Was verursacht Gezeiten im Ozean?

Seit prähistorischen Zeiten wussten die Menschen intuitiv, dass der Mond und die Gezeiten zusammenhängen, aber es brauchte ein Genie wie Isaac Newton, um den Grund zu erklären.

Es stellt sich heraus, dass die Schwerkraft, diese mysteriöse Grundkraft, die die Geburt und den Tod von Sternen und die Bildung von Galaxien verursacht, in erster Linie verantwortlich ist. Die Sonne übt auch eine Anziehungskraft auf die Erde aus und trägt zu den Gezeiten der Ozeane bei. Zusammen bestimmen die Gravitationseinflüsse von Sonne und Mond die auftretenden Gezeiten.

Während die Schwerkraft die Hauptursache für Gezeiten ist, spielen die Eigenbewegungen der Erde eine Rolle. Die Erde dreht sich um ihre Achse, und diese Drehung erzeugt eine Zentrifugalkraft, die versucht, das gesamte Wasser von der Oberfläche zu drücken, ähnlich wie Wasser von einem sich drehenden Sprinklerkopf wegspritzt. Die eigene Schwerkraft der Erde verhindert, dass das Wasser in den Weltraum abfliegt.

Diese Zentrifugalkraft interagiert mit der Anziehungskraft von Mond und Sonne, um Fluten zu erzeugen und Ebbe, und das ist der Hauptgrund dafür, dass viele Orte auf der Erde jeden Tag zwei Fluten erleben.

Gemäß Newtons Gravitationsgesetz, die Gravitationskraft zwischen zwei beliebigen Körpern im Universum ist direkt proportional zur Masse jedes Körpers (ich₁ und ich₂) und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung (d) zwischen ihnen. Der mathematische Zusammenhang lautet wie folgt:

F = Gm₁ich₂/ d²

wo G ist die universelle Gravitationskonstante.

Dieses Gesetz zeigt, dass die Kraft mehr vom Abstand als von der relativen Masse abhängt. Die Sonne ist viel massereicher als der Mond – etwa 27 Millionen Mal so massiv –, aber sie ist auch 400 Mal weiter entfernt. Vergleicht man die Gravitationskräfte, die sie auf die Erde ausüben, stellt sich heraus, dass der Mond etwa doppelt so stark anzieht wie die Sonne.

Der Einfluss der Sonne auf die Gezeiten mag geringer sein als der des Mondes, aber er ist bei weitem nicht zu vernachlässigen. Am deutlichsten ist es, wenn Sonne, Erde und Mond bei Neumond und Vollmond auf einer Linie liegen. Bei Vollmond befinden sich Sonne und Mond auf gegenüberliegenden Seiten der Erde und die höchste Flut des Tages ist nicht so hoch wie normal, obwohl die zweite Flut etwas höher ist.

Bei Neumond stehen Sonne und Mond auf der gleichen Seite der Erde und ihre Anziehungskraft verstärkt sich gegenseitig. Die ungewöhnlich hohe Flut wird als Springflut.

Die Zentrifugalkraft, die durch die Rotation der Erde um ihre Achse entsteht, wird durch die Schwerkraft des Mondes verstärkt, und das liegt daran, dass Erde und Mond umeinander rotieren.

Die Erde ist so viel massereicher als der Mond, dass es den Anschein hat, als ob sich nur der Mond bewegt, aber tatsächlich drehen sich beide Körper um einen gemeinsamen Punkt namens Schwerpunkt, das sind 1.068 (1.719 km) Meilen unter der Erdoberfläche. Dies erzeugt eine zusätzliche Zentrifugalkraft, ähnlich wie ein Ball, der sich auf einer sehr kurzen Saite dreht.

Die Nettowirkung dieser Zentrifugalkräfte besteht darin, eine dauerhafte Ausbuchtung in den Ozeanen der Erde zu erzeugen. Gäbe es keinen Mond, würde sich die Wölbung nie ändern und es gäbe keine Gezeiten. Aber es gibt einen Mond, und so beeinflusst seine Gravitation die Ausbuchtung an einem zufälligen Punkt EIN auf der sich drehenden Erde:

• Mitternacht: Punkt EIN dem Mond zugewandt ist, und die Kombination aus der Anziehungskraft des Mondes und der Zentrifugalwölbung kombiniert, um die Flut zu erzeugen.

• 6 und 18 Uhr: Punkt EIN senkrecht zu einer Linie zwischen Erde und Mond steht. Die Normalkomponente seiner Gravitationskraft wirkt der Fliehkraftausbuchtung entgegen und zieht sie ein. Punkt EIN erlebt Ebbe.

• Mittag: Punkt EIN befindet sich auf der dem Mond gegenüberliegenden Seite der Erde. Die Gravitation des Mondes ist schwächer, weil Punkt EIN ist jetzt einen Erddurchmesser entfernt, was fast 8.000 Meilen (12.875 km) beträgt. Die Gravitationskraft ist nicht stark genug, um die Zentrifugalwölbung zu neutralisieren, und Punkt EIN erlebt eine zweite Flut, die kleiner ist als die erste um Mitternacht.

Der Mond bewegt sich mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 13,2 Grad pro Tag durch den Himmel, was etwa 50 Minuten entspricht, sodass die erste Flut am Folgetag um 12:50 Uhr und nicht um Mitternacht auftritt. Auf diese Weise wird der Zeitpunkt der Flut am Punkt EIN folgt der Bewegung des Mondes.

Die Sonne hat einen ähnlichen Einfluss auf die Gezeiten wie der Mond, und obwohl sie nur halb so stark ist, muss jeder, der Meeresgezeiten vorhersagt, sie berücksichtigen.

Wenn Sie sich die Gravitationseffekte auf Gezeiten als längliche Blasen vorstellen, die den Planeten umgeben, wäre die Blase des Mondes doppelt so lang wie die der Sonne. Es dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit um die Erde, wie der Mond den Planeten umkreist, während die Sonnenblase der Bewegung der Erde um die Sonne folgt.

Diese Blasen interagieren wie interferierende Wellen, verstärken sich manchmal und heben sich manchmal auf.

Die Gezeitenblase ist eine Idealisierung, da die Erde nicht vollständig von Wasser bedeckt ist. Es hat Landmassen, die das Wasser sozusagen in Becken einschließen. Wie Sie daran erkennen können, dass Sie eine Tasse Wasser hin und her kippen, verhält sich Wasser in einem Behälter anders als Wasser, das nicht durch Grenzen begrenzt ist.

Bewegen Sie den Wasserbecher in eine Richtung, und das gesamte Wasser schwappt zur Seite, dann in eine andere Richtung, und das Wasser schwappt zurück. Das Meerwasser in den drei großen Ozeanbecken – dem Atlantischen, Pazifischen und Indischen Ozean – sowie in allen kleineren, verhält sich aufgrund der axialen Drehung der Erde gleich.

Die Bewegung ist nicht so einfach, da sie auch den Winden, der Wassertiefe, der Küstentopographie und der Corioliskraft unterliegt. An einigen Küsten der Erde, insbesondere an der Atlantikküste, gibt es zwei Hochwasser pro Tag, während andere, wie z. B. viele Orte an der Pazifikküste, nur eine haben.

Die regelmäßige Ebbe und Flut der Gezeiten hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Küsten des Planeten, erodiert sie ständig und verändert ihre Eigenschaften. Sediment wird bei der sich zurückziehenden Flut aufs Meer hinausgetragen und bei erneuter Flut an einer anderen Stelle wieder abgelagert.

Meerespflanzen und -tiere in Gezeitengebieten haben sich entwickelt, um sich an diese regelmäßige Bewegung anzupassen und daraus Kapital zu schlagen, und Fischer mussten im Laufe der Jahrhunderte ihre Aktivitäten zeitlich anpassen, um sich daran anzupassen.

Die Bewegung der Gezeiten erzeugt eine enorme Energiemenge, die in Strom umgewandelt werden kann. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist ein Damm, der die Bewegung von Wasser nutzt, um Luft zu verdichten, um eine Turbine anzutreiben.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Turbinen direkt in der Gezeitenzone aufzustellen, damit das sich zurückziehende und vordringende Wasser sie drehen kann, ähnlich wie der Wind Luftturbinen dreht. Da Wasser so viel dichter ist als Luft, kann eine Gezeitenturbine deutlich mehr Energie erzeugen als eine Windturbine.