TERRA-Online / Gymnasium

Infoblatt Begriffe und Entstehung der Gezeiten

Informationen zur Entstehung von Ebbe und Flut




Gezeitenbegriffe im Überblick

Bezugspunkt aller Beobachtungen und Registrierungen ist ein Nullpunkt, der zur Vermeidung negativer Höhenwerte unter NN gesetzt ist und als Pegelnull (PN) bezeichnet wird. Der Höchstwasserstand zur Zeit der Flut ist das Hochwasser (HW), der jeweils niedrigste Stand zur Zeit der Ebbe ist das Niedrigwasser (NW). Das Steigen und Fallen des Wasserstandes von einem Niedrigwasser zum anderen ist eine Tide, das Steigen heißt Flut, das Fallen Ebbe. Die Dauer einer Tide setzt sich aus einer Steigdauer (SD) und einer Falldauer (FD) zusammen. Beide sind nicht konstant, sondern wechseln von Tide zu Tide (Ungleichheit in der Zeit). Auch die einzelnen Hochwasserhöhen und Niedrigwasserhöhen (gemessen vom PN) sind nicht gleichbleibend. Deshalb bestehen auch Unterschiede zwischen Tidenstieg (TS = Höhenunterschied zwischen NW und HW) und Tidenfall (TF = Höhenunterschied zwischen HW und NW). Der Mittelwert aus Tidenstieg und Tidenfall ist der Tidenhub. Auch dieser ändert sich von Tide zu Tide. Folglich verändert sich auch das Mittelwasser (MW), welches das Mittel aus der Hochwasserhöhe (HWH) und der vorhergehenden oder nachfolgenden Niedrigwasserhöhe (NWH) darstellt. Der mittlere Wasserstand Zo ergibt sich aus der Mittelbildung von möglichst stündlichen Ablesungen des Wasserstandes im Laufe mehrerer Jahre und steht deshalb mit den Gezeiten nicht in Zusammenhang. Seine Veränderungen ergeben sich aus Meeresspiegelschwankungen, deren Ursachen Erdkrustenbewegungen oder Veränderungen der Gesamtwassermasse des Meeres sind.

Wechselnde Wasserstände werden an Pegeln gemessen. Das sind im einfachsten Falle Lattenpegel, wie sie auch bei Binnengewässern benutzt werden. Schwimmpegel ermöglichen eine laufende Beobachtung, Registrierung und Fernübertragung der erhaltenen Daten. Sie erfordern einen Schacht, der mit dem Meer in Verbindung steht und Schutz gegen Seegang und Eis gewährt. Schwankungen der Wasserstände können auch indirekt über die genaue Messung des Wasserdruckes ermittelt werden. Dieses Verfahren muss im offenen Meer benutzt werden, wo festländische Bezugspunkte fehlen. Die dabei verwendeten Hochseepegel sind selbstregistrierende Manometer, die die Volumenveränderung eines abgeschlossenen Luftvolumens oder die elastische Verformung eines Hohlkörpers messen.


Entstehung der Gezeiten

Zu den eindrucksvollsten Phänomenen, die das Meer dem Betrachter an der Küste bietet, gehören Ebbe und Flut. Zweimal im Laufe eines Tages hebt und senkt sich der Wasserspiegel, strömen an Flachküsten beträchtliche Wassermassen seewärts und landwärts, wobei ein breiter Küstenstreifen überflutet wird und wieder trocken fällt. Dieser Vorgang wiederholt sich im Normalfalle im Abstand von 12 h 25 min. In bestimmten Meeresgebieten findet dieses Schauspiel nur einmal am Tage statt, beide Ablauftypen können aber auch im Laufe eines Monats miteinander abwechseln.

Da die Zeit zwischen zwei Meridiandurchgängen des Mondes 24 h 50 min, also das Doppelte der Gezeitenperiode ist, wurde schon frühzeitig ein Zusammenhang zwischen den Gezeiten und dem Mondumlauf angenommen. Bereits KEPLER hatte die richtige Ursache für die Entstehung der Gezeiten angegeben, NEWTON gelang es, den quantitativen Zusammenhang herzustellen. Dass Erde und Mond trotz der gegenseitigen Massenanziehung nicht aufeinander stürzen, beruht darauf, dass wegen ihrer Bewegung um einen gemeinsamen Schwerpunkt sich die Fliehkräfte und die Anziehungskräfte das Gleichgewicht halten. Das gilt für die Gesamtheit der Kräfte, d. h. für das gesamte System, nicht jedoch für jeden einzelnen Punkt der Erdoberfläche.

Wenn man zunächst von der Drehung der Erde um ihre eigene Achse absieht, ergibt sich folgendes.



Die Bewegung der Erde um den gemeinsamen Schwerpunkt von Erde und Mond, der innerhalb der Erde liegt, erfolgt in der Weise, dass alle Punkte der Erde die gleiche Bahn beschreiben. Folglich ist auch die Zentrifugalkraft für alle Volumenelemente gleicher Masse gleich groß. Das gilt jedoch nicht für die Massenanziehung, die von der Entfernung der sich anziehenden Massen abhängig ist. Dem Punkt auf der Erdoberfläche, für den der Mond im Zenit steht, ist der Mond um einen Erddurchmesser näher als dem Punkt unter dem Nadir dieser MondsteIlung. Die Anziehungskraft durch den Mond beträgt im ersten Falle 34,24 uN / kg [3,49 mp / kg], im zweiten Falle aber nur 32,07 uN / kg [3,27 mp / kg]. Auf der gesamten dem Monde zugewandten Erdhälfte überwiegt deshalb die Anziehungskraft die Zentrifugalkraft. Auf der dem Monde abgekehrten Seite der Erde ist hingegen die Fliehkraft überall größer als die Anziehungskraft. Nur im Erdmittelpunkt E halten sich die beiden Kräfte die Waage. An allen Punkten der Erdoberfläche resultieren aus den Differenzen zwischen Anziehungs- und Fliehkraft Restkräfte. Ihre horizontalen Komponenten sind die flut- bzw. gezeitenerzeugenden Kräfte. Sie bewirken eine Verschiebung der Wassermassen auf der Erdoberfläche. Würde sich die Erde nicht um ihre Achse drehen, so entstünden an den Punkten der Erdoberfläche, für die der Mond im Zenit bzw. im Nadir steht, Wasserberge.



Wegen der täglichen Drehung der Erde wandern aber diese beiden Flutberge um die Erde und verursachen so den Gezeitenwechsel im Abstand von 12 Stunden und 25 Minuten. Hat der Mond eine Deklination, steht also nicht in der Äquatorebene der Erde, dann entstehen an einem Ort bestimmter geographischer Breite unterschiedliche Hochwasserhöhen, so dass im allgemeinen die beiden Fluten eines Tages nicht gleich sind (tägliche Ungleichheit).

Die gleichen Wirkungen ergeben sich aus der Anziehungskraft der Sonne. Wegen der großen Entfernung zwischen Erde und Sonne sind sie jedoch trotz der Größe der Sonnenmasse nur etwa knapp halb so groß. Stehen Sonne, Mond und Erde angenähert in gerader Linie (Neumond oder Vollmond), dann addieren sich die fluterzeugenden Kräfte von Mond und Sonne.

Die Folge ist ein Springhochwasser. Stehen Sonne, Mond und Erde im rechten Winkel zueinander, dann heben sich die fluterzeugenden Kräfte zum Teil auf, und es gibt ein Nipphochwasser.

Die wirklich zu beobachtenden Gezeiten verlaufen wesentlich komplizierter. Das Wasser besitzt als Masse eine Trägheit und stellt sich erst mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung auf die Gleichgewichtszustände ein, die die fluterzeugenden Kräfte erfordern. Das System der fluterzeugenden Kräfte ändert sich aber wegen der Bewegung aller an diesen Kraftwirkungen beteiligten Massen ständig. Hinzu kommt, dass in begrenzten Meeresräumen Eigenschwingungen der Wassermassen auftreten oder Flutwellen von benachbarten Meeresräumen einlaufen und an den Kontinenten reflektiert werden. Die auftretenden Gezeitenströmungen, durch die große Wassermassen versetzt werden, erfahren durch die Corioliskraft eine Ablenkung und werden in besonders starkem Maße vom Relief des Meeresbodens beeinflusst. Daraus ergeben sich insbesondere in der Nähe der Kontinente sehr komplizierte Gezeitenverhältnisse. Schließlich unterliegen die Gezeitenströme und die daraus resultierenden Wasserstände der Beeinflussung durch Windwirkungen, durch die die von den gezeitenerzeugenden Kräften und allen übrigen Faktoren bestimmten Tidenhubhöhen zusätzlich verkleinert oder vergrößert werden können. Extrem niedrige Niedrigwasser können die Schifffahrt beeinträchtigen, extrem hohe Hochwasser sind als Sturmfluten eine große Gefahr für die betroffenen Küsten und das anschließende Hinterland. Wenn die landwärts gerichteten Wasserbewegungen durch die Schubkraft starker und langanhaltender Winde bzw. Stürme verstärkt werden, kann das mittlere Hochwasser um große Beträge überschritten werden.

Aus der Deklination des Mondes ergibt sich die Ungleichheit der Höhen aufeinanderfolgender Hoch- und Niedrigwasser. Die Deklination des Mondes verursacht noch eine weitere Ungleichheit, indem nach der größten nördlichen und südlichen Deklination ein verhältnismäßig kleiner Tidenhub und nach dem Äquatordurchgang ein verhältnismäßig großer Tidenhub eintritt. Die Periode dieser Ungleichheit beträgt einen halben tropischen Monat (13,66 d), während die tägliche Ungleichheit eine Periode von einem vollen tropischen Monat (27,32 d) hat. Als tropisch wird in diesem Zusammenhang der Zeitraum bezeichnet, der von einer Wendung des Mondes beim Erreichen der größten Deklination bis zur nächsten vergeht. Die Ungleichheit der Gezeiten, die sich aus der Stellung des Mondes zur Erde und Sonne ergibt und Springtiden sowie Nipptiden hervorruft, hat eine Periode von durchschnittlich 14,765 Tagen. Sie dauert einen halben synodischen Monat, worunter man den Zeitraum zwischen zwei Zusammentreffen von Sonne und Mond bei Neumond versteht. Diese Ungleichheit ist deshalb als halbmonatliche Ungleichheit bezeichnet worden. Eine monatliche Ungleichheit der Gezeiten ergibt sich aus der wechselnden Entfernung des Mondes von der Erde. Sie wird auch als parallaktische Ungleichheit bezeichnet, weil die Horizontalparallaxe des Mondes ein Maß für seine Entfernung von der Erde ist. Die genaue Länge dieser Periode beträgt 27,55 Tage, das ist ein anomalistischer Monat. Diese Zeit benötigt der Mond für einen Umlauf um die Erde von Perigäum zu Perigäum.

Alle genannten Ungleichheiten der Gezeiten hängen von astronomischen Gegebenheiten ab und lassen sich für jeden beliebigen Ort ableiten und berechnen. Daraus ergibt sich die grundsätzliche Möglichkeit der Vorausberechnung der Gezeiten. Die allumfassende Vorausberechnung der Gezeitenerscheinungen im Meer allein aus der Wirkung der gezeitenerzeugenden Kräfte scheitert jedoch, weil die modifizierenden Einflüsse, die von der komplizierten Bodentopographie des Meeres herrühren, selbst unter der Annahme eines stark vereinfachten geometrisch regelmäßig geformten Meeresbodens, nicht vollständig erfasst werden können, weil sich dann der Rechenaufwand auch für modernste Technik zu stark vergrößert. In der Praxis der gegenwärtigen Gezeitenvorausberechnung kommt man deshalb nicht ohne empirische Verfahren aus, die auf der Auswertung von Wasserstandsregistrierungen, d. h. auf die wirklich beobachteten Gezeiten, aufbauen. Die beiden derzeit benutzten Verfahren gehen von den erwähnten Zusammenhängen zwischen Ungleichheiten der Gezeiten und bestimmten astronomischen Konstellationen aus sowie davon, dass die beobachtete Gezeitenkurve eines jeden Ortes in eine Anzahl von Teilwellen zerlegt werden kann, welche die Perioden der gezeitenerzeugenden Kräfte haben. Insgesamt sind bisher 396 solcher Partialtiden unterschieden und einige Dutzend davon für eine große Zahl von Küstenorten analysiert worden. Für alle praktischen Belange ist es wichtig zu wissen, in welchen Zeitabständen, d. h. wann die Gezeiten eintreten und wie groß der Tidenhub ist. Zu diesem Zwecke werden Karten der Flutstundenlinien und Linien gleichen Springtidenhubs entwickelt.




Die Flutstundenlinien verbinden alle Orte, an denen das Hochwasser gleichzeitig eintritt. An jeder Linie ist verzeichnet, wann dieses Ereignis eintritt. Die angegebenen Zahlen sind Stunden nach dem Durchgang des Mondes durch den Meridian von Greenwich. Die gerissenen Linien verbinden alle Orte mit gleicher mittlerer Hubhöhe der Springtide. Die Gezeitenwelle erscheint im nördlichen Teil der Nordsee als eine fortschreitende Welle, die an der Ostküste Englands schneller wandert als an der Küste Norwegens. Hier ist der Tidenhub klein, an der englischen Küste verhältnismäßig groß. Vom Kanal her tritt eine zweite Flutwelle in die Nordsee ein. Beide vereinigen sich vor der niederländischen Küste. Es tritt eine Amphidromie auf. An einem solchen Drehpunkt laufen die Flutstundenlinien wie die Speichen eines Rades zusammen. An dieser Stelle herrscht immer Hochwasser, was nur möglich ist, wenn der Tidenhub verschwindet. Der Meeresspiegel erfährt hier keine Veränderungen durch die Wirkung der gezeitenerzeugenden Kräfte. Westlich von Jütland ist eine zweite Drehtide ausgebildet. Sie entsteht dadurch, dass die Gezeitenwelle längs der Küste der Deutschen Bucht nach Norden wandert und vor dem Skagerrak mit der von Norden kommenden Welle zusammentrifft. Die Energie der Gezeitenwelle in der Nordsee stammt aus der großen Gezeitenwelle des Atlantiks, die Wassermassen der Nordsee erhalten von Norden her die Impulse, mit den Gezeiten des offenen Ozeans mitzuschwingen. Die Verstärkung der Hubhöhe auf ihrer Westseite und ihre Abschwächung auf der Ostseite sind Folgewirkungen der ablenkenden Corioliskraft und der Bodenreibung.

Den Karten der Flutstundenlinien und Linien gleichen Springtidenhubs kann nicht entnommen werden, wie hoch der Tidenhub in den einzelnen Flussmündungen, Buchten und Häfen unter den jeweils stark wechselnden lokalen Bedingungen der Wassertiefe in unmittelbarer Küstennähe, des Küstenverlaufes, der Aufgliederung der Küste in Vorsprünge und tiefer eingreifende Buchten und ähnlicher Faktoren ist. Deshalb wurden Gezeitentafeln entwickelt. Sie enthielten, wie beispielsweise die englischen, ursprünglich nur die Eintrittszeiten der Hochwasser, seit 1836 auch die dazugehörigen Höhen der Hochwasser, aber erst ab 1897 auch Zeit und Höhe der Niedrigwasser. Die Gezeitentafeln wurden ständig verbessert und auf eine immer größere Anzahl von Punkten auf der ganzen Erde erweitert.

Datum			Zeit	Wasserstand (m)
Do	02.09.2004	HW	03:02	3.2
Do	02.09.2004	NW	09:18	0.0
Do	02.09.2004	HW	15:09	3.6
Do	02.09.2004	NW	21:44	0.1
Fr	03.09.2004	HW	03:36	3.2
Fr	03.09.2004	NW	09:50	0.1
Fr	03.09.2004	HW	15:44	3.5
Fr	03.09.2004	NW	22:13	0.1
Sa	04.09.2004	HW	04:06	3.2
Sa	04.09.2004	NW	10:19	0.1
Sa	04.09.2004	HW	16:17	3.4
Sa	04.09.2004	NW	22:40	0.2

Gezeitentafel für den Bereich Wangerooge, West (Bundesamt für Schifffahrt und Hydrographie)

Ihre Berechnung erfolgte mit sogenannten Gezeitenrechenmaschinen, von denen die ersten einfachen Modelle vor über hundert Jahren gebaut wurden. Sie wurden ständig vervollkommnet und bewerkstelligen auf mechanischem Wege die Überlagerung bzw. Zusammenfassung einer größeren Anzahl von Partialtiden, d. h. eine Summierung harmonischer Bewegungen. Gegenwärtig sind sie durch moderne Datenverarbeitungsanlagen ersetzt.

Aus der Kenntnis der Gezeiten an den Küsten gewinnt man zwar einen Überblick über den Verlauf der Gezeitenwellen an den Rändern der Ozeane, nicht aber über ihren Verlauf in den weiten Räumen der Ozeane selbst. Die Karten der Gezeiten der Ozeane basieren zu guten Teilen auf theoretischen Überlegungen, weil es schwierig ist, im offenen Ozean Tidenhübe und Gezeitenströme festzustellen. Die Gezeitenwellen der Ozeane sind mit wenigen Ausnahmen als Amphidromien ausgebildet, deren Drehsinn im allgemeinen auf der Nordhalbkugel links und auf der Südhalbkugel rechts orientiert ist. Die größten Hubhöhen treten naturgemäß immer in größerer Entfernung von den Drehpunkten auf. Extremwerte kommen zustande, wenn die Wassertiefe stark abnimmt, die Eigenperiode der Schwingungen der Wassermasse eines Schelfgebietes der Gezeitenperiode nahe kommt und Resonanz der Schwingungen eintritt oder der Meeresboden in trichterförmigen Buchten rasch ansteigt oder alle diese Faktoren zusammen wirken. Der größte Tidenhub wird in der kanadischen Fundy Bay beobachtet, wo am Eingang der Bucht der Wasserstand nur um wenige Meter schwankt, der Unterschied zwischen Niedrigwasser und Hochwasser im Innern der Bucht jedoch unter besonderen Bedingungen innerhalb von reichlich sechs Stunden 16 m betragen kann. Solche Verhältnisse stellen ganz besondere Anforderungen an die Hafenwirtschaft.


Literatur

Das Wasser der Erde: eine geographische Meeres- und Gewässerkunde; Joachim Marcinek und Erhard Rosenkranz, Gotha, 1996.