1. : Solar System (The Week 2020) / Sonnensystem
2. : Gravity and inertia act in opposition on the Earth’s oceans (NOAA 2020 a) / Gravitation und Trägheit wirken gegensätzlich auf die Ozeane der Erde
3. : Tide cycles (NOAA 2020 c) / Gezeitenzyklen
4. : Sun, Earth and Moon Model (Space Awareness 2020) / Sonne, Erde und Mond Modell
Gliederung
2b Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne
4 Ermittlung und Nutzung der Gezeiten
1 Einleitung
Die Erde wird stetig durch diverse astronomische Einflüsse geprägt, sei es durch verschiedene Strahlungspektren, feste Objekte ohne bestimmte Laufbahnen, oder eben die Gravitation. Diese besitzt eine unendliche Reichweite und lässt sich nicht abschirmen. Das gesamte Universum wird durch diese definiert und dominiert (Müller 2014). Sie ist außerdem verantwortlich für das Bestehen von Umlaufbahnen der Planeten und den damit einhergehenden generellen Erhalt unseres Sonnensystems (MinutePhysics o.J.)
In diesem Text wird das Wirkungsgeflecht der Gravitation von Erde, Mond und Sonne näher erläutert. Denn dieses hat essentielle, groß- und kleinräumige Prozesse zur Folge. So bewegen sich bspw. riesige Wassermassen unserer Ozeane und die Veränderungen können in Küstengebieten als Gezeiten beobachtet werden (Sumich 1996: 32). Dies ist in vielerlei Hinsicht wichtig, da diese Bereiche also unter ständig wechselndem Einfluss des Wassers stehen, dies spielt auch für den Menschen eine wesentliche Rolle.
2 Gravitation
2a Grundlagen
Die Gravitation ist eine bestimmende Kraft im Universum. Sie besteht grundsätzlich aus zwei Punktmassen, die im Folgenden durch die Planeten repräsentiert und durch das Newton’sche Gravitationsgesetz (17 Jhdt.) beschrieben werden:
F= (m1 x m2 / r^2) x G
m1 = Masse Objekt 1
m2 = Masse Objekt 2
r = Abstand zwischen den Mittelpunkten der Objekte
G = Gravitationskonstante 6,67 x 10-11 Nm2/ kg2
Dementsprechend haben Körper mit größeren Massen eine höhere Gravitationskraft, die Wirkung wird allerdings geringer, je weiter zwei Objekte voneinander entfernt sind (Dunkhase & Kersten 2006: 2, Thurman 1994: 252).
2b Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne
Die Schwerkraft bestimmt also die Beziehungen zwischen jeglichen Objekten, folglich auch die zwischen Erde, Mond und Sonne. Durch die in Kapitel 2.a dargestellte Formel wird deutlich, dass Distanz und Masse von Körpern eine essentielle Rolle bei der Bestimmung ihrer Wirkungskräfte spielen.
Der Mond befindet sich knapp 384,835 km von der Erde entfernt. Die Distanz von der Sonne bis zur Erde beträgt rund 148,785,000 km. Außerdem besitzt diese 27 Million Mal mehr Masse als der Mond, ist zudem allerdings auch 390 Mal so weit entfernt. Folglich besitzt die Sonne einen Anteil von knapp 45% der Kräfte des Mondes, welche auf die Erde wirken (NOAA 2020 f, Thurman 1994: 252).
3 Gezeiten
3a Grundlagen
Der Begriff der „Gezeiten“ muss zunächst näher definiert werden. Gäbe es keine Ozeane, so würden bspw. dennoch die Gezeiten der „festen Erde“ existieren (Baur 2002: 2). Im Folgenden werden die Ozeangezeiten, also die natürlichen Zyklen der relativen Verlagerungen von Wassermassen auf unserem Planeten, im Fokus stehen. Sie entstehen als Resultat der Anziehungskräfte von Sonne und Mond (NOAA 2020 e).
Gezeiten sind sehr langperiodische Wellen, sie haben ihren Ausgangspunkt in den Ozeanen und erscheinen uns als Abfall und Anstieg des Meeres, bzw. als Ebbe und Flut an den Küstengebieten. Die Höhenunterschiede werden dabei als Tidenhub definiert, die Bezeichnung „Gezeitenstrom“ beschreibt das Auf- und Absteigen des Wassers. Die stärksten Strömungsverhältnisse treten jeweils vor Ebbe und Flut auf, im offenen Ozean sind sie deutlich schwächer als in den küstennahen Bereichen (NOAA 2020 f).
3b Lunare Gezeiten
Ein Mondtag dauert, im Gegensatz zu der uns bekannten Definition eines Sonnentages von 24 h, 50 Minuten länger an. Denn er dreht sich in dieselbe Richtung um die Erde, wie diese sich um ihre eigene Achse dreht. So benötigt es also etwas mehr Zeit, bis der Mond über die gleiche Stelle der Erde rotiert ist (Sumich 1996: 33, Thurman 1994: 256).
Die physikalische Trägheit bzw. Zentrifugalkraft der Erde versucht grundsätzlich das Wasser auf der Stelle zu halten. Auf der dem Mond zugewandten Seite wirkt die Gravitationskraft des Mondes allerdings stärker, weshalb dies in einer Schwellung des Wassers in Richtung des Himmelskörpers resultiert. Trotz geringerer Anziehungskraft auf der dem Mond abgewandten Seite, verursacht durch eine vergrößerte Distanz, bildet sich auch dort ein Flutberg, da hier die Zentrifugalkraft dominiert (Dunkhase & Kersten 2006: 3).
3c Solare Gezeiten
Der Mond nimmt aufgrund der weitaus geringeren Distanz zur Erde eine übergeordnete Rolle ein, dennoch ist der Einfluss der Sonne nicht zu vernachlässigen. Die durch die Gravitationskräfte der Sonne verursachten Gezeiten werden allerdings nicht als separater Satz betrachtet, sondern vielmehr als eine Variation der lunaren Gezeiten (Thurman 1996: 252).
3d Lunisolare Gezeiten
Letztendlich wirken die Gravitationskräfte von Mond und Sonne gemeinsam und lassen so die für uns beobachtbaren, „lunisolaren“ Gezeiten entstehen. Durch die Rotation der Erde bewegt diese sich quasi unter dem Gezeitensystem hinweg (Dunkhase & Kersten 2006: 5) Essentiell sind dabei die periodischen Abläufe und zeitliche Variationen des Geschehens. Grundsätzlich kann zwischen drei verschiedenen Zyklen unterschieden werden:
Semi-diurnale (halbtägige) Gezeitenzyklen kennzeichnen sich durch jeweils zwei in etwa gleich hohe Ebben und Fluten. Treten gemischte (semi-diurnale) Gezeiten auf, so treten pro Tag auch jeweils zwei Ebben und Fluten auf, allerdings fällt deren Höhe dann differenzierter aus (Sumich 1996: 34). Die Periodendauer, also der Abstand zwischen jeweils zwei Ebben oder zwei Fluten, beträgt dabei 12 h und 25 min. Von einer Flut bis zur Ebbe dauert es also 6 h und 12,5 min (Dunkhase & Kersten 2006: 4). Diese Abfolgen sind weltweit am meisten verbreitet, wie in der Abbildung 3 zu erkennen. Dagegen erfahren Orte mit diurnalen, also ganztägigen Gezeiten Ebbe und Flut nur ein Mal pro Tag (NOAA 2018, Sumich 1996: 34), es dauert also 24 h bis der Hoch- oder Tiefpunkt des Wassers wieder erreicht ist (Thurman 1994: 263-264).
3e Zeitliche Varianzen
Da die Planeten sich nicht in Kreisen, sondern in Ellipsenbahnen bewegen und sich die relative Position bzw. Deklination zur Erde somit im Jahresverlauf ändert, unterscheiden sich die Distanzen zur Erde und somit auch die wirkenden Gravitationskräfte. Dies gilt sowohl für den Mond als auch für die Sonne, sodass Gezeiten differenziert auftreten. Spring- und Nipptiden sind Phänomene die jeweils zwei Mal pro Mondphase auftreten. Springtiden beschreiben die Resultate der Konstellation von Erde, Sonne und Mond in einer geraden Linie, wenn Voll- und Neumond auftreten. Die Kräfte addieren sich und resultieren in überdurchschnittlich hohen Fluten und unterdurchschnittlich niedrigen Ebben. Wenn die drei Himmelskörper in einem rechten Winkel zueinanderstehen und ein Halbmond erscheint, entstehen Nipptiden. Dabei hebt die Sonne die Kraft des Mondes in geringem Maße auf, sodass Fluten etwas niedriger und Ebben höher als im Durchschnitt ausfallen (NOAA 2020 d, Sumich 1996: 33, Thurman 1994: 256-257). Primär ist also die Sonne für die periodischen Schwankungen verantwortlich (Bundschuh et al. 1974: 120).
Der elliptische Pfad des Mondes um die Erde weist eine Variation des Abstandes von knapp 50.000 km auf. Das Perigäum beschreibt den Zeitpunkt im Monat, an dem der Mond der Erde am nächsten ist, wodurch die Gravitationskräfte wie auch die Gezeiten höher ausfallen als im Normalfall. Dem entgegengesetzt besteht zum Apogäum die größte Distanz, die Tidenwechsel bleiben geringer (Thurman 1994: 258).
Ähnliches gilt folglich auch für die Distanz zur Sonne, abhängig von der aktuellen Position der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Um den 2. Januar herum, zur Zeit des Perihel, ist der Planet dieser am nächsten, die Beeinflussung ist am stärksten. Mit dem Aphel Anfang Juli ist die Kraft dann am geringsten, da sich der Abstand der zwei Körper maximiert (Thurman 1994: 257).
Das Video „How Tides are formed“ im folgenden Link fasst die bisher aufgeführten Informationen weitestgehend zusammen: https://www.youtube.com/watch?v=GPVomM6DBAA
4 Ermittlung und Nutzung der Gezeiten
Wir können die Gezeiten aufgrund ihrer stetigen Periodizität vorhersagen. Um die Genauigkeit solcher Prognosen untersuchen zu können, werden Messungen, bspw. durch Satelliten, durchgeführt. So ermittelt der am 17 Januar 2016 gestartete Jason-3 Satellit unter anderem die ozeanische Topographie und lässt so Analysen bezüglich der Gezeiten zu. Er ist Teil des Copernicus-Programm und wird durch die internationale Zusammenarbeit von EUMETSAT; CNES, NOAA, NASA und der Europäischen Union gefördert (EUMETSAT 2020, NASA 2020). Als Folgeprojekt der Missionen TOPEX/Poseidon, Jason-1 und OSTM/Jason-2 trägt der Jason-3 Satellit neben der Beobachtung der Gezeiten auch dazu bei, die allgemeinen Erkenntnisse der physikalischen Ozeanographie in den Bereichen der Meeresspiegel-untersuchungen, Meeresmeteorologie, Geophysik und Geodäsie zu erweitern. Seine Mindestlaufzeit ist zunächst auf fünf Jahre begrenzt, welche bei erfolgreicher Anwendung aber auch noch verlängert werden kann. Jason-3 hat ein Wiederholungsintervall von 9,9 Tagen, was bedeutet, dass es diese Periode braucht, bis der Satellit die gleiche Stelle auf der Erde erneut observiert. Dabei beträgt die Genauigkeit der Meeresoberflächenmessung mindestens 3,4 cm, im Idealfall ist sie aber noch genauer. So werden statistische Analysen, Klima- und Ozeanzirkulationsmodelle sowie Schiffsführung und die maritime Industrie unterstützt. Auch Umweltgefahren können aus den gesammelten Informationen ermittelt werden (CNES et al. 2018: 1-10).
Ebenfalls werden weniger komplexe, lokale Systemmessungen und Analysen durchgeführt, so zum Beispiel an der Serinhaém-Flussmündung in Brasilien. Hier wird der Einfluss der Gezeiten auf Eben und Fluten im Fluss experimentell gemessen und mit bereits existierenden, allgemeinen Modellen verglichen. Dazu wurde das System TidalDuino entwickelt, welches als langfristiger Datenlogger fungiert (Cano et al. 2019: 490). Es wurden nur geringe Differenzen zu den theoretischen Voraussagen, sowie ein maximaler Verstärkungseffekt der Gezeiten von 1,33 in der Neumondphase, beobachtet (Cano et al. 2019: 494). Denn dies ist der Zeitpunkt, zu welchem sich Gravitationskräfte von Mond und Sonne addieren (vrgl. Kapitel 3.d). Aufgrund dieses Forschungsprojektes und der Abweichung von nur knapp 3% wird deutlich, dass Berechnungen und Modelle den wahren Werten der ozeanischen Gezeiten und deren Veränderungen sehr nahe liegen (Cano et al. 2019: 494). Solche Vorhersagen sind in vielerlei Hinsicht nützlich, sei es für Fischer, welche so ertragsreichere Fänge prognostizieren können, oder für Schwimmer und Surfer, welche so die Höhe der Wellen und Stärke der Strömungen besser einschätzen können.
Über den folgenden Link gelangen Sie zu einer Visualisierung der barotropischen globalen Ozeangezeiten, welche durch gesammelte Daten der zuvor genannten Satelliten angefertig werden konnte. Gezeitenniveaus und dessen Änderungen können so besser nachvollzogen werden: https://svs.gsfc.nasa.gov/4821
Wie auch andere natürliche Energiequellen gelten die Gezeiten als unerschöpfliche Ressourcen (Bundschuh et al. 1974: 120). Gezeitenkraftwerke nutzen die regenerative Energie der wechselnden Wasserspiegel. Dabei wird eine Bucht an der Küste durch einen Damm mit integrierten Wasserturbinen getrennt, welche dann die kinetische Energie des Wassers in Elektrizität umwandeln und verfügbar machen können. Ein Tidenhub von mindestens 5 m ist dafür erforderlich (Dunkhase & Kersten 2006: 10).
Problematisch ist vor allem die Unreife der Forschung in diesem Bereich. Denn weltweit wurden nur wenige Projekte zur Wellen- und Gezeitenenergie durchgeführt, bisher hat Europa diesbezüglich die größten Fortschritte gemacht und verschiedene Prototypen getestet. Außerdem spiegeln die hohen Kosten trotz eingeschränkter Nutzbarkeit im Jahresverlauf, fehlende Sicherheit gekoppelt an wenig Vertrauen potentieller Investoren, sowie viele weitere Herausforderungen die Komplexität des Ganzen wider (Rusu & Venugopal 2019: 1). Kritisch ist auch, dass nur ein geringer Teil der potentiell vorhandenen Energie genutzt werden kann (Bundschuh et al. 1974: 121). Trotzdem wird weiterhin am Wachstum des Sektors gearbeitet (Rusu & Venugopal 2019:1-3). Denn wenn wir herausfinden können wie die Gezeiten effektiv zu nutzen sind, so wäre es in Zukunft möglich zumindest einen Teil unseres Energiebedarfs durch diese saubere Energie zu decken.
Bisher verfügen nur einige wenige geeignete Standorte weltweit über Gezeitenkraftwerke, es folgt eine Auflistung der fünf größten Einrichtungen inklusive der maximal geförderten Energiemengen in Megawatt:
- Sihwa Lake Tidal Power Station, South Korea – 254 MW
- La Rance Tidal Power Plant, France – 240 MW
- Swansea Bay Tidal Lagoon, UK – 240 MW
- MeyGen Tidal Energy Project, Scotland – 86 MW
- Annapolis Royal Generating Station, Canada – 20MW (PowerTechnology 2020, U.S. Energy Information Administration 2020)
5 Fazit
Die Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne kennzeichnet sich also durch eine besondere Wirkung auf irdische Prozesse. Ohne das Zusammenspiel der planetaren Massen und ihrer Kräfte, wäre das Leben, wie es heute auf der Erde existiert, nicht möglich. Die Wirkung der Gravitationskräfte ist durch die Parameter Masse und Distanz zur Erde, sowie die bekannte zeitliche Variation der letzteren und daraus resultierende Gezeitenänderungen, vorherzusagen. Dies ist primär für Küstengebiete interessant, macht es der Menschheit aber auch möglich, diese regenerative Energiequelle in Form von umgewandelter Elektrizität durch Gezeitenkraftwerke zu nutzen.
Quellenverzeichnis
Amit Sengupta (2018): How Tides are Formed – Low, High, Neap, Spring Tide | Geography UPSC IAS https://www.youtube.com/watch?v=GPVomM6DBAA [09.01.21]
Baur, O. (2002): Ozeangezeitenlösung aus Bahnstörungen erdnaher Satelliten. Stuttgart https://www.gis.uni-stuttgart.de/lehre/abschlussarbeiten/MSc/BAUR_2002_a.pdf [02.02.21]
Bikos, K., Hocken, V., Jones, G. (2021): What causes tides? https://www.timeanddate.com/astronomy/moon/tides.html. In timeanddate.com (Hg.): The Moon 4. The Moon’s Effect on Tides [04.03.21] [04.03.21]
Bundschuh, V., Meliß, M., Oesterwind, D., Voss, A. (1974): Andere Primärenergiequellen https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/8106/1/vos8.pdf [02.02.21]
Cano, M. E., Estrada, J. C., Ferreira, E. S., Leyva-Cruz, J. A., Mena, E. A., Quintero, L. H., Santana, R. G., Paz, J. A. (2019): Determining the gravitational effects on tide height on on an estuary and theoretical comparison. https://doi.org/10.31349/RevMexFis.65.489 [17.02.21]
Dunkhase, F., Kersten J. (2006): Erdmessung ||| – Vortrag. Die Gezeiten https://misc.gis.tu-berlin.de/igg/htdocs-kw/fileadmin/Daten_MCA/EM3/Gezeiten.pdf [17.02.21]
CNES, EUMETSAT, JPL, NOAA/NESDIS (2018): Jason-3 Products Handbook https://www.ospo.noaa.gov/Products/documents/hdbk_j3.pdf [17.02.21]
European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (2020): Jason Series. https://www.eumetsat.int/our-satellites/jason-series [17.02.21]
Green and Growing (2018): Tidal Energy: Definition, Concepts, and Facts you should know. https://www.greenandgrowing.org/tidal-energy-definition-facts/ [06.03.21]
MinutePhysics (o.J.): Understand how the Earth remain stable in orbit around the sun.In: Britannica (2021): Orbit https://www.britannica.com/science/orbit-astronomy [07.01.21]
Müller, A. (2014): Gravitation. In: Spektrum (2014): Lexikon der Astronomie. https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/gravitation/150 [05.01.21]
National Aeronautics and Space Administration (2020): Barotropic Global Ocean Tides. https://svs.gsfc.nasa.gov/4821 [15.02.21]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020): Frequency of tides – The lunar day. In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides05_lunarday.html [04.03.21]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 a): Gravity, Inertia and the Two Buldges. In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides03_gravity.html [04.03.21]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2018): How many tides are there per day? https://oceanservice.noaa.gov/facts/high-tide.html [28.12.20]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 b): Tidal Variations – The Influence of Position and Distance. In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides06_variations.html [05.01.21]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 c): Times and Causes of Tidal Cycles. In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides07_cycles.html [21.12.20]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 d): What are spring and neap tides? https://oceanservice.noaa.gov/facts/springtide.html [27.12.20]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 e): What are tides? https://oceanservice.noaa.gov/facts/tides.html [28.12.20]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 f): What are tides? In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides01_intro.html [21.12.20]
National Oceanic and Atmospheric Administration (2020 g): What causes tides? In: Tides and Water levels https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/tides02_cause.html [04.01.21]
PowerTechnology (2020): Tidal giants – the world’s five biggest tidal power plants. https://www.power-technology.com/features/featuretidal-giants-the-worlds-five-biggest-tidal-power-plants-4211218/ [14.02.21]
Rusu, E., Venugopal, V. (2019): Special Issue „Offshore Renewable Energy: Ocean Waves, Tides and Offshore Wind“ https://www.mdpi.com/1996-1073/12/1/182/pdf/1 [17.02.21]
Shirah, G. (2020): Barotopric Global Ocean Tides. In Goddard Space Flight Center und National Aeronautics and Space Administration (Hg.): Barotropic Global Ocean tides. https://svs.gsfc.nasa.gov/4821 [04.03.21]
Space Awareness (2020): Sun, Earth and Moon Model http://www.space-awareness.org/en/activities/1614/sun-earth-and-moon-model/ [09.01.21]
Sumich, J. L. (1996): An introduction to the biology of marine life. S. 32-35
The Week (2020): 139 new dwarf planets found in our solar system https://www.theweek.in/news/sci-tech/2020/03/12/139-new-dwarf-planets-found-in-our-solar-system.html [09.01.21]
Thurman, H. V. (1994): Introductory Oceanography. Aufl. 7. S. 252-276
U.S. Energy Information Administration (2020): Hydropower explained. Tidal power https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/tidal-power.php [03.01.21]
