Wie funktionieren die Gezeiten? Ebbe und Flut einfach erklärt

Die Gezeiten - wie ein kompliziertes Uhrwerk

Die Gezeiten sind wie ein kompliziertes Uhrwerk und scheinen zunächst ähnlich schwer zu durchschauen. Aber eigentlich funktioniert alles recht einfach: Die Erde gibt uns durch die Gravitationskraft unser Gewicht. Ein grosser Mann wiegt auf der Erde zum Beispiel 100 Kilogramm, er wird mit dieser Kraft in Richtung Erdzentrum gezogen. Auch auf dem Mond gibt es diese Schwerkraft, allerdings ist sie sechsmal geringer als auf der Erde. Aber: sie zieht auch alle Materie auf der Erde leicht an. Der Mond ist mit rund 384'000 km so weit von der Erde entfernt, dass sich seine Gravitationskraft hier nur noch sehr schwach auswirkt. Sie macht unseren 100-Kilogramm-Mann auf der Erde etwa 0.01 Gramm leichter. So, wie er jeden Körper auf der Erde anzieht, zieht der Mond auch die beweglichen Wassermassen des Ozeans an. Die Kraft ist zwar extrem schwach, trotzdem reicht sie aus, um einen kleinen «Wasserhügel» von etwa 50 Zentimeter Höhe aufzutürmen. Dieser «Hügel» bleibt immer schön dem Mond zugewandt. Unter ihm dreht sich die Erde in 24 Stunden einmal um sich selbst. Dies ist die erste Tide des Tages. Pro Tag gibt’s jedoch zwei Tiden, die sich im Abstand von 12 Stunden und 25 Minuten folgen. Die zweite Tide ist das Resultat der Zentrifugalkraft. Man muss sich die Erde und den Mond als System vorstellen, am einfachsten wie eine asymmetrische Hantel: Das eine – grosse – Gewicht ist die Erde, das andere ist der 81-mal leichtere Mond.

"Die Anziehungskraft des Mondes auf Gegenstände, Menschen oder Tiere auf der Erde ist minimal. Sie macht unseren 100-Kilogramm-Mann auf der Erde lediglich etwa 0.01 Gramm leichter."

Die Hantelstange zwischen den Gewichten wird durch die Gravitations- und Zentrifugalkräfte zwischen den beiden Gestirnen gebildet. Das System Erde-Mond rotiert um seinen Schwerpunkt. Da die Erde viel schwerer ist als der Mond, liegt dieser nicht in der Mitte zwischen Mond und Erde, sondern noch innerhalb der Erde, etwa 1600 Kilometer unter der Erdoberfläche. Auf der dem Mond abgewandten Seite der Erde entsteht so ein zweiter kleiner «Wasserberg» durch Zentrifugalkräfte.

Gezeiten1 Mond Erde

Gezeitenwellen

Diese Gezeitenhügel rasen nun als Wellen von West nach Ost um die Erde. Dabei prallen sie auf die Küsten der Kontinente und werden zurückgeworfen und teilweise verstärkt; sie schaukeln sich innerhalb der Ozeanbecken rhythmisch hoch. Das lässt das Wasser knapp zweimal pro Tag steigen und fallen. Ein Gezeitenzyklus dauert mit 24 Stunden und 50 Minuten genau so lange, wie von einer Mondpassage zur nächsten. Der Mond umrundet in knapp 27 Tagen einmal die Erde, die Zeit von Vollmond zu Vollmond dauert jedoch 30 Tage (und heisst auch Lunation). In einem Monat hat die Erde fast ein zwölftel ihrer Bahn (29°) um die Sonne absolviert. Bei Vollmond stehen Sonne, Erde und Mond auf einer Linie. Damit der Mond wieder zum Vollmond wird, also in einer Linie zu Erde und Sonne steht, muss er auf seiner Bahn um die Erde jeden Monat etwas weiter als einen Vollumlauf wandern (+13°). Das dauert jeden Tag 50 Minuten und so erscheint er jeden Tag rund 50 Minuten später am Horizont, und mit ihm «verspäten» sich auch die Gezeiten jeden Tag im Durchschnitt um 50 Minuten.

Gezeiten2 50min

Nun kommt aber noch die Sonne ins Spiel. Ohne sie wären die Gezeiten langweilig und einförmig. Die Sonne beeinflusst das Wasser auf der Erde genau gleich wie der Mond, aber ihre Wirkung ist nur etwa halb so gross. Wenn sich Sonne, Mond und Erde auf einer Geraden befinden (dann ist entweder Neu- oder Vollmond), dann addieren sich die Gezeitenkräfte von Mond und Sonne. Es entstehen sogenannte Springtiden, Gezeiten mit deutlich stärkeren Wasserstandsänderungen. Bei Halbmond jedoch subtrahieren sich die Gravitationskräfte von Mond und Sonne, sie schwächen sich gegenseitig ab. Es resultieren sogenannte Nipptiden, also schwache Gezeiten.

Alles klar? Eben!

Es geht aber noch weiter, die Gezeiten können echt schwierig tun…

Extreme Gezeiten im Ärmelkanal

An der Nordküste der Bretagne, in der Normandie und an der Südküste Englands können die Gezeiten extreme Ausmasse annehmen. In Saint-Malo beispielsweise kann das Wasser 13 Meter steigen, am Mont Saint-Michel gar 15 Meter! Warum sind die Gezeiten in der Nord-Bretagne und der Normandie so extrem?

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Rein rechnerisch dürfte sich der Wasserstand der Ozeane lediglich um etwa einen halben Meter auf und ab bewegen. Die Wassermassen der Weltmeere «schwingen» jedoch permanent, ähnlich den Wellenbewegungen in einem kleinen Teich nach einem Steinwurf. An manchen Orten entstehen höhere Gezeitenwellen, an anderen beinahe keine. Es gibt sogar Orte ganz ohne Gezeiten: diese «Amphidromien» sind die Knotenpunkte der Schwingung der Gezeitenwellen.

Bei geringer Wassertiefe und in Meerengen – wie dem europäischen Ärmelkanal – schaukeln sich die Wassermassen zu extremen Höhen auf. In der grossen Bucht zwischen Bretagne und Normandie kann das Wasser innerhalb von sechs Stunden auf diese Weise um 15 Meter steigen und fallen. In der Fundy-Bucht in Kanada bewegt sich das Wasser bisweilen 17 Meter auf und ab.

Eine lange - sehr lange - Erforschung der Gezeiten...

Die Tiden mehrere Tage oder gar Monate im Voraus zu berechnen, gelang erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Seit der Renaissance haben einige der grössten Wissenschafter – Nikolaus Kopernikus, Johannes Kepler, Galileo Galilei oder Isaac Newton – die wichtigsten Puzzlesteine gefunden. Aber erst Daniel Bernoulli und Pierre Simon Laplace konnten diese zu einer plausiblen Gezeitentheorie zusammensetzen. Nun waren die Gezeiten hinrei-chend erklärbar und ihre voraussichtliche Stärke berechenbar. 1872 endlich erfand Lord Kelvin eine erste Gezeitenrechenmaschine für die Themse, den berühmten Tide Predictor. Seit den 1970er Jahren berechnen Computerprogramme die Tiden für die meisten Hafen und Küstengebiete der Erde.

Viele Gezeitenrhythmen...

Es gibt eine Unzahl von Rhythmen, die sich überlagern und miteinander wechselwirken . Deshalb sind die Gezeiten jeden Tag anders als am Tag zuvor. Je nachdem wie Erde, Mond und Sonne im Jahresverlauf zueinander «stehen», bilden sich immer neue Gezeitenkonstellationen. Diese Geometrien der Gestirne zueinander sind die Steuerungsräder der Gezeiten. Ob sich der Mond auf seiner elliptischen Bahn mal näher, mal entfernter zur Erde befindet oder ob er senkrecht zum Äquator steht oder nicht, ob sich die Bahnen von der Erde um die Sonne und die Bahn vom Mond um die Erde in derselben Ebene befinden oder davon abweichen, all dies hat grossen Einfluss auf die Stärke der Gezeitenkräfte.

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Wie gross ist der Einfluss des Mondes?

Der Mond wirkt auf uns. Er lässt uns romantisch in die Nacht blicken und von schönen Dingen träumen. Er inspiriert oder stört uns: Manche glauben, der Vollmond beraube sie des Schlafes oder beeinflusse ihre Konzertration bei der Arbeit. Ob es bloss das helle Licht mitten in der Nacht ist, oder vielleicht doch noch andere Kräfte? Erstaunlicherweise fühlt sich niemand durch den Neumond gestört, obwohl seine messbaren Kräfte denen des Vollmonds ebenbürtig sind. Statistisch belegen lassen sich die vermuteten Einflüsse des Vollmonds – mehr Unfälle, höhere Geburtenraten, steigende Kriminalität – nicht, und wissenschaftlich lässt sich auch kaum etwas finden, was vom Mond direkt auf uns wirkt.

Wie wirkt der Mond auf Tiere und Pflanzen?

Dennoch: Im Meer sind die Auswirkungen des Mondes auf die Tiere und Pflanzen deutlich. Viele Tier-arten laichen in direkter Abhängigkeit von der Mondphase, wie die Steinkorallen des australischen Great Barrier Reefs, die bei Vollmond alle gleichzeitig Eier und Spermien ausstossen, oder wie der Palolo-Wurm der Südsee, der – aufgepasst – jedes Jahr in der siebten Nacht nach dem ersten Voll-mond nach Herbstbeginn sein mit Eiern oder Spermien gefülltes Hinterende abgibt… Millionen dieser Hüllen platzen danach an der Meeresoberfläche und die Eizellen und Spermien finden sich.

Besondere Meeresspiegelschwankungen

Im Frühling und im Herbst – etwa zur Tag-Nacht-Gleiche – steigen die Fluten deutlich höher als üblich. Dann trifft die Achse zwischen Mond und Sonne die Erdachse senkrecht. Die Gezeitenkräfte sind nun maximal. Diese marées d’équinoxes – Äquinoktialtiden – überfluten das Umland, Strassen, Häfen oder gar Vorgärten. Nach einigen Minuten ist der Spuk wieder vorbei und das Wasser läuft langsam ab. Der Wasserspiegel sinkt bei Äquinoktialebbe auch tiefer als normal: Nun liegen plötzlich Strandabschnittte frei, die sonst permanent von Meerwasser überdeckt sind. Für Biologen oder pêcheurs à pied sind dies die besten und schönsten Gelegenheiten im Jahr, ganze besondere Tiere und Algen zu finden!

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Die vielen Rhythmen der Gezeitenkräfte

  • Erdentag siderisch: volle Umdrehung der Erde (gegen Fixstern): 23 Stunden 56 Minuten
  • Erdentag synodisch: scheinbarer Umlauf der Sonne oder Umdrehung gegen Sonne: 24 Stunden
  • Gezeitenzyklus: 24 Stunden 50 Minuten
  • Dauer von Mondpassage zu Mondpassage: 24 Stunden 50 Minuten
  • Mondumlauf um die Erde siderisch (gegen Fixstern): 27 Tage 8 Stunden
  • Lunation, Monat – Umlauf von Vollmond zu Vollmond: 29 Tage 12 Stunden und 44 Minuten
  • Jahr: Erdumlauf um die Sonne (schwach elliptisch) 365 Tage 6 Stunden
  • Umlauf der sich drehenden Ellipse der Mondbahn: 8.8 Jahre
  • Zyklus der taumelnden Achse der Mondbahn: 18 Jahre 224 Tage.

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