·1011 m , die mittlere Entfernung der Sonne
a_\text{g} \approx \mp 5{,}05 \cdot 10^{-7} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}},

und die Gravitationsbeschleunigung ist

a_\text{m}  = 5{,}93 \cdot 10^{-3} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}.

Die Gezeitenbeschleunigung skaliert mit der dritten Potenz des Abstandes vom Gravitationszentrum und fällt schneller ab als die Gravitationsbeschleunigung, die quadratisch skaliert. Dies führt dazu, dass die Gezeitenbeschleunigung der viel entfernteren Sonne kleiner ist, obwohl sie die 2,7·107-fache Masse und folglich die fast 180-fache Gravitationsbeschleunigung des Mondes hat.

Vergleich der Gezeitenbeschleunigung von Mond und Sonne mit denen einiger Planeten
Je näher ein Planet seinem Zentralgestirn (Gravitationsquelle) kommt, desto mehr wird er in ein Ellipsoid verformt.
Die bogenförmige Markierung ist die Roche-Grenze.
Himmelskörper Rel. Beschl. Auslenkung
Mond 1 30 cm
Sonne 0,45 14 cm
Venus in unterer Konjunktion 5·10-5 17 µm
Jupiter 6·10-6 2 µm
Mars in Opposition 2·10-6 0,5 µm
Mars in Konjunktion 1·10-8 3 nm

Die tabellierte Auslenkung ist der Anstieg des Wasserspiegels auf dem offenen Meer. Die allgemeine Wirkung der beidseits vom Körperschwerpunkt wegweisenden Gezeitenbeschleunigung ist die Verformung des Körpers zu einem Ellipsoid (siehe Abbildung).

Betrachteter Himmelskörper als Bezugssystem[Bearbeiten]

Erde und Mond kreisen um ihren gemeinsamen Schwerpunkt (Baryzentrum), der sich innerhalb der Erde befindet (sonst nicht maßstabsgetreue Illustration)
Die nicht rotierend gedachte Erde kreist um ihren mit dem Mond gemeinsamen Schwerpunkt (Baryzentrum): Alle Orte auf ihr sind der gleichen Zentrifugalkraft (blaue Strecken) unterworfen.

Die quantitative Beschreibung ist bei dieser Betrachtungsweise mit der oben angeführten identisch, denn die in die Betrachtung eingeführte Zentrifugalkraft hat den gleichen Wert wie die dort im Vergleich enthaltene Gravitationskraft, beziehungsweise die Zentrifugalbeschleunigung ist gleich wie die im Schwerpunkt wirkende Gravitationsbeschleunigung a_\text{m}. Diese Art der Betrachtung hat einen anschaulichen Vorteil, weil an den betreffenden Oberflächenstellen Bilanzen mit dort lokalisierten Kräften gebildet werden. Das “naive” Verständnis, dass durch Anziehung des Mondes auf der ihm abgewandten Seite kein Kraftüberschuss in Gegenrichtung entstehen könne, wird dadurch nicht strapaziert, denn auf der dem Mond abgewandten Seite ist dessen Anziehung zwar kleiner, sie wird aber von der in Gegenrichtung wirkenden Zentrifugalkraft übertroffen.

Die Gravitationskraft auf den Himmelskörper ist die Radialkraft oder Zentripetalkraft, die seine Bewegung auf einer Kreisbahn (allgemein: auf gekrümmter Bahn) um die die Gravitation ausübende Masse bewirkt (allgemein: um den gemeinsamen Schwerpunkt von Körper und ausübender Masse, das Baryzentrum). Auf dem umlaufenden Himmelskörper wird als reactio zur Zentripetalkraft eine Zentrifugalkraft festgestellt.[2] Beim Kreisen des Himmelskörpers (Abbildung links) um das Baryzentrum entsteht in jedem seiner Punkte eine Zentrifugalkraft von gleichem Betrag (Abbildung rechts: Umlaufen ohne Rotation, auch Revolution genannt). Diese Kraft ist immer von der ausübenden Masse weg gerichtet.

Die Zentrifugalbeschleunigung, die ein auf einem Kreis mit dem Radius r' und mit der Winkelgeschwindigkeit ω umlaufender Massepunkt erfährt, ist:

(6)     a_z = r'\cdot \omega^2

Für die an den betreffenden Oberflächenstellen mit dort lokalisierten Kräften gebildeten Bilanzen wird die in Gleichung (4) enthaltene Gleichung (2) durch Gleichung (6) ersetzt. Es entsteht:

(7)     a_g = \frac{GM}{(r\pm R)^2} - r'\cdot \omega^2
Kontrollrechnung - Gezeitenbeschleunigung auf der Erdoberfläche durch den Erdmond

Zu kontrollieren ist lediglich die Übereinstimmung der Werte für die Zentrifugalbeschleunigung (Himmelskörper als Bezugssystem) mit der Gravitationsbeschleunigung (Bezugssystem außerhalb des betrachteten Himmelskörpers, siehe oben):

Gravitationsbeschleunigung         a_\text{m}  = \frac{GM}{r^2} = 33{,}2 \cdot 10^{-6} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}   (siehe oben)

Zentrifugalbeschleunigung           a_z = r'\cdot \omega^2 = 33{,}2 \cdot 10^{-6} \,\tfrac{\text{m}}{\text{s}^{2}}

r' = 4,683·106 m, der mittlere Radius der Revolutions-Bahn der Erde
ω = 2,662·10-6·1/s, die Winkelgeschwindigkeit der Revolution (siderischer Monat = 27,32 Tage)

Roche-Grenze[Bearbeiten]

Hauptartikel: Roche-Grenze

Ist der Abstand eines Trabanten zu seinem Zentralkörper sehr gering, so werden die Gezeitenkräfte sehr stark.

Um die Stabilität eines Körpers zu untersuchen, betrachtet man die Gezeitenkräfte im Vergleich zu den Gravitationskräften, die den Körper selbst zusammenhalten. Die Stabilitätsgrenze ist hierbei erreicht, wenn die Gezeitenkräfte größer werden als die Gravitationskräfte, wobei man zur Abschätzung den Trabanten in zwei Teilkörper unterteilt, mit jeweils der halben Trabantenmasse M_t/2 in einem Abstand, der seinem Radius R_t entspricht:

G \frac{M_t^2}{4R_t^2} \ge cG \frac{MM_t}{r^3} \cdot R_t,

mit dem Abstand r von der Zentralmasse M, c ist hierbei eine Konstante von der Größenordnung 1. Mit den mittleren Dichten ρ und ρt des Zentralkörpers und des Trabanten, sowie dem Radius R des Zentralkörpers erhält man

\frac{r}{R} \ge (4c)^{1/3} \left( \frac{\rho}{\rho_t} \right)^{1/3}.

Eine genauere Rechnung ergibt:

\frac{r}{R} \ge 2{,}44 \left( \frac{\rho}{\rho_t} \right)^{1/3}

Bei einem Abstand von weniger als dem 2,44-fachen des Radius seines Zentralkörpers wird ein Trabant mit gleicher Dichte durch die Gezeitenkräfte auseinander gerissen bzw. kann sich gar nicht erst bilden. Dieser Abstand wird nach Édouard Albert Roche, der diese Abschätzung erstmals durchgeführt hat, Roche-Grenze genannt.

Diese Überlegungen gelten für größere Körper, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten werden (siehe Zwergplanet). Bei kleineren Körpern überwiegt die Stabilität durch Kohäsionskräfte. Bei künstlichen Satelliten spielt der Zusammenhalt durch die eigene Gravitation überhaupt keine Rolle.

Kosmische Beispiele[Bearbeiten]

Roche-Grenze unterschritten[Bearbeiten]

Die Saturnringe liegen zum großen Teil innerhalb der Roche-Grenze des Saturn. Dies ist neben den Hirtenmonden, deren Stabilität durch innere Kohäsionskräfte erhöht wird, der Hauptgrund für die Stabilität des Ringsystems.

Komet Shoemaker-Levy 9

Der Komet Shoemaker-Levy 9 passierte im Juli 1992 den Planeten Jupiter und zerbrach dabei in 21 Fragmente zwischen 50 und 1000 m Größe, die sich auf einer mehrere Millionen Kilometer langen Kette aufreihten. Zwischen dem 16. und dem 22. Juli 1994 schlugen diese Bruchstücke dann auf Jupiter auf.

Bei engen Begegnungen von Sternen mit einem Abstand, der geringer ist als die Roche-Grenze, werden diese in einer sogenannten Sternkollision stark verändert, meist wird der kleinere zerrissen.

Roche-Grenze nicht unterschritten[Bearbeiten]

Die Gezeitenwirkung des Jupiters verhindert, dass sich der Asteroidengürtel zu einem Planeten zusammenballt. Wenn zum Beispiel zwei Asteroiden Jupiter passieren, zieht dieser den ihm näher gelegenen stärker an als den entfernteren. Die Distanz zwischen den Asteroiden vergrößert sich.

Auf der Erde führen die Gezeiten in den Meeren zu Ebbe und Flut. Die Gezeiten wirken jedoch auch auf den Erdmantel selbst, sodass auch die Kontinente selbst den Gezeiten mit einer Verzögerung von zwei Stunden folgen, allerdings ist der Effekt mit Vertikalbewegungen von 20 bis 30 Zentimeter deutlich geringer als die mehrere Meter hohen Tiden der Meere.

Durch die Gezeiten in großen Meeren können durch den Tidenhub lokal sehr starke Strömungen entstehen. Die dabei vorhandene kinetische Energie kann mittels eines Gezeitenkraftwerks genutzt werden.

Gezeitenreibung (Roche-Grenze nicht unterschritten)[Bearbeiten]

Die Gezeitenkräfte bremsen die Rotation der beteiligten Körper, dabei wird der Rotations-Drehimpuls aufgrund der Drehimpulserhaltung auf den Bahndrehimpuls übertragen. Der Mechanismus dazu ist folgender: Durch die Gezeitenkräfte kommt es zu einer Verformung der Körper. Auch hier ist zu beachten, dass die Gezeitenreibung primär als innere mechanische Spannung im Körper auftritt, die Oberflächenreibung (etwa durch Flut-Ebbe-Wellen auf der Erde) bleibt dazu vergleichsweise vernachlässigbar (im Verhältnis Ozean-Wassermasse zu gesamter Erdmasse).

Die folgenden Ausführungen beschreiben ein Planet-Mond-System, gelten aber für alle Zweikörperprobleme analog:

Wenn der Planet schneller rotiert als der Mond umläuft, bewegen sich diese Gezeitenberge immer „vor“ dem Mond. Das ist eine Folge der Trägheit der Massen auf dem Zentralkörper (im allgemeinen Sinn, nicht nur Massenträgheit im Sinne von Impulserhaltung). Diese vorlaufenden Gezeitenberge verursachen eine Komponente in der Gravitationskraft, die auf den Mond in Vorwärtsrichtung einwirkt („vorwärts“ im Sinne des Mondumlaufs). Die so zugeführte Energie wird sofort in potenzielle Energie umgesetzt, wodurch der Mond langsam aber sicher eine höhere und langsamere Umlaufbahn einnimmt.

Eine Gezeitenreibung tritt umgekehrt auch auf dem umlaufenden Mond ein.

Dieser Effekt führt schließlich zu einer gebundenen Rotation des kleineren Körpers, wie es z. B. beim Erdmond der Fall ist. Kommt es bei beiden Körpern zu einer gebundenen Rotation, so spricht man von Korotation.

Als weiterer Effekt vergrößert sich, wenn Bahndrehimpuls und Rotation die gleiche Richtung besitzen, der Abstand der beiden Körper, wenn die Rotation des größeren Körpers schneller als der Umlauf des kleineren Körpers ist. Sind Bahndrehimpuls und Rotation entgegengerichtet, was vor allem bei eingefangenen Körpern auftreten kann, oder umrundet der kleinere Körper den größeren schneller als dieser rotiert, wird der Abstand hingegen verringert.

In einer genaueren Analyse müssen Energie und Drehimpuls in diesem Prozess separat bilanziert werden, da es für beide Größen in der Physik jeweils einen Erhaltungssatz gibt. Die folgenden Erläuterungen gehen zwecks besserer Verständlichkeit von einem isolierten Planet-Mond-System aus. Das ist kein vollständiges Modell, da es andere Planeten, die Sonne (Zentralstern) und andere äußere Einflüsse geben kann, die dieses System stören würden (siehe auch Störungstheorie (Klassische Physik)).

Energieerhaltung: Der Planet verliert Rotationsenergie durch Reibung bei der kontinuierlichen Bildung der Gezeitenberge (Verformung des Planeten aufgrund der Gezeitenkraft), und durch die Übertragung von Energie auf den Mond infolge der Gravitationswirkung der Gezeitenberge. Diese Energie findet sich in der Rotationsenergie des Mondes, einer Erwärmung (Wärmeenergie) der Erde durch Reibung, den Strömungen im Erdinneren (kinetische Energie, Geodynamo) und den durch einen MHD-Prozess ausgelösten Veränderungen im Magnetfeld der Erde wieder.

Drehimpulserhaltung: Der Drehimpulsverlust bei der Abbremsung der Erdrotation wird auf den Drehimpuls des Mondes in seinem Orbit um die Erde (Bahndrehimpuls), auf den Drehimpuls von Strömungen im Erdinneren, und auf das Erdmagnetfeld (elektromagnetisches Feld) der Erde übertragen.

Welche dieser Energie- oder Drehimpulsformen für ein bestimmtes Planet-Mond-System von Bedeutung sind, hängt von den Umständen ab. Da es sich allgemein um Prozesse aus dem Gebiet der Magnetohydrodynamik unter dem Einfluss der Gravitation handelt, ist die Aufgabenstellung in der Regel nicht trivial.

Beispiel System Erde/Mond[Bearbeiten]

Die Tide wirkt auch wieder auf den Hauptverursacher, den Mond, zurück. Da die Flutberge aufgrund von Erdrotation und Massenträgheit bezüglich der Verbindungslinie zwischen Erd- und Mondmittelpunkt etwas in Richtung dieser Rotationsbewegung verschoben sind, ist die Anziehungskraft der beteiligten Massen auf den Mond nicht exakt zum Erdmittelpunkt hin gerichtet. Da die Erde schneller rotiert als der Mond die Erde umkreist, und wegen der Trägheit der Strömungen, laufen die Flutberge immer „vor dem Mond“. Durch die größere Masse der Zenitflut und ihren geringeren Abstand zum Mond ergibt sich dabei eine Kraft auf den Mond, die eine kleine Komponente in dessen Flugrichtung aufweist, sodass dem Mond permanent Energie und Drehimpuls zugeführt werden. Der Verlust an Rotationsenergie der Erde ist nicht auf die Übertragung von Energie auf den Mond beschränkt. Es treten zusätzlich Reibungsverluste wegen der Strömungen auf und in der Erde sowie magnetohydrodynamische Verluste auf (siehe Magnetohydrodynamik, MHD). Die oben erwähnten Gezeitenkraftwerke würden zu diesem Energieverlust beitragen.

In einer genaueren Analyse müssen Energie und Drehimpuls in diesem Prozess separat bilanziert werden, da es für beide Größen in der Physik jeweils einen Erhaltungssatz gibt. Die folgenden Erläuterungen gehen zwecks besserer Verständlichkeit von einem isolierten Erde-Mond-System aus. Das ist kein vollständiges Modell, da es Planeten und die Sonne gibt, die dieses System stören (Bahnstörung) und ihrerseits Gezeitenkräfte ausüben.

Energieerhaltung: Die Erde verliert Rotationsenergie durch die Abbremsung infolge der Tiden. Diese Energie findet sich in der Rotationsenergie des Mondes, einer Erwärmung (Wärmeenergie) der Erde durch Reibung, den Strömungen im Erdinneren (kinetische Energie) und den durch einen MHD-Prozess ausgelösten Veränderungen im Magnetfeld der Erde wieder (genauer: elektromagnetisches Feld).

Drehimpulserhaltung: Der Drehimpulsverlust bei der Abbremsung der Erdrotation wird auf den Drehimpuls des Mondes in seinem Orbit um die Erde, auf den Drehimpuls von Strömungen im Erdinneren, und auf das Erdmagnetfeld der Erde übertragen.

Durch die Abbremsung der Erde und die Übertragung von Drehimpuls und Rotationsenergie auf den Mond vergrößert sich der Abstand zwischen Erde und Mond jährlich um etwa 4 cm. Die Gegenkraft auf die Flutberge führt zu einem Drehmoment, das die Erdrotation bremst. Dadurch verlängern sich die Tage jedes Jahr um etwa 16 Mikrosekunden. Vor 500 Millionen Jahren dauerte ein Erdentag nur etwa 21 Stunden.

Diese Darstellungen illustrieren die physikalischen Prozesse bei der Abbremsung der Erdrotation. Die Überlegungen gelten umgekehrt genauso für den Einfluss der Gezeitenkraft der Erde auf den Mond.

Mond erzeugt Tide und bremst Erdrotation Der Mond erzeugt Tide (Gezeitenberge) auf der dem Mond zugewandten und abgewandten Seite der Erde. Diese Tide entstehen dadurch, dass sich im gesamten Körper der Erde (natürlich auch in den Ozeanen) Druckunterschiede bilden, die Materialströmungen und Verformungen auslösen. Die mit diesem Prozess verbundenen Reibungsverluste entziehen der Erdrotation Energie.
Tide laufen vor dem Mond, ziehen ihn Da sich die Erde dreht, wandern die Tide um die Erde herum. Die Erde dreht sich schneller als der Mond umläuft. Wegen der Trägheit des Materials in den Tiden laufen sie „vor dem Mond“. Deswegen enthält die Anziehung der Erde auf den Mond eine Komponente, die den Mond in seiner Bahnrichtung vorwärts zieht.
Mond fliegt weg und Erdrotation gebremst Die Drehung der Erde wird durch die umgekehrte Anziehung des Mondes auf die Tide verlangsamt. Ein Körper in einer Umlaufbahn, der vorwärts beschleunigt wird wie der Mond, steigt in eine höhere Umlaufbahn auf und gewinnt an Energie. Dieser Prozess entzieht der Erde wieder Rotationsenergie.
Erde mit Kontinenten stört Tide Energieerhaltung: Ein Teil des Verlustes an Rotationsenergie der Erde geht also durch Reibung (als Wärmeenergie) verloren, der andere Teil wird auf den Mond übertragen. Der Reibungsverlust hängt dabei von verschiedenen Eigenschaften des Materials in der Erde ab, die auf den Mond übertragene Energie wird ausschließlich durch die geometrische Massenverteilung bestimmt. Diese ist unter anderem abhängig von der Geografie der Erde, wie etwa den Kontinenten, da sie die Ausbildung der Tide stören.
Wo steckt der Drehimpuls? Drehimpulserhaltung: Der Verlust an Eigendrehimpuls der Erde muss dem Gewinn an Bahndrehimpuls des Mondes entsprechen, plus einem Drehimpuls, der „irgendwo in der Erde“ auftritt (genau genommen ändert sich der Bahndrehimpuls der Erde bei der Drehung um den Erde-Mond Schwerpunkt auch ein wenig). Der auf den Mond übertragene Drehimpuls hängt über die transferierte Energie nur von der geometrischen Massenverteilung auf der Erde ab. Der Verlust an Eigendrehimpuls der Erde wird dagegen durch den Verlust ihrer Rotationsenergie bestimmt, die auch von der inneren Reibung der Erde abhängig ist. Es gibt im Allgemeinen eine Differenz zwischen dem Verlust an Eigendrehimpuls der Erde und dem Gewinn an Bahndrehimpuls des Mondes. Dieser Drehimpuls muss irgendwo im System wieder auftauchen. Etwas locker gesagt: Was der Mond macht, hängt vom Äußeren der Erde ab. Der kann nicht ihre inneren Eigenschaften sehen, welche die Reibungsverluste bestimmen. Daraus ergeben sich Differenzen, die erklärt werden müssen.
Innere Strömungen und EM-Feld der Erde als Zwischenspeicher Auf der Erde gibt es einen Mechanismus, der einen Drehimpuls (und damit verbundene Energie) zwischenspeichern kann. „Zwischenspeicherung“ deswegen, weil dieser Drehimpuls nur über Verformungen der geometrischen Massenverteilung auf der Erde als Bahndrehimpuls an den Mond übertragen werden kann. Ein Kandidat für diesen Mechanismus ist eine Kombination aus dem elektromagnetischen Feld und inneren Materialströmungen der Erde. Die Kombination aus elektromagnetischem Feld und Strömungen einer leitenden Flüssigkeit ist ein magnetohydrodynamisches System (MHD-System). Je nachdem, wie viel Rotationsenergie durch Reibung in der Erde verloren geht, und wie viel Drehimpuls über Verformungen der Erde an den Mond abgegeben wird, kommt es zu Schwankungen im Magnetfeld der Erde.

Die Gezeiten haben über den oben beschriebenen Mechanismus Einfluss auf die Erdrotation. Dabei ist wichtig, dass der Drehimpuls ein Vektor ist, der einen Betrag und eine Richtung hat. Die Übertragung von Eigendrehimpuls der Erde auf Bahndrehimpuls des Mondes verursacht auch eine Veränderung von Drehachsen. Der International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), die unter anderem das Setzen von Schaltsekunden empfiehlt, ist die internationale Koordinierungsinstitution in Fragen der Erdrotation. Bisher wurde die Tagesdauer jeweils nur um Schaltsekunden verlängert, nie verkürzt. Die Tiden haben einen Anteil an der Ursache.

Tatsächlich gemessen wurden kontinuierliche Schwingungen (stehende Welle) als seismologische Wellen der Erde, die durch die Tide angeregt werden (siehe Erdspektroskopie).

Auswirkungen, zusammengefasst[Bearbeiten]

  • Durch Gezeitenkräfte verformen sich Himmelskörper, sie werden geringfügig auf der Linie durch ihren Schwerpunkt und den des anderen Körpers in die Länge gezogen. Rotiert der Himmelskörper, so wird er dabei „durchgewalkt“, ähnlich wie ein platter Reifen am Auto. Dadurch wird Rotationsenergie in Wärme umgewandelt; die Rotation verlangsamt sich dadurch so lange, bis sich eine gebundene Rotation einstellt. Der Erdmond weist der Erde aufgrund dieses Effektes immer die gleiche Seite zu, und der Erdkern wird erhitzt. Beim Jupitermond Io sind es Gezeitenkräfte, die die Wärmeenergie für den Vulkanismus bereitstellen.
  • Die Verformung des Erdkörpers ist gering, dagegen ist die Auswirkung auf das beweglichere Wasser an seiner Oberfläche deutlich. Es entstehen die maritimen Gezeiten, woher der Name Gezeitenkraft stammt.
  • In Doppelsternsystemen können Gezeitenkräfte einen Materiefluss von einem Stern zum anderen verursachen, was in bestimmten Fällen zu einer Supernova (Typ 1) führen kann.
  • Sind die Gezeitenkräfte stärker als die Kräfte, die ein Objekt zusammenhalten, so können sie auch zum Zerreißen des Objekts führen, so geschehen beim Kometen Shoemaker-Levy 9 (siehe Roche-Grenze).

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Ein Februar hat 27 Tage – in ferner Zukunft. Auf: welt.de. „…, dass vor 400 Millionen Jahren das Jahr 400 Tage mit je 22 Stunden hatte.“
  2. Alfred Recknagel: „Die Zentrifugalkraft ist eine Trägheitskraft, die in einem rotierenden Bezugssystem eingeführt werden muss, wenn das Trägheitsgesetz gelten soll. Bei Körpern, die im bewegten System ruhen, verschwindet die Summe aus eingeprägter Kraft und der radial nach außen wirkenden Zentrifugalkraft.“ Physik – Mechanik, Verlag Technik, 1955, S. 245.