Die Gezeiten

Außer dem Wasserkreislauf gibt es noch andere entscheidende Wasserbewegungen. Der Meeresspiegel zum Beispiel hebt und senkt sich. Die Gezeiten sind der Wechsel des Meeresspiegels, der charakteristisch in mehreren Stunden bis zum höchsten Punkt, der Flut, ansteigt, worauf ein mehrstündig dauerndes Zurückfließen des Wassers erfolgt, bis der maximale Tiefststand erreicht ist, die Ebbe. Danach wiederholt sich dieser Zyklus aufs Neue. Das Spektrum zwischen Flut und Ebbe kann zu Extremen führen wie z.B. in Nova Scotia der Ostküste Kanadas, bei der 12-16m Höhenunterschiede erreicht werden.

Der normale Meeresspiegel wird durch die Anziehungskraft der Erde bestimmt. Wenn man von äußeren Kräften einmal absieht, richtet sich die Anziehungskraft der Erde Richtung des Erdmittelpunkts und zeigt, dass die großen Wassermassen keine Bewegungen durch das Fehlen latent wirkender Kräfte erfahren würden. In Wirklichkeit aber werden die Wassermassen durch Anziehungskräfte außerhalb der Erde in Bewegung gesetzt. Die Erde steht unter dem Einfluss der Anziehungskräfte von gigantischen extern wirkenden Massen, wie z.B. dem Mond und der Sonne. Diese schweren Himmelskörper besitzen starke Gravitationsfelder, die mit zunehmender Entfernung abnehmen. Die Anziehungskraft der Sonne auf der Erde wäre 179 mal stärker als die des Mondes, allerdings aufgrund der größeren Distanz zur Erde, ist der Gezeiteneffekt der Sonne nur etwa 46% der des Mondes. Der Unterschied zwischen den Kräften am Erdmittelpunkt und Oberfläche bestimmt den Effekt der Gezeiten. Vereinfacht ausgedrückt wird in den nächsten Abschnitten der Mond als Veranschaulichung benutzt, auch wenn dabei die Anziehungskraft der Sonne nicht explizit genannt wird.

Kräfte der Gezeiten

Da die Kräfte der Gezeiten durch ein „Ziehen“ des Mondgravitationsfeldes verursacht wird, ist es offensichtlich, dass der Meeresspiegel an der Stelle am meisten ansteigen wird, die dem Mond am nächsten ist, während das Wasser, das am weitesten entfernt ist am niedrigsten sein wird. Dennoch ist die Erde auch selbst dem Gravitationsfeldes des Mondes ausgesetzt. Das bedeutet also, das die Erde dreierlei Kräften ausgesetzt ist. Der größte Effekt der Mondanziehungskraft zeigt sich am Ansteigen des Oberflächenwassers an der Mondseite, bei dem das Wasser ansteigt. Der zweitgrößte Effekt der Anziehungskraft erfährt die Erde selber. Die schwächste Kraft wirkt auf das Oberflächenwasser an der des Mondes gegenüberliegenden Seite, der am weitest Entferntesten. Insgesamt steigt hierdurch der Meeresspiegel auch an der gegenüberliegenden Seite, da es weniger durch den Mond und mehr durch die Erde angezogen wird. Sobald das Wasser an den zwei Seiten der Erde ansteigt, fällt dazwischen der Meeresspiegel zum Ausgleich. Insgesamt zeigt der Meeresspiegel zwei Hügel, eine an beiden Seiten. [picture]

Amplitude und Zeitzyklus der Gezeiten

Die Rotation der Erde, relativ zum Mond gesehen, beträgt einen Mondtag (24 Stunden und 28 Minuten). Folglich, wandern die zwei Wasserberge mit der gleichen Geschwindigkeit, was dazu führt, dass es alle 12 Stunden und 24 Minuten zur Flut kommt. Die theoretische Amplitude der Ozeane, die durch den Mond verursacht wird, beträgt 54cm am höchsten Punkt. Dies ist die Wellenhöhe, die erreicht werden würde, wenn der Ozean überall die gleiche Tiefenstruktur besitzen würde und wenn sich die Erde nicht um ihre eigene Achse bewegen würde. Zudem verursacht die Sonne zeitgleich Gezeiten, bei der die theoretische Wellenhöhe 25cm betragen würde (46% der des Mondes) und mit einem Zeitzyklus von 12 Stunden. Bei einer Springtide addieren sich die beiden Effekte zu einer theoretischen Wellenhöhe von 79cm, währenddessen zur Nipptide der Meeresspiegel um den theoretischen Wert von 29cm reduziert wäre. Allerdings variiert der Abstand zwischen Erde, Mond und Sonne, da die Orbits nicht einer perfekten Kreisbahn entsprechen, sondern einer Ellipse folgen. Dies verursacht wiederum eine Variation der Gezeitenkräfte mit einer theoretischen Wellenhöhe von ±18% für den Mond und ±5% für die Sonne. Wenn beide zum Zeitpunkt ihrer dichtesten Entfernung zur Erde auf einer Linie liegen würden, läge die theoretische Amplitude bei 93cm. Die Amplituden unterscheiden sich in Wirklichkeit beträchtlich aufgrund von Unterschieden in Breitengraden, der Form und der Geometrie der Küste und stehen unter dem Einfluss von Stürmen, die auch im Stande sind große Wassermassen zu bewegen.

Verzögerungseffekt der Gezeiten

Da die Gezeitenkräfte des Mondes die Meeresströme mit einer Periodizität von 12 Stunden und 42 Minuten beeinflussen, also ungefähr die Hälfte der Erdrotationszeit (welches beträchtlich weniger ist als die natürliche Periodizität der Ozeane), kommt es zu komplexen Resonanzphänomenen. Die Verzögerung zwischen dem Einfluss des Mondes und der tatsächlichen Gezeitenbewegung des Wassers, variiert zwischen 2 Stunden in den südlichen Teilen des Ozeans und bis zu 2 Tagen in der Nordsee. Der Durchschnittswert auf der Erde beträgt 6 Stunden. Dies bedeutet, dass Ebbe dann eintritt, wenn der Mond sich im Zenit oder sich im Tiefstand befindet und so der menschlichen Intuition einen Streich spielt.

Gezeiten und Navigation

Gezeitenbewegungen sind von äußerster Wichtigkeit in der Navigation, und es können signifikante und potentiell gefährliche Fehler in der Berechnung der Schiffsposition entstehen, wenn man die Gezeiten nicht berücksichtigt. Gezeitenhöchststände spielen ebenso eine wichtige Rolle. Viele Flüsse und Häfen haben z.B. einen Zugang mit niedriger Wassertiefe, die das Einlaufen von Schiffen mit großem Kielgang unmöglich machen würde und in einem Auflaufen bei Ebbe resultieren würde. Heutzutage sind die Gezeitenvorhersagen zu einem bestimmten Ort via Gezeitentabellen leicht zugänglich, z.B. im Internet. [link]