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Wasser da, Wasser weg - die Gezeiten

Natürlich sind die Unterschiede in der Nordsee nirgends so extrem wie links auf dem Bild! An manchen Stellen wie hier in Nordamerika können es 15 Meter Tidenhub, also Unterschied zwischen Niedrigwasser - Ebbe - und Hochwasser - Flut - sein (siehe Bild rechts)!

Wie aber entsteht diese gewaltige und dazu noch recht regelmäßige Schwankung des Meeresspiegels?
Die sogenannten Gezeiten sind ein sehr kompliziertes Phänomen. Sie werden durch die Anziehungskräfte zweier Himmelskörper, Mond und Sonne, und eine genau in die entgegengesetzt wirkende Kraft, die Fliehkraft, erzeugt. An erster Stelle ist der Mond zu nennen, dessen Schwerkraft alles auf der Erde anzieht und somit auch die besonders leicht beweglichen Massen der irdischen Ozeane.

War das schon fast zu kompliziert? Dann einfach einmal anschauen, was bei Ebbe und Flut mit dem Wasser geschieht! ->Die Gezeiten - selber angeschaut

Mondbeulen!
Durch diese Anziehungskräfte entsteht eine dem Mond zugewandte Gezeitenwelle. Durch diese einseitige "Ausbeulung" der Wassermassen müsste die Erdkugel eigentlich eiern. Dem entgegen wirkt die Fliehkraft, die auf der genau der Mond-Gezeitenwelle ententgegegesetzten Seite der Erde eine zweite Welle erzeugt. Beiden Wellen laufen gemeinsam um die Erdkugel.

(Courtesy: Office of Naval Reserach)

Alles bewegt sich!
Da sich die Erde in 24 Stunden einmal um sich selbst dreht und der Mond in dieser Zeit am Himmel ein wenig weiter wandert, läuft die Gezeitenwelle in 24 Stunden und 50 Minuten einmal um die Erde.

Rechne die Sonne dazu!
Nun muss man noch die etwas schwächeren Auswirkungen der Sonnenschwerkraft mit einbeziehen. Stehen bei Neumond und Vollmond Sonne und Mond auf einer Linie addieren sich die Gezeitenwellen des Mondes und der Sonne, ein besonders hohes Hochwasser ist die Folge - die Springtide.
Stehen die Gezeitenwellen des Mondes (bei Halbmond) und der Sonne im rechten Winkel zueinander ist der Hochwasserstand besonders niedrig - die sogenannte Nipptide.

Noch genauer und komplizerter? (Wem es jetzt bereits reicht, der kann diesen Absatz überspringen!)
Einmal im Jahr ist die Sonne besonders weit von der Erde entfernt, am 2. Juli, das nennt man Aphel. Das liegt daran, dass die Umlaufbahn der Erde keinen Kreis beschreibt, sondern eine Ellipse. Dann wirken ihre Anziehungskräfte ebenfalls schwächer auf die Erde und die Sonnengezeiten sind niedriger.
Einmal im Jahr fliegt die Erde besonders nah an der Sonne vorbei, am 2. Januar, das nennt man Perihel. Dann wirken die Anziehungskräfte der Sonne stärker auf die Erde und die Sonnengezeiten sind höher.

Manchmal ist der Mond weiter von der Erde entfernt, im sogenannten Apogäum, manchmal ist er auf seiner ebenfalls elliptischen Umlaufbahn näher an der Erde, im sogenannten Perigäum. Je nachdem wirken seine Anziehungskräfte stärker oder schwächer auf die Erde und damit auch auf die Gezeitenwelle.

Nimmt man nun die "Unregelmäßigkeiten" der beiden Umlaufbahnen zusammen, so ergeben sich verschiedenste Möglichkeiten, von einer extremen Springtide bis zu ganz niedrigen Nipptiden. Schon aus diesen Gründen gibt es keine zwei gleich hohen Springtiden oder gleich niedrigen Nipptiden.

Und dann noch der Wind!
Und dann ist da noch der Wind, der auch große Wassermengen vor sich herschieben kann. Bei einem schweren Sturm kann ein Hochwasser mehrere Meter höher ausfallen, als nur auf Grund der Gezeiten. Dies nennt man dann Sturmflut.

Springtide! Ja, richtig gesehen, dieser Steg ist unter Wasser!

Ach ja! Da wären auch noch die ganzen Inseln,...
Die Gezeitenwelle kann nicht überall gleich schnell angelangen, da ihr Inseln und manchmal sogar ganze Kontinente im Weg stehen. Trifft sie auf ein Hindernis, wird sie abgelenkt, zurückgeworfen,...
Hat sie nur wenig Platz zwischen zwei Inseln muss sie sich beinahe hindurchquetschen, was zwischen den Inseln zu höheren Hochwasserständen führt.

Schematische Darstellung der Laufrichtung der Gezeitenwelle in der Nordsee

Der Weg in das Randmeer Nordsee wird der Gezeitenwelle massiv erschwert, die Britischen Inseln liegen quer. Zwei auch zeitlich getrennte Wellen laufen daher in die Nordsee hinein, überlagern sich an manchen Orten oder schwächen sich an anderen gegenseitig ab.
Daher muss für jeden Ort eigens ein Tidenkalender berechnet werden.

Sonderfall Ostsee: Da der Durchgang in die Ostsee so schmal ist und sich auflaufendes und ablaufendes Wasser auch noch gegenseitig behindern, gibt es in weiten Bereichen der Ostsee nur einen Tidenhub von weniger als 10 Zentimetern.
Das hat übrigens auch Auswirkungen auf die Küstenformen der Ostsee: -> mehr Infos!

Alles klar? -> auf zum Wissenscheck!

Quellen:

• Bilder oben rechts: NOAA
• Animation: Office of Naval Research (U.S. Navy)
• Grafiken: STM (oben), STM/ONR (Mitte), STM/NOAA (unten)

Die Gezeiten - selber ausprobiert

Ein bisschen sportlich wird es jetzt, also bitte den PC loslassen und einen geeigneten freien Platz suchen!

Der Eimertrick
Einen wassergefüllten Eimer (ein Rucksack geht auch) um sich herum schleudern ist der erste Schritt in unserer Versuchsreihe!
Ergebnis: ?

Der Zwei-Personen-Trick
Zwei gleich schwere oder verschieden schwere Personen fassen sich nun fest an den Händen und drehen sich schnell um den gemeinsamen Schwerpunkt.
Ergebnis: ?

Der Fünf-oder-Sechs-Personen-Trick
Jetzt wird es etwas aufwendiger! Am einfachsten geht der folgende Versuch am Strand, am zweiteinfachsten auf festen Matten im Sportunterricht - im Zweifel den Sportlehrer fragen, ob er etwas Zeit für einen wirklich, wirklich wichtigen Versuch zur Verfügung stellt. Oder ganz einfach die Eltern überzeugen, dass jetzt aus lerntechnischen Gründen ein Urlaub angesagt ist!
So! Jetzt aber los!
Vier (etwa gleich schwere) Personen stellen sich über Kreuz einander gegenüber auf und fassen sich fest an den Händen. Dann um den gemeinsamen Schwerpunkt drehen.

Kein Problem?
Gut! Dann kann eine Person sich an eine beliebige Person der Vierergruppe hängen und versucht mitzudrehen.

Geht nicht richtig?
Dann kommt die sechtse Person zum Einsatz! Sie geht gegenüber der fünften Person in Position und dreht mit.

Wenn nicht alle nach den ersten Schritten am Boden gelandet sind, sollte es eigentlich funktioniert haben.
Jetzt hätten wir die Situation Mondgezeitenwelle und Sonnengezeitenwelle nachgestellt!
Ergebnis: ?

Der Meeresspiegel

Anders als das Wasser in einer Spüle oder Badewanne ist der Wasserstand in den Ozeanen der Erde nicht überall gleich; der Meeresspiegel variiert je nach Ort und Zeit. Innerhalb von Stunden und Tagen wird der Meeresspiegel durch Gezeiten, Winde und Wellen, einschließlich Sturmfluten, beeinflusst. Der Meeresspiegel steigt, wenn die Ozeane warm sind, und sinkt, wenn sie sich abkühlen (weil sich das Wasser beim Erwärmen ausdehnt und beim Abkühlen zusammenzieht). Regionale Schwankungen des Meeresspiegels können viele Jahre, ja sogar ein Jahrzehnt andauern. All diesen Veränderungen liegt der langsamere Anstieg und Rückgang des globalen durchschnittlichen Meeresspiegels zugrunde, während die Inlandeismassen mit den Eiszeiten zurückgehen oder anwachsen und das über Jahrtausende.

NASA image created by Jesse Allen, using altimeter data provided by Josh Willis, NASA Jet Propulsion Laboratory.

Diese Karte zeigt globale Muster von Veränderungen des Meeresspiegels (Meeresspiegelhöhe), die mit satellitengestützten Höhenmessern (Topex- und Jason-1-Satelliten) von 1993 bis Ende 2007 gemessen wurden. Orte, an denen die Höhe der Meeresoberfläche bis zu 225 Millimeter zunahm, sind dunkelrot dargestellt; Orte, an denen der Meeresspiegel gesunken ist, sind blau. Die am weitesten verbreitete Veränderung des Meeresspiegels in diesem Zeitraum war eine Zunahme der Höhe der Meeresoberfläche im Westpazifik. Während des Zeitraums, der von diesem Bild überspannt wird, befand sich ein Klimamuster namens Pacific Decadal Oscillation in seiner warmen Phase, und die Meeresoberflächentemperaturen waren in weiten Teilen des Beckens überdurchschnittlich hoch. Die Wärmeausdehnung in dieser warmen Phase würde mit einem Anstieg des Meeresspiegels im Einklang stehen.

Andere Veränderungen spiegeln Verschiebungen der großräumigen Meeresströmungen wider. So stieg der Meeresspiegel im Nordatlantik südlich von Grönland an. Der Anstieg steht im Zusammenhang mit der Schwächung einer Meeresströmung, die als Nordatlantischer Subpolarwirbel bekannt ist. Der subpolare Wirbel ist eine gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Strömung im Nordatlantik, deren absinkender Ast entlang der Südostküste Grönlands nach Süden fließt. Wenn der Wirbel stark ist, trägt er kaltes, salziges Wasser tief in den Ozean hinab, wo es in Richtung Äquator zurückfließt. Wenn die Strömung nachlässt, werden die Temperaturen warm und der Meeresspiegel steigt.

Andere Bereiche im Bild, die auf eine jahrzehntelange Veränderung der Meeresströmungen hindeuten, sind der Mittelatlantik vor der Ostküste der Vereinigten Staaten, wo die blaue Linie (Rückgang des Meeresspiegels) eine Veränderung der durchschnittlichen Breite oder Geschwindigkeit des Golfstromes anzeigen könnte. Ein Anstieg des Meeresspiegels fand im Bereich des westlichen Pazifiks östlich von Japan statt, der durch den Kuroshio-Strom beeinflusst wird, der das Äquivalent des nordamerikanischen Golfstroms darstellt. Schließlich kann eine Streuung von dunkelroten Punkten über den Südlichen Ozean zwischen Afrika und Australien eine Veränderung des antarktischen Zirkumpolarstroms bedeuten.

Veränderungen des Ortes oder der Geschwindigkeit von Meeresströmungen über Jahrzehnte hinweg können Teil eines natürlichen Kreislaufs sein, oder sie können den Beginn einer langfristigen Veränderung einer Strömung als Folge des vom Menschen verursachten Klimawandels anzeigen. Satellitenbeobachtungen des Meeresspiegels von Satelliten wie Topex, Jason 1 und dem 2006 gestarteten Jason 2 sind wichtige Werkzeuge für Wissenschaftler, die versuchen zu verstehen, wie die globale Erwärmung die Speicherung von Meereswärme und den Anstieg des globalen Meeresspiegels über viele Jahrzehnte hinweg beeinflussen wird.

Text nach NASA Earthobservatory: Regional Patterns of Sea Level Change 1993-2007