Die kleine Gezeitenkunde E-Book

Rainer Lüthje

• Herausgeber: Delius Klasing
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Dieses Buch von Rainer Lüthje widmet sich dem faszinierenden Phänomen der Gezeiten. Es behandelt nicht nur die physikalischen Grundlagen, sondern auch die Besonderheiten an deutschen Küsten. Der Autor geht auf verschiedene Aspekte ein, darunter die Entstehung der Gezeiten, die astronomischen Auswirkungen sowie die örtlichen und regionalen Einflüsse. Zudem werden Gezeitenströme, Begriffe und Abkürzungen aus der Gezeitenkunde, Vorausberechnungen sowie die praktische Anwendung von Gezeitenkalendern und Gezeitentafeln behandelt. Ursprünglich als Unterrichtsskript für den Lehrgang zum Seevermessungstechniker konzipiert, wurde der Inhalt kontinuierlich erweitert und verbessert. Durch anschauliche Bilder, verständliche Illustrationen und gut nachvollziehbare Texte vermittelt der Autor dem Leser das Wissen über das tägliche Steigen und Fallen des Wassers. Dabei werden nicht nur die verwendeten Abkürzungen erklärt, sondern auch die Vorausberechnungen der Gezeiten und die korrekte Nutzung von Gezeitenkalendern und Gezeitentafeln anhand von Beispielen verdeutlicht. Rainer Lüthje, Diplom-Ingenieur und Mitarbeiter im Gezeitendienst des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie, ist einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Gezeiten. Seine langjährige Erfahrung und sein Fachwissen machen dieses Buch zu einer unverzichtbaren Ressource für alle, die die Geheimnisse der Gezeitenwelt entschlüsseln möchten. Egal ob Küstenbewohner, Gewässerkundler, Sportbootfahrer oder Tourist - dieses aufschlussreiche Werk bietet allen Interessierten einen umfassenden Einblick in das faszinierende Phänomen der Gezeiten.

Leseprobe

PRAXISWISSEN

RAINER LÜTHJE

DIE KLEINE GEZEITENKUNDE

EBBE UND FLUT EINFACH ERKLÄRT

DELIUS KLASING VERLAG

Inhalt

Vorwort

1 Entstehung der Gezeiten

1.1 Allgemeine Beschreibung der Gezeitenerscheinungen

1.2 Massenanziehung (Gravitationskraft)

1.3 Gezeitenerzeugende Kräfte

1.4 Gezeiten in den Ozeanen

1.5 Gezeiteneinflüsse des Mondes, der Sonne und der Planeten auf die Erde

2 Astronomische Auswirkungen auf die Gezeiten

2.1 Tägliche Verspätung, Erde/Mond

2.2 Tägliche Höhenunterschiede, Erde/Mond

2.3 Halbmonatlicher Wechsel von Vollmond zu Neumond, Mondphasen

2.4 Jährliche Höhenunterschiede, Erde/Sonne

2.4.1 Ellipsenförmige Umlaufbahn

2.4.2 Geneigte Erdachse

2.5 Langzeitliche Drehung der Mondumlaufbahnebene

2.6 Langzeitliche Drehung der Mondknotenlinie

3 Gezeitenwellen und deren Veränderungen

3.1 Wasserwellen

3.2 Gezeitenwellen

3.3 Ungestörte lange Wellen (fortschreitende lange Wellen)

3.4 Reflexion von langen Wellen

3.5 Corioliskraft

3.6 Drehwelle

3.7 Reibung

4 Örtliche und regionale Auswirkungen auf die Gezeiten

4.1 Springverspätung

4.2 Beeinflussung der Gezeitenerscheinungen durch das Wetter

4.3 Wasserstands- und Pegeldaten im Internet

4.4 Besonderheiten in Rand- und Nebenmeeren

4.5 Auswahl von Orten mit großem mittleren Tidenhub

4.6 Resonanzen in Buchten und Flüssen

4.7 Vergleich von Seekartennullwerten und der Tidenhübe deutscher Bezugsorte

5 Gezeitenströme

5.1 Allgemeine Beschreibung der Gezeitenströme

5.2 Gezeitenstromerscheinungen

5.3 Gezeitenströme und die Schifffahrt

6 Begriffe und Abkürzungen aus der Gezeitenkunde

6.1 Erläuterungen der Gezeitengrundwerte und sonstiger Begriffe

6.2 Bezugsflächen

6.3 Unterschiedliche Zeitangaben

6.4 Unterschied zwischen BSH- und WSV-Begriffen

7 Vorausberechnungen

7.1 Vorausberechnungen für die deutsche Nordseeküste

7.2 Harmonisches Verfahren

7.3 Non-harmonisches Verfahren

7.4 Charakteristiken der Gezeiten

8 Gezeitenkalender und Gezeitentafeln

8.1 Gebrauch des Gezeitenkalenders und der deutschen Gezeitentafeln

8.2 Gezeitenkalender

8.3 Gezeitentafeln

8.4 Genauigkeiten der Gezeitenwerte

9 Benutzung des Gezeitenkalenders

9.1 Vorausberechnungen für einen Ort ermitteln

9.1.1 Vorausberechnungen ➜ Bezugsort

9.1.2 Vorausberechnungen ➜ Anschlussort

9.2 Mittlere Laufzeiten der Hoch- bzw. Niedrigwasserwelle zwischen zwei Orten

9.3 Mondphasen, Spring- (Sp), Mitt (M)- und Nippzeiten (Np)

9.4 Mittlere Hoch- und Niedrigwasserhöhen und Tidenhübe

9.4.1 Mittlere Hoch- (MHW) und Niedrigwasser (MNW)

9.4.2 Mittlerer Tidenhub (MTH)

9.5 Bezugsniveau

9.6 Auf- und Untergangszeiten von Sonne und Mond

9.7 Beobachtete höchste und niedrigste Hoch- und Niedrigwasserstände

9.8 Anwendung der täglichen Wasserstandsvorhersage des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH)

10 Benutzung der Gezeitentafeln

10.1 Vorausberechnungen für einen Ort ermitteln

10.1.1 Vorausberechnungen ➜ Bezugsort

10.1.2 Vorausberechnungen ➜ Anschlussort

10.2 Gezeitengrundwerte für einen Ort ermitteln

10.2.1 Gezeitengrundwerte ➜ Bezugsort

10.2.2 Gezeitengrundwerte ➜ Anschlussort

10.3 Anwendung der Wasserstandsvorhersage des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), Hamburg

10.3.1 Wasserstand ➜ Bezugsort

10.4 Höhe der Gezeit (HG) zu einem bestimmten Zeitpunkt ermitteln

10.4.1 Höhe der Gezeit (HG) zu einem bestimmten Zeitpunkt ➜ Bezugsort

10.4.2 Höhe der Gezeit (HG) zu einem bestimmten Zeitpunkt ➜ Anschlussort

10.5 Zeit zu einer bestimmten Höhe der Gezeit (HG) ermitteln

10.5.1 Zeit zu einer bestimmten Höhe der Gezeit (HG) ➜ Bezugsorte

10.5.2 Zeit zu einer bestimmten Höhe der Gezeit (HG) ➜ Anschlussort

Literaturverzeichnis

Danksagung

Vorwort

Die Gezeiten sind ein beeindruckendes Naturschauspiel, und die meisten von Ihnen haben sicherlich schon einmal das tägliche Steigen und Fallen des Wassers an den Küsten der Meere oder Ozeane beobachten können. Dieses Ereignis wirft aber auch einige Fragen auf. Wie kommen diese Erscheinungen zustande? Wieso sind die Auswirkungen der Gezeiten von Ort zu Ort verschieden? Welche Bedeutung haben die Gezeiten für die Küstenbewohner und für die Schifffahrt? Wofür braucht man die Gezeitentafeln oder einen Gezeitenkalender?

Dieses Buch ist aus einem Skript für den Unterricht im Rahmen eines Lehrgangs für angehende Seevermessungstechniker im Jahr 2006 entstanden. Seitdem wurde der Inhalt bedingt durch viele in der täglichen Praxis gestellte Fragen über die Jahre ergänzt, erweitert und verbessert.

Es soll helfen, die Gezeitenphänomene so weit zu verstehen, wie es für die Praxis notwendig ist. Dieses Buch hat nicht den Anspruch einer wissenschaftlichen Veröffentlichung oder auf Vollständigkeit. Daher sind die Beschreibungen und Grafiken sehr einfach gehalten und teilweise stark übertrieben. Auf komplizierte Formeln und Beweisführungen wurde bewusst verzichtet. Zielgruppe dieses Buches sind die täglich betroffenen Menschen an der Küste, Besatzungen auf den Schiffen, Gewässerkundler in den Wasserstraßen- und Schifffahrtsämtern sowie Sportbootfahrer. Es soll zugleich als Unterrichtsunterlage für die Ausbildung von angehenden Wassersportlern dienen.

Wer tiefer in das Thema Gezeiten einsteigen möchte, kann dies mithilfe der zahlreichen wissenschaftlichen Literatur und der weiterführenden Literatur, die am Ende dieses Buchs im Literaturverzeichnis aufgeführt ist, tun. Zudem ist das Thema Gezeiten auf der Internetseite des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) unter der Rubrik THEMEN • WASSERSTAND UND GEZEITEN • GEZEITEN beschrieben.

Rainer Lüthje

1 Entstehung der Gezeiten

1.1 Allgemeine Beschreibung der Gezeitenerscheinungen

Das regelmäßige Heben und Senken der Wasser- und Landmassen wird als Gezeiten bezeichnet. Deren Erscheinungen wurden schon von den Römern beschrieben, als sie sich zum Nordatlantik und zur Nordsee vorwagten.

Im 17. Jahrhundert ist aus dem mittelniederdeutschen Wort »Getide« (festgesetzte Zeit) das Wort Gezeiten entstanden. Die Gezeitenerscheinungen treten allerdings nicht in allen Meeresgebieten der Erde in gleicher Form auf. Die Gezeitenkräfte sind so klein, dass ihre Wirkung selbst auf großen Binnenseen nur mit erheblichem Aufwand messbar ist. Erst auf den Ozeanen sind die Gezeitenbewegungen merklich zu erkennen (mittlerer Tidenhub 0,8 m). Die periodischen Änderungen der Stellung der gezeitenerzeugenden Gestirne zur Erde führen zusammen mit der Trägheit des Wassers, der Reibung und der Ablenkung durch die Erddrehung zu sehr komplizierten und örtlich sehr unterschiedlichen Gezeitenbewegungen. Die Gezeitenwellen nehmen bei den auftretenden Wellen in allen Meeren eine Sonderstellung ein und bedürfen daher einer eigenen Betrachtung. Sie gehören zu den fortschreitenden langen Wellen, die sich durch Umformungen zu stehenden langen Wellen oder Drehwellen verändern können. Bei den halbtägigen Gezeitenwellen kann die Wellenlänge in flachen Gewässern wie z. B. der Nordsee mehrere hundert Kilometer lang sein. Das bedeutet, dass die Wellen im Verhältnis zu ihrer Länge sehr flach sind.

Hoch- und Niedrigwasser in der Hamburger Deichstraße.

Wie schon gesagt wird das abwechselnde Steigen und Fallen des Wasserstandes Gezeiten genannt. Dagegen wird das waagerechte Hin- und Herströmen der Wasserteilchen als Gezeitenstrom bezeichnet. Die Gezeiten und die Gezeitenströme treten in Abhängigkeit vom jeweiligen Ort in regelmäßiger etwa halb- oder eintägiger Wiederkehr auf.

1.2 Massenanziehung (Gravitationskraft)

Im Jahre 1687 beschrieb Isaac Newton das allgemeine Gravitationsgesetz. Darin wird die Gravitation (Schwerkraft) grundsätzlich als Anziehungskraft beschrieben.

Die Himmelsmechanik ist die aus der Physik stammende Lehre der Bewegungen von astronomischen Objekten. Dazu gehört unter anderem die Gravitationskraft, die auf jeden Körper wirkt. Die Gravitationskraft ist die wichtigste Kraft im Universum, sie ist der Antrieb aller Bewegungsänderungen.

Das Newton’sche Gravitationsgesetz beinhaltet folgende Aussage:

Jede Masse

M1

zieht eine andere Masse

M2

mit einer Kraft

F

G

an

.

Die Stärke der Kraft

F

G

ist proportional zum Produkt von den jeweiligen Massen

M1

und

M2

.

Die Stärke der Kraft

F

G

nimmt mit dem Quadrat des Abstands

D

der Massen

M1

und

M2

zueinander ab

.

In einer Formel ausgedrückt:

FGγM1 × M2D2

Gravitationskonstanteγ0,0000000000667 [m3kg s2]

FG[kg ms2],M [kg],D [m]

Isaac Newton.

In der unteren Grafik sind die beiden Massen gleichgeblieben, während sich die Entfernung zwischen ihnen verringert hat. Die beiden Körper M1 und M2 ziehen sich gegenseitig mit einer jeweils betragsmäßig gleichen Kraft FG an. Das hat zur Folge, dass sich die Anziehungskräfte absolut vergrößert haben.

1.3 Gezeitenerzeugende Kräfte

Warum gibt es jeden Tag Hoch- und Niedrigwasser? Woher kommen die Gezeiten? Was ist deren Ursprung?

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, müssen wir uns mit der Astronomie, genauer dem Teilgebiet der Himmelsmechanik beschäftigen. Aus der Wechselwirkung der Gravitationskraft (Massenanziehung) von Himmelskörpern und deren Bahnbewegungen entstehen die Gezeiten.

Die Gravitationskräfte von Mond und Erde bewirken eine gegenseitige Anziehung beider Körper. Diese Anziehung ruft eine »Dehnungskraft« oder eine Gezeitenkraft an jedem Punkt der Erde hervor. Die Massen von Mond und Erde sind eine feste Größe, die sich nicht ändert. Im vorherigen Kapitel haben wir gelernt, dass für die Gravitationskraft auch die Entfernung entscheidend ist. Das bedeutet, dass die mondzugewandte Seite auf der Erde eine stärkere Gravitationsbeschleunigung a durch den Mond erfährt als die mondabgewandte Seite.

Formel der Gravitationsbeschleunigung a:

a1FGM1 [m/s2]

Die Differenzen der Anziehungskräfte zwischen der Mitte S des Erdkörpers und einem beliebigen Punkt auf der Erde (A–D) werden als die verbleibenden gezeitenerzeugenden Kräfte FG bezeichnet. Anders ausgedrückt ist die Gezeitenkraft FG die Differenz aus den unterschiedlichen örtlichen Anziehungskräften.

Eine Zerlegung der Anziehungskräfte A-D und S in Kräftevektoren FG ergibt folgende Bewegungen:

Wenn diese verbleibenden gezeitenerzeugenden Kräfte auf eine vollständig mit Wasser bedeckte Erde übertragen werden, entstehen jeweils zwei »Wasserberge« und zwei »Wassertäler«. Aus der kreisrunden Form wird etwa eine Ellipsenform (Rugbyball).

Annahme:Die Erde ist vollständig mit Wasser bedeckt

Das gleiche gilt auch für die Anziehungskräfte zwischen Sonne und Erde.

In der bisherigen Betrachtung der gezeitenerzeugenden Kräfte wurde die Erddrehung um die eigene Achse außer Acht gelassen. Sie hat tatsächlich auch keinen Einfluss auf die Entstehung dieser Kräfte. Nur für einen Beobachter auf der Erde ergibt sich durch die Drehung ein periodischer Verlauf der gleichen gezeitenerzeugenden Kräfte des Mondes (siehe Abbildung), d. h. durch die Erddrehung wird der »Wellenberg« nur positionell verlagert.

Verteilung der horizontalen Komponenten der gezeitenerzeugenden Kräfte. Im Zenit Z steht der Mond über dem Äquator

.

1.4 Gezeiten in den Ozeanen

Die Erde ist strenggenommen keine Kugel, und ihre Oberfläche ist mit Kontinenten und Ozeanen bedeckt. Durch die unterschiedlichen Anziehungskräfte wird die Erde gestreckt bzw. gedehnt. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die Gezeitenkräfte so gering sind, dass die eher festen Landmassen sich kaum ausdehnen. Dagegen kann das flüssige Wasser der Ozeane stärker auf die Gezeitenkräfte reagieren.

Die Wasseroberfläche der Ozeane ist stets bestrebt, sich senkrecht zur Anziehungskraft (Schwerkraft) der Erde (Erdmittelpunkt) auszurichten.

Die Anziehungskraft des Mondes stört permanent die Schwerkraft der Erde. Durch die Erddrehung und den Lauf des Mondes nimmt die Stärke der Schwerkraftstörung ständig eine andere Ausrichtung zu jedem Punkt auf der Erde ein. Das bedeutet, dass sich laufend die Richtung und die Entfernung zum Mond verändert. Durch diese variierenden Schwerkraftstörungen finden Anhäufungen und ein Abziehen der Wassermassen statt, und die Wasseroberfläche hebt und senkt sich.

Praktisch folgen die Wassermassen nicht dem »Lauf des Mondes«, sondern werden zum Hin- und Herschwingen innerhalb der Ozeane angeregt.

Die Ozeane bestehen aus vielen eigenständigen Meeresbecken, die mehr oder weniger miteinander verbunden sind. Das hat zur Folge, dass die wiederholenden Schwerkraftstörungen durch Mond und Sonne im Gesamtsystem der Ozeane und der Kleinmeere in erdumspannenden pulsierenden Gezeitenwellen laufen.

1.5 Gezeiteneinflüsse des Mondes, der Sonne und der Planeten auf die Erde

*

Seit August 2016 hat Pluto den Status Zwergplanet

.

Gezeiteneinflüsse des Mondes, der Sonne und der Planeten in %