Gezeiten

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Schematische Darstellung des Auftretens von Spring- und Nipp-Tiden

Die Gezeiten oder Tiden (niederdeutsch Tid, Tied [tiːt] „Zeit“; Pl. Tiden, Tieden [tiːdən] „Zeiten“) sind periodische Wasserbewegungen des Ozeans, die sich vorwiegend an dessen Küsten auswirken. Dort führen sie zu Tidehochwasser und -niedrigwasser. Sie sind eine Folge der Gezeitenkräfte von Mond und Sonne in Verbindung mit der Eigendrehung der Erde.

Die Gezeitenkräfte der Sonne betragen etwa 46% der des Mondes.[1] Bei Voll- und Neumond verstärken die Gezeitenkräfte von Mond und Sonne einander (Spring-Tiden). Bei Halbmond schwächt die Gezeitenkraft der Sonne diejenige des Mondes ab (Nipp-Tiden).

Der Mond mit seinen vorherrschenden Gezeitenkräften verursacht Tidehochwasser auf der ihm zugewandten Seite der Erde und ebenso gegenüber. Deshalb gibt es Hoch- und Niedrigwasser auf der Erde zweimal in gut 24 Stunden.

Die Lehre von den maritimen Gezeiten der Erde heißt Gezeitenkunde und ist Bestandteil der nautischen Ausbildung.

Begriffe und Bezeichnungen[Bearbeiten]

Tiden am Anleger Neuwerk

Flut ist der Zeitraum und der Vorgang ansteigenden, „auflaufenden“ Wassers. Ebbe ist der Zeitraum und der Vorgang sinkenden, „ablaufenden“ Wassers. Der Zeitpunkt des höchsten Wasserstandes heißt Hochwasser (HW), der des tiefsten Wasserstandes Niedrigwasser (NW). Der Wasserstand zu diesen Zeiten heißt Hochwasserhöhe (HWH) bzw. Niedrigwasserhöhe (NWH). Aufeinander folgende Hochwasser- und Niedrigwasserhöhen sind unterschiedlich, da sich die Stellungen von Mond und Sonne relativ zur Erde ändern. Der Zeitpunkt des Wechsels von auflaufendem zu ablaufendem Wasser oder umgekehrt heißt Kentern. Beim Kentern der Tide kommt es für kurze Zeit zu einem Stillstand der Gezeitenströmung, dem Stauwasser.

Der Höhenunterschied zwischen Niedrigwasserhöhe und der folgenden Hochwasserhöhe (während der Flut) heißt Tidenstieg. Der Höhenunterschied zwischen Hochwasserhöhe und der folgenden Niedrigwasserhöhe heißt Tidenfall. Der Mittelwert aus Tidenstieg und Tidenfall heißt 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 (meistens LAT) heißt Höhe der Gezeit.

Gezeitenbegriffe

Gezeitenwasserstände:

Deutsch Abk. Englisch Abbr. Bedeutung
Höchstmöglicher Gezeitenwasserstand Highest Astronomical Tide HAT Bezug für Durchfahrtshöhe unter Brücken
Mittleres Springhochwasser MSpHW Mean High Water Spring MHWS
Mittleres Hochwasser MHW Mean High Water MHW Definition der Küstenlinie
Mittlerer Wasserstand MW Mean Sea Level MSL Seekartennull in gezeitenfreien Gewässern, dort Übereinstimmung der Wassertiefen in See- und Landkarten
Mittleres Niedrigwasser MNW Mean Low Water MLW
Mittleres Springniedrigwasser MSpNW Mean Low Water Spring MLWS früher Nullebene für Wassertiefen (lt. IHO veraltet)
niedrigst möglicher Gezeitenwasserstand NGzW Lowest Astronomical Tide LAT Seekartennull in Gezeitengewässern, Nullebene für Wassertiefen in Seekarten

Die deutschen Abkürzungen werden in offiziellen Werken der IHO nicht mehr verwendet.

Gezeitenunterschiede:

Deutsch Abk. Englisch Abbr. Bedeutung
Höhe der Gezeit Height of Tide Unterschied zwischen aktuellem Wasserstand und Seekartennull
Mittlerer Springtidenhub Spring Range of Tide Unterschied von Ebbe und Flut bei Springzeit (Hub gross)
Mittlerer Nipptidenhub Neap Range of Tide Unterschied von Ebbe und Flut bei Nippzeit (Hub klein)

Seekartennull:

Deutsch Abk. Englisch Abbr. Bedeutung
Seekartennull SKN Chart Datum CD Grundlage für:
• amtliche Definition der Basislinie
• Nullebene für die Messung von Wassertiefen

ist bezogen auf:
• LAT Lowest Astronomical Tide (oder MLLW)
• oder auf MSL in tidenfreien Gewässern

Erklärungs-Geschichte der Gezeiten[Bearbeiten]

Dass Flut und Ebbe dem Mond korreliert sind,[2] dürfte zu den ersten astrophysikalischen Erkenntnissen des Menschen gehören, da er unmittelbar beobachtbar ist: Steht der Mond hoch am Himmel, ist Flut, steht er am Horizont, ist Ebbe. Nirgendwo ist der Einfluss des Mondes so direkt spürbar wie an Küsten. Nachgewiesen ist die genauere Kenntnis des Mond-Gezeiten-Zusammenhangs, so die längerfristigen Perioden abhängig von Mondphasen und Jahreszeiten, etwa bei Indern, Phöniziern und Karern,[3] sie wird aber wohl allen Küstenbewohnern und frühen Seefahrervölkern bekannt gewesen sein.

Bereits die griechischen Naturphilosophen (u. a. Aristoteles[4] und Seleukos von Seleukia[5]) hatten konkrete Vorstellungen über die Entstehung der Gezeiten. Deren Ausarbeitung dürfte dadurch gehemmt worden sein, dass das Mittelmeer keinen ausgepägten Tidenhub zeigt, und die Korrelationen von Mondbahn und Gezeiten schwach und lokal oft irregulär sind.

Im 14. Jahrhundert veröffentlicht Jacopo Dondi (dall’Orologio), Vater des Giovanni de Dondi (dall’Orologio), De fluxu et refluxu maris, wohl angeregt durch griechisch-byzantinische Quellen,[6] womit das Gezeitenphänomen in den Fokus der Wissenschaften tritt.

Im 16. Jahrhundert erklärte Andrea Cesalpino die Gezeiten in seinem Werk Quaestiones Peripatetica (1571) mit der Erdbewegung – ähnlich der Bewegung von Wasser in einem bewegten Eimer. 1590 erklärte Simon Stevin, dass die Gezeiten durch die Anziehung des Mondes zu erklären seien.

Galileo Galilei beschäftigte sich Anfang 17. Jahrhundert in seinem Dialogo (herausgegeben 1632) mit der Kinematik der Gezeiten, die er als als Beweis für die Erdrotation anführte. Seiner Vorstellung zufolge bewegt sich die von der Sonne angestrahlte Seite der Erde langsamer als die Nachtseite, wodurch sich die Gezeiten aufgrund der unterschiedlichen Beschleunigungen ergeben sollen. Johannes Kepler erklärte 1609 die Gezeiten durch Gravitation des Mondes. René Descartes gab im 17. Jahrhundert eine Erklärung auf Basis einer Reibung des „Äthers“ zwischen Erde und Mond ab, die allerdings schnell widerlegt wurde.[7]

Isaac Newton konnte als erster berechenbar zeigen, dass die Anziehungskräfte der Massen von Mond und Sonne für Ebbe und Flut ursächlich sind. In seinem im Jahre 1687 erschienenen Werk Mathematische Prinzipien der Naturlehre postulierte er als Grundlage dafür ein Zweikörpersystem von Erde und Mond, das um einen Gravitationsmittelpunkt, den gemeinsamen Schwerpunkt (Baryzentrum) rotiert.

Bernoulli und Laplace legten die Schwingungslehre zugrunde, folgten also dem Ansatz Cesalpinos („Schwappen in einem Gewässerbett“). Seitdem ist der dynamische Charakter als wesentliche Eigenschaft der Gezeiten berechenbar geworden. Die inzwischen (18. und 19. Jahrhundert) genauere Kenntnis der Massen der Himmelskörper trug zur Genauigkeit der durch Rechnung gewonnenen Voraussagen bei.

v. Chr. Beziehung zwischen Mond und Ozeanwasser
14. Jahrhundert Jacopo Dondi
1590 Simon Stevin Anziehung des Mondes
1609 Johannes Kepler Anziehung durch Gravitation des Mondes
1632 Galileo Galilei kinematische Gezeitentheorie
17. Jahrhundert René Descartes Reibung des „Äthers“ zwischen Erde und Mond
1687 Isaac Newton Berechnung der Anziehungskräfte von Mond und Sonne
18. Jahrhundert Daniel Bernoulli Gleichgewichtstheorie
18. Jahrhundert Pierre-Simon Laplace dynamische Gezeitentheorie
18. Jahrhundert William Whewell Gezeitenwellen
1842 George Biddell Airy Theorie auf Basis einfach geformter Becken mit gleichförmiger Tiefe
1867 William Thomson harmonische Analyse
20. Jahrhundert Sydney Hough dynamische Theorie unter Einbeziehung der Corioliskraft

Gezeitentheorie[Bearbeiten]

Hauptartikel: Gezeitenkraft

Im Artikel Gezeitenkraft wird grundsätzlich erklärt, wie die Variation des Gravitationsfeldes eines nahen Himmelskörpers (z. B. des Mondes) über einen größeren Raumbereich (die Erdoberfläche) zu merklichen Gezeitenbeschleunigungen führt, wenn die mittlere Gravitationsfeldstärke durch freien Fall (der Erde um den gemeinsamen Schwerpunkt) keine Kräfte entfaltet. Im Folgenden wird auf diese Beschleunigungen näher eingegangen. Sie sind von der Eigendrehung der Erde unabhängig.

Vom Mond verursachte Gezeitenkräfte/-beschleunigungen[Bearbeiten]

Erdoberfläche: Feld der vom Mond verursachten Gezeitenkräfte
Schematische Darstellung der vom Mond verursachten Gezeitenkräfte und der von ihnen erzeugten Flutberge auf der Erdoberfläche
Summe der wirkenden Kräfte = Gezeitenkräfte

In einem allgemeinen Punkt sind die Gezeitenkräfte nicht parallel zur Verbindungslinie zwischen den Schwerpunkten von Erde und Mond. In der oberen Abbildung ist die Entstehung des Feldes der vom Mond verursachten Gezeitenkräfte auf der Erdoberfläche dargestellt.

Die untere Abbildung zeigt zusätzlich die durch die Gezeitenkräfte verschobenen Wassermassen auf der Oberfläche der nicht drehenden Erde. An den beiden von der Richtung zum Mond tangierten Punkten (Q1 und Q2) wirken die Gezeitenkräfte ins Erdinnere hinein und senken den Meeresspiegel. Der dadurch und durch das Heben des Spiegels an den um 90° versetzten Punkten (L1 und L2) angeregte Wasserfluss wird zusätzlich durch auf seinem Weg zwischen Q und L wirkende oberflächen-parallele, das heißt schiebende Gezeitenkräfte unterstützt.

Die Werte der Gezeitenbeschleunigung sind
am Punkt L1: 11,30 10-710 m/s²,
am Punkt L2: 10,75 10-710 m/s²,
an den Punkten Q1 und Q2:[8] 5,50 10-710 m/s² und
deren horizontale Komponenten in den 45°-Zwischenpunkten:[8] 8,25 10-710 m/s².

Von der Sonne verursachte Gezeitenbeschleunigungen[Bearbeiten]

Die Werte der Gezeitenbeschleunigung sind
am Punkt L1: 5,05 10-710 m/s²,
am Punkt L2: 5,05 10-710 m/s².

Überlagerung der vom Mond und von der Sonne verursachten Gezeitenkräfte[Bearbeiten]

Die (scheinbare) Bewegung der Sonne um die Erde und die Umrundung der Erde durch den Mond ergeben zusammen die Periode von etwa 29½ Tagen für die Mondphasen.

In dieser Zeitspanne liegen Sonne, Erde und Mond zweimal auf einer Linie (Voll- und Neumond, siehe auch schematische Darstellung in der Einleitung), und die von ihnen verursachten Gezeitenkräfte addieren sich. Sie sind zwar im Vergleich zur Schwerkraft der Erde sehr klein (etwa 10 Millionen mal kleiner), können aber den Wasserspiegel des Ozeans merklich anheben, nämlich etwa ¾ Meter, wobei etwa ½ Meter vom Mond und etwa ¼ Meter von der Sonne verursacht ist.[8]

In den beiden Momenten des Halbmondes liegt zwischen den beiden Gezeitenkräften ein rechter Winkel. Ihre Überlagerung führt zu Kräften, die den Wasserspiegel des Ozeans weniger stark anheben.

Periodische Schwankungen des Wasserspiegels an den Küsten[Bearbeiten]

An den Rändern der aus dem Ozean herausragenden Landmassen ändert sich der Wasserspiegel weit mehr (bis über 10 Meter) und infolge der Erddrehung wesentlich schneller als inmitten des Ozeans. Die Meeresküsten durchlaufen täglich annähernd einmal die bezüglich der verursachenden Gezeitenkräfte näherungsweise unveränderlichen Gebiete und beeinflussen dabei das Fließen zwischen den Bergen und Tälern des Ozeanwassers. Es fließt über die leicht ansteigenden Schelfe auf die Küsten zu und wieder weg und/oder in sich verengende Buchten hinein und wieder heraus. Bei entsprechenden topologischen Verhältnissen entstehen Resonanzen in diesen periodischen Fließbewegungen mit erheblichen Resonanzüberhöhungen. Das Anstoßen einer solchen Schwingung ist vergleichbar mit dem gleichmäßigen Anstoßen einer Schaukel. Bei Übereinstimmung der anregenden Frequenz mit der Eigenfrequenz schaukelt sich ein solches System auf. Die anstoßenden Gezeitenkräfte sind zwar sehr klein, sie stoßen aber seit Millionen von Jahren gleichmäßig. Die in den Wasserbewegungen der Gezeiten enthaltene sehr große Energiemenge ist die Summe der während langer Zeit stattgefundenen relativ kleinen Energieumwandlungen. Auch hierbei gilt der Vergleich mit der Schaukel: Leichtes Anstoßen über längere Zeit verursacht energiereiche große Ausschläge.

Auf der Erde treten Ebbe und Flut zweimal in etwa 24 Stunden und 50 Minuten auf. Die Verlängerung über 24 Stunden[9] hinaus wird durch den Umlauf des Mondes um die Erde verursacht. Sein Umlaufsinn ist gleich wie der Drehsinn der Erde, nur ist der Umlauf wesentlich langsamer (1 Umlauf in etwa 27 ½ Tagen).

Die überlagerten, vom Mond und von der Sonne verursachten Gezeitenkräfte, führen zu entsprechenden Änderungen der Tidenhübe im Rhythmus eines halben Mondmonats:
Spring-Tide - bei Voll- und Neumond
Nipp-Tide - bei Halbmond (zu- und abnehmend).

Moderne Gezeitentheorie[Bearbeiten]

Gezeiten als in den Weltmeeren umlaufende Wellen. Die Amplitude der Pegelschwankungen ist farbkodiert. Es gibt mehrere Knotenpunkte verschwindender Amplitude, um die die Wellen herumschwappen. Linien gleicher Phase (weiß) umgeben die Knotenpunkte büschelförmig. Die Wellenausbreitung erfolgt senkrecht zu diesen Linien. Die Richtung ist durch Pfeile angedeutet.

Nach dem Ansatz von George Biddell Airy, der von Henri Poincaré, Joseph Proudman und Arthur Doodson weiterentwickelt worden ist, sind die an den Küsten stattfindenden Pegelschwankungen ähnlich wie Tsunamis bis zum Meeresboden reichende, sogenannte [[Wasserwelle#Näherung: Die Wellenlängen sind groß relativ zur Wassertiefe (Flachwasserwellen]. Anders als bei den stoßangeregten Tsunamis ist die Periodendauer der Tidenwellen durch die Gezeitenkräfte festgelegt. Zusammen mit der von der Wassertiefe abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit entstehen stehende Wellen in den Ozeanen mit typischem Knotenabstand von etwa 5000 Kilometern und einer typischen eliptischen Begrenzung, siehe nebenstehendes Bild.

Gezeitenrechnung[Bearbeiten]

Hauptartikel: Gezeitenrechnung

Mit Gezeitenrechnungen werden Vorhersagen über den zeitlichen Verlauf der Tiden und die Höhe der Flut gemacht. Die Phasen der Gezeiten haben erhebliche Bedeutung für die küstennahe Schifffahrt. Sie muss eingestellt werden, wenn die Wassertiefe zu gering ist. Die Gezeitenströmung kann die Schifffahrt beschleunigen oder verlangsamen. Der Zeitpunkt, wenn sie ihre Richtung ändert ist der Kenterpunkt, eine der berechneten Voraussagen. Besondere Wirkung auf die Schifffahrt hat die Gezeitenwelle, die bei Flut durch eine Flussmündung in das Landesinnere läuft.

Weitere Effekte der Gezeitenkräfte[Bearbeiten]

Da ein Teil des Erdkerns flüssig und Erdmantel und -kruste elastisch sind, führen die Gezeitenkräfte auch zu einer Verformung der Erdoberfläche. Die Gezeitenkräfte wirken auf das gesamte Volumen der Erde ein. Genau wie in den Ozeanen kommt es im flüssigen Material des Erdinneren zu Druckschwankungen, die im gesamten flüssigen Volumen des Erdinneren auftreten. Die Gezeitenkraft wird mit zunehmender Tiefe immer schwächer, der Druckunterschied zu den Regionen ohne Gezeitenkraft nimmt jedoch mit der Tiefe zu. Die Druckänderungen erfolgen mit der Periode der Gezeitenkraft. Wie in jeder Flüssigkeit, so werden durch diese Druckschwankungen im Erdinneren Materialströmungen ausgelöst. Da es sich dabei um die Strömung einer leitenden Flüssigkeit im Magnetfeld der Erde handelt, sind Effekte aus der Magnetohydrodynamik (MHD) zu erwarten. Das gilt auch für das Wasser der Ozeane, wo die Strömungen der Gezeiten offensichtlich sind. Schwankungen im Magnetfeld der Erde sind abhängig von Mond- und Sonnenstand, und können zum Teil mit diesem magnetohydrodynamischen Effekt erklärt werden.

Die Verformung der Erdoberfläche erfolgt mit einer Verzögerung von etwa zwei Stunden, aber immerhin mit einer Vertikalbewegung von 20 bis 30 (im Äquatorbereich sogar 50) Zentimetern.

Die Meere können den Gezeitenkräften leichter folgen, insbesondere auch ihren horizontalen Komponenten, die vor und hinter den Flutbergen auftreten. Ebbe und Flut stellen zum Teil die Differenz zwischen den Bewegungen der Meere und der Erdkruste dar, und sind zum anderen Teil eine Folge der komplexen (von der Geographie abhängigen) Strömungs- und Wellenvorgänge in den Weltmeeren, die durch die Gezeitenkraft angeregt werden.

Die Verformung der Erde durch die Gezeitenkräfte betrifft das gesamte Volumen der Erde, und nicht, wie oft angenommen, nur die Ozeane. Die Gezeiten regen im Erdinneren kontinuierlich eine stehende seismische Welle an, die mit Seismografen gemessen werden kann, sofern diese für die Messung langperiodischer Signale ausgelegt sind. Dies wird unter Anderem in der Erdspektroskopie untersucht. Das Phänomen ist an den Küsten der Ozeane besonders eindrucksvoll sichtbar, zum Teil deswegen, weil es dort durch Strömungen erheblich verstärkt wird.

Die Verformung der Erde durch die Gezeitenkraft ist weitaus geringer als die Erdabplattung von 21 km als Folge der Erdrotation, die jedoch nicht auffällt, da sie statisch ist und die träge Erdkruste ausreichend Zeit hatte, sich der riesigen Änderung der Äquipotentialfläche anzupassen.

Küstenphänomene[Bearbeiten]

Durch Gezeitenbewegungen typisches östliches Inselende am Beispiel von Norderney

In Küstennähe sind die Gezeiten erheblich durch die geometrische Form der Küsten beeinflusst. Das betrifft sowohl den Tidenhub als auch den Zeitpunkt des Eintretens von Ebbe und Flut. So ist der Tidenhub an den Küsten der Weltmeere oft größer als auf offener See. Das gilt insbesondere für trichterförmige Küstenverläufe. Das Meer schwappt bei Flut gewissermaßen an die Küste. So beträgt der Tidenhub in der westlichen Ostsee nur etwa 30 Zentimeter, an der deutschen Nordseeküste etwa ein bis zwei Meter. In der Nordsee schwappen Ebbe und Flut in einer Kreiswelle durch ihr komplettes Becken. In Ästuaren (Mündungen) der tidebeeinflussten Flüsse, zum Beispiel Elbe und Weser, beträgt der Tidenhub aufgrund der Trichterwirkung in diesen auch Tidefluss genannten Abschnitten bis über vier Meter. Noch höher ist der Tidenhub beispielsweise bei St. Malo in Frankreich oder in der Severn-Mündung zwischen Wales und England. Er kann dort über acht Meter erreichen. In der Bay of Fundy treten die weltweit höchsten Gezeiten mit 14 bis 21 Metern auf.

Die Zunahme der Höhe der Flutwelle an den Küsten erfolgt in etwa nach dem gleichen Prinzip wie bei einem Tsunami. Die Geschwindigkeit der Flutwelle verringert sich in flachem Wasser, wobei sich die Höhe der Welle vergrößert. Im Gegensatz zum Tsunami ist die Gezeitenwelle aber nicht Resultat eines einzelnen Impulses, sondern enthält einen Anteil, der durch die Gezeitenkraft stets neu angeregt wird.

Die durch die Tide auf hoher See an den Küsten angeregten Meeresschwingungen können auch zu Schwingungsknoten führen, an denen gar kein Tidenhub auftritt (Amphidromie). Ebbe und Flut rotieren gewissermaßen um solche Knoten herum. Herrscht auf der einen Seite Ebbe, so herrscht auf der gegenüberliegenden Seite Flut. Dieses Phänomen findet man vor allem in Nebenmeeren, wie der Nordsee, die zwei solcher Knoten aufweist (siehe diesbezügliche Abbildung im Artikel Amphidromie). Herausragend ist hierbei vor allem die Tideresonanz der Bay of Fundy.

Durch die Gezeiten werden insbesondere in Küstennähe erhebliche Energiemengen umgesetzt. Dabei kann die kinetische Energie der Strömungen oder auch die potentielle Energie mittels eines Gezeitenkraftwerks genutzt werden.

Ausgewählte Tidenhübe rund um die Nordsee[Bearbeiten]

Wattflächen im Wash
• Lokalisation der Gezeitenbeispiele
Tidenzeiten nach Bergen (minus = vor Bergen)
• Amphidromiezentren
• Küsten:
  Küstenmarschen grün
  Watt blaugrün
  Lagunen leuchtend blau
  Dünen gelb
  Seedeiche purpur
  küstennahe Geest hellbraun
  Küsten mit felsigem Untergrund graubraun
Tidenhub [m]
(laufende Tabellen)
max. Tidenhub [m] Ort Lage
0,79 – 1,82 2,39  Lerwick[10]  Shetland-Inseln
2,01 – 3,76 4,69  Aberdeen[11]  Mündung des Dee-River in Schottland
2,38 – 4,61 5,65  North Shields[12]  Mündung des Tyne-Ästuars
2,31 – 6,04 8,20  Kingston upon Hull[13]  Nordseite des Humber-Ästuars
1,75 – 4,33 7,14  Grimsby[14]  Südseite des Humber-Ästuars weiter seewärts
1,98 – 6,84 6,90  Skegness[15]  Küste von Lincolnshire nördlich des Ästuars The Wash
1,92 – 6,47 7,26  King's Lynn[16]  Mündung der Great Ouse in das Ästuar The Wash
2,54 – 7,23  Hunstanton[17]  Ostecke des Ästuars The Wash
2,34 – 3,70 4,47  Harwich[18]  Küste East Anglias nördlich der Themsemündung
4,05 – 6,62 7,99  London Bridge[19]  oben am Themse-Ästuar
2,38 – 6,85 6,92  Dunkerque (Dünkirchen)[20]  Dünenküste östlich der Straße von Dover
2,02 – 5,53 5,59  Zeebrugge[21]  Dünenküste westlich des Rhein-Maas-Schelde Deltas
3,24 – 4,96 6,09  Antwerpen[22]  oben im südlichsten Ästuar des Rhein-Maas-Schelde Deltas
1,48 – 1,90 2,35  Rotterdam[23]  Grenzbereich von Ästuardelta[24] und klassischem Delta
1,10 – 2,03 2,52  Katwijk[25]  Mündung des Uitwateringskanaals des Oude Rijn ins Meer
1,15 – 1,72 2,15  Den Helder.[26]  Nordende der holländischen Dünenküste westlich des Ijsselmeers
1,67 – 2,20 2,65  Harlingen[27]  östlich des IJsselmeers, in das der Rheinarm IJssel mündet
1,80 – 2,69 3,54  Borkum[28]  Insel vor der Emsmündung
2,96 – 3,71  Emden[29]  an der Emsmündung
2,60 – 3,76 4,90  Wilhelmshaven[30]  Jadebusen
2,66 – 4,01 4,74  Bremerhaven[31]  an der Wesermündung
3,59 – 4,62  Bremen-Oslebshausen[32]  Bremer Industrie-Seehäfen oben im Weserästuar
3,3 – 4,0  Bremen Weserwehr[33]  künstliche Tidengrenze der Weser
2,6 – 4,0  Bremerhaven 1879[34]  vor Beginn der Weserkorrektion
  0 – 0,3  Bremen 1879[34]  Große Weserbrücke, vor Beginn der Weserkorrektion
1,45  Bremen 1890[35]  Große Weserbrücke, 5 Jahre nach der Weserkorrektion
2,54 – 3,48 4,63  Cuxhaven[36]  an der Elbmündung
3,4 – 3,9 4,63  Hamburg St. Pauli[37][38]  Hamburg Landungsbrücken, oben am Elbästuar
1,39 – 2,03 2,74  Westerland[39]  Insel Sylt vor der nordfriesischen Küste
2,8 – 3,4  Dagebüll[40]  Küste des Wattenmeers in Nordfriesland
1,1 – 2,1 2,17  Esbjerg[41][42]  Nordende der Wattenküste in Dänemark
0,5 – 1,1  Hvide Sande[41]  dänische Dünenküste, Einfahrt zur Lagune Ringkøbingfjord
0,3 – 0,5  Thyborøn[41]  dänische Dünenküste, Einfahrt zur Lagune Nissum Bredning
0,2 – 0,4  Hirtshals[41]  Skagerrak, gleiche Hübe wie Hanstholm und Skagen
0,14 – 0,30 0,26  Tregde[43]  Skagerrak, SüdNorwegen, östlich eines Amphidromiezentrums
0,25 – 0,60 0,65  Stavanger[43]  nördlich des Amphidromiezentrums, Tiden sehr unregelmäßig
0,64 – 1,20 1,61  Bergen[43]  Tiden besonders regelmäßig
Zeeland 1580

Die Themsemündung mit ihrem sehr hohen Tidenhub ist ein klassisches Beispiel, dass bei sehr starken Tidenströmen die Erosion so stark und die Sedimentation so gering ist, dass sich ein Ästuar ausbildet. Im Rhein-Maas-Schelde-Delta haben Sedimentation und Erosion jahrtausendelang zusammengewirkt. Die Sedmentation hat bewirkt, dass die einmündenden Flüsse versandeten und in neue Betten ausbrachen, wodurch eine Vielzahl von Flussmündungen entstand. Zwischen Antwerpen und Rotterdam, wo der Tidenhub groß ist, haben die gezeitenbedingten Pendelströme diese Flussmündungen zu Ästuaren aufgeweitet. An der flachen Küste östlich des holländischen Dünengürtels sind vom frühen 12. bis ins frühe 16. Jahrhundert Sturmfluten weit ins Land gedrungen und haben von der Mündung des östlichsten Rheinarms IJssel aus die Zuiderzee ausgewaschen, an der Mündung der Ems den Dollart und noch weiter östlich den Jadebusen. Zwischen diesem und dem Ästuar der Weser bestand von Anfang des 14. bis Anfang des 16. Jahrhunderts ein Weserdelta aus Ästuaren und Hochwasserrinnen, das dem Delta in Zeeland ähnelte.

Der Tidenhub unterscheidet sich nicht nur zwischen verschiedenen Regionen; an vorgelagerten Inseln und Kapps ist er geringer als an der Festlandsküste, in Buchten und Flussmündungen manchmal höher als an der vorderen Küste. Mit der Ausbaggerung von Fahrrinnen für den Schiffsverkehr reicht der hohe Tidenhub der Mündung heute in den Ästuaren weit flussaufwärts, wo er früher schon deutlich nachließ (Vgl. Elbvertiefung und Weserkorrektion). Flussaufwärts wird der Tidenbereich heutzutage vielerorts durch Wehre begrenzt, die gleichzeitig als Staustufen in den zuführenden Flüssen einen Mindestwasserstand garantieren.

Rückwirkungen auf Erde und Mond (Gezeitenreibung)[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).

Gezeitenwirkung bei anderen Himmelskörpern[Bearbeiten]

Der Komet Shoemaker-Levy 9 wurde bei Annäherung an den Jupiter durch dessen Gezeitenwirkung in mehrere Teile zerrissen, die getrennt einschlugen.

Die Gezeitenwirkung des Jupiters verhindert auch, 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.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Wolfgang Glebe: Ebbe und Flut : das Naturphänomen der Gezeiten einfach erklärt, Delius Klasing, Bielefeld 2010, ISBN 978-3-7688-3193-2.
  • Werner Kumm: Gezeitenkunde. 2. Auflage, Delius Klasing, Bielefeld 1996, ISBN 3-87412-141-0.
  • Andreas Malcherek: Gezeiten und Wellen - Die Hydromechanik der Küstengewässer. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0787-8.
  • Günther Sager: Mensch und Gezeiten: Wechselwirkungen in zwei Jahrtausenden. Deubner, Köln 1988, ISBN 3-7614-1071-9.
  • Jean-Claude Stotzer: Die Darstellung der Gezeiten auf alten Karten. In: Cartographica Helvetica Heft 24, 2001, S. 29–35, (Volltext).
  • John M. Dow: Ocean tides and tectonic plate motions from Lageos Beck, München 1988, ISBN 3-7696-9392-2 (Englisch).
  • Bruce B. Parker: Tidal hydrodynamics. Wiley, New York, NY 1991. ISBN 0-471-51498-5 [Englisch]
  • Paul Melchior: The tides of the planet earth. Pergamon Press, Oxford 1978. ISBN 0-08-022047-9 [Englisch]
  • David E. Cartwright: Tides – a scientific history. Cambridge Univ. Press, Cambridge 1999. ISBN 0-521-62145-3 [Englisch]

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Gezeiten – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Gezeiten – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise und Anmerkungen[Bearbeiten]

  1. Günther Sager: Gezeiten und Schiffahrt, Leipzig 1958, S.59
  2. Martin Ekman: A concise history of the theories of tides, precession-nutation and polar motion (from antiquity to 1950). In: Surveys in Geophysics. 6/1993, Band 14, S. 585–617.
  3. Gudrun Wolfschmidt (Hrsg.): Navigare necesse est - Geschichte der Navigation: Begleitbuch zur Ausstellung 2008/09 in Hamburg und Nürnberg. norderstedt 2008, S. 25; Jack Hardisty: The Analysis of Tidal Stream Power. 2009 S. 5 (engl.)
  4. David Edgar Cartwright: Tides: A Scientific History. Cambridge 1999, S. 7
  5. Georgia L. Irby-Massie, Paul T. Keyser: Greek Science of the Hellenistic Era: A Sourcebook. Seleukos of Seleukia (engl., abgerufen 25. März 2014)
  6. Jacopo Dondi (dall’Orologio): De fluxu et refluxu maris, editiert 1912 von P. Revelli.
  7. zu verschiedenen Theorien vor Newton siehe auch Carla Rita Palmerino, J.M.M.H. Thijssen (Hrsg.): The Reception of the Galilean Science of Motion in Seventeenth-Century Europe. Dordrecht (NL) 2004, S. 200 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  8. a b c Günther Sager: Gezeiten und Schiffahrt, Leipzig 1958, S.61
  9. Der genauere Wert für eine 360°-Drehung der Erde ist ein Sterntag (etwa 23 Stunden und 56 Minuten)
  10. Gezeitentabelle für Lerwick: tide-forecast
  11. Gezeitentabelle für Aberdeen: tide-forecast
  12. Gezeitentabelle für North Shields: tide-forecast
  13. Gezeitentabellen für Kingston upon Hull: Mobile Geographics and Tide-Forecast
  14. Gezeitentabelle für Grimsby: Tide-Forecast
  15. Gezeitentabellen für Skegness: Visit My Harbour und Tide-Forecast
  16. Gezeitentabellen für King's Lynn: Visit My Harbour und Tide-Forecast
  17. Gezeitentabellen für Hunstanton: Visit My Harbour
  18. Gezeitentabelle für Harwich
  19. Gezeitentabelle für London
  20. Gezeitentabellen für Dunkerque: Mobile Gegraphics und tide forecast
  21. Gezeitentabellen für Zeebrugge: Mobile Gegraphics und tide forecast
  22. Gezeitentabelle für Antwerpen
  23. Gezeitentabelle für Rotterdam
  24. Ahnert, F.(2009): Einführung in die Geomorphologie. 4. Auflage. 393 S.
  25. Gezeitentabelle für Katwijk
  26. Gezeitentabelle für Den Helder
  27. Gezeitentabelle für Harlingen
  28. Gezeitentabelle für Borkum
  29. Gezeitentabelle für Emden
  30. Gezeitentabelle für Wilhelmshaven
  31. Gezeitentabelle für Bremerhaven
  32. Gezeitentabelle für Bremen Oslebshausen
  33. BSH-Gezeitentabelle für Bremen Weserwehr
  34. a b geschätzt anhand von Ludwig Franzius: Die Korrektion der Unterweser (1898), Anhang B IV.: Wochendurchschnitte der Tidenhübe 1879
  35. telefonische Auskunft des Wasser- und Schifffahrtsamtes Bremen, Sachbereich Gewässerkunde, vom 26. März 2014
  36. Gezeitentabelle für Cuxhaven
  37. Gezeitentabelle für Hamburg
  38. BSH-Gezeitentabelle für Hamburg St. Pauli
  39. Gezeitentabelle für Westerland (Sylt)
  40. BSH Gezeitentabelle für Dagebüll
  41. a b c d Danmarks Meteorologiske Institut: Tidal Tables
  42. Tide Forecast: Esbjerg
  43. a b c Vannstand – amtliche norwegische Wasserstandsinformation → englischsprachige Ausgabe