Gezeiten - Physik
Gezeiten - Physik
Gezeiten - Physik
Einleitung
Die Gezeiten sind das regelmäßige Steigen und Fallen des Meeresspiegels. Im Alltag heißen die Phasen Flut und Ebbe. Physikalisch entstehen Gezeiten vor allem dadurch, dass die Gravitationswirkung des Mondes nicht an jedem Punkt der Erde gleich groß ist. Auch die Sonne wirkt mit.
Dieser aiMOOC zeigt Dir ein vereinfachtes, aber physikalisch tragfähiges Modell. Du lernst außerdem, warum die wirklichen Gezeiten an Küsten komplizierter sind als zwei starre Wasserberge.
Ebbe in Südwesthörn: Ein Teil des Meeresbodens liegt trocken.
Flut am gleichen Ort: Der Wasserstand ist deutlich höher.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du die Begriffe Ebbe, Flut, Hochwasser, Niedrigwasser und Tidenhub unterscheiden. Du kannst die Gezeiten mit dem Gravitationsgesetz erklären, Spring- und Nipptide einordnen, eine einfache Formel zur Gezeitenkraft deuten und begründen, warum Küstenform und Meerestiefe den tatsächlichen Verlauf verändern.
Grundbegriffe
Flut ist der Zeitraum mit steigendem Wasserstand. Ebbe ist der Zeitraum mit fallendem Wasserstand. Hochwasser bezeichnet den höchsten, Niedrigwasser den tiefsten Wasserstand eines Gezeitenzyklus. Der Tidenhub ist die Höhendifferenz zwischen Hoch- und Niedrigwasser.
Eine vollständige Wiederkehr von einem Hochwasser zum nächsten Hochwasser oder von einem Niedrigwasser zum nächsten Niedrigwasser heißt Tide. An vielen Küsten gibt es in einem Mondtag zwei Hochwasser und zwei Niedrigwasser.
Die Kurve zeigt: Ebbe und Flut sind Zeitabschnitte. Hochwasser und Niedrigwasser sind Zeitpunkte beziehungsweise Umkehrbereiche.
Zeitlicher Rhythmus
Ein mittlerer Mondtag dauert etwa 24 Stunden und 50 Minuten. Deshalb beträgt der mittlere Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hochwassern bei einer halbtägigen Tide ungefähr 12 Stunden und 25 Minuten. Die Hochwasserzeit verschiebt sich gegenüber dem vorherigen Sonnentag im Mittel um rund 50 Minuten.
Das ist ein Mittelwert. Wind, Luftdruck, Küstenform und die Ausbreitung der Gezeitenwelle können den beobachteten Wasserstand und den genauen Zeitpunkt verändern.
Physikalische Ursache
Gravitation ist ortsabhängig
Nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz gilt für die Anziehungskraft zwischen zwei Massen:
Dabei ist die Gravitationskonstante, die Masse des anziehenden Körpers, die betrachtete Masse und ihr Abstand.
Die mondzugewandte Erdseite ist dem Mond näher als der Erdmittelpunkt. Dort ist die Mondanziehung etwas stärker. Die mondabgewandte Seite ist weiter entfernt. Dort ist sie etwas schwächer. Entscheidend ist also nicht nur die Anziehung selbst, sondern ihr Unterschied über den Erddurchmesser.
Die dünnen Pfeile stellen die Gravitationswirkung des Mondes dar. Die dicken Pfeile zeigen das daraus abgeleitete Gezeitenfeld relativ zum Erdmittelpunkt.
Warum entstehen zwei Flutberge?
Erde und Mond bewegen sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Alle Teile der Erde nehmen an dieser Bewegung teil. Auf der mondzugewandten Seite ist die Beschleunigung zum Mond stärker als im Erdmittelpunkt. Relativ zur Erde wird Wasser daher etwas mondwärts verlagert.
Auf der mondabgewandten Seite ist die Mondanziehung schwächer als im Erdmittelpunkt. Gegenüber der Bewegung des Erdmittelpunkts bleibt das Wasser dort etwas zurück. Im mitbewegten Bezugssystem wird dieser Effekt häufig mit einer Trägheits- oder Zentrifugalwirkung beschrieben. So ergibt sich auch auf der abgewandten Seite eine Aufwölbung.
Das Bild ist ein Modell. Die wirklichen Ozeane bilden keine starren, jederzeit genau auf den Mond gerichteten Wasserberge.
Näherung für die Gezeitenbeschleunigung
Für einen Körper der Masse in großer Entfernung kann die Größenordnung der Gezeitenbeschleunigung über einen Erdradius näherungsweise beschrieben werden durch:
Wichtig ist die Abhängigkeit
Die Gezeitenwirkung nimmt also ungefähr mit der dritten Potenz des Abstands ab. Verdoppelt sich der Abstand, sinkt die Gezeitenwirkung im Modell auf ein Achtel. Darum erzeugt der viel nähere Mond trotz seiner wesentlich kleineren Masse eine etwa doppelt so große Gezeitenwirkung wie die Sonne.
Sonne, Mond und Mondphasen
Springtide
Bei Neumond und Vollmond liegen Sonne, Erde und Mond annähernd auf einer Linie. Die Gezeitenwirkungen von Sonne und Mond verstärken sich. Der Tidenhub ist dann besonders groß. Das heißt Springtide. Das Wort hat nichts mit der Jahreszeit Frühling zu tun.
Nipptide
Bei erstem und letztem Viertel stehen die Richtungen zu Sonne und Mond von der Erde aus ungefähr senkrecht aufeinander. Die beiden Gezeitenwirkungen schwächen sich teilweise ab. Der Tidenhub ist kleiner. Das heißt Nipptide.
Die Abbildung ordnet Spring- und Nipptide den Mondphasen zu. In echten Küstengewässern können die größten und kleinsten Tidenhübe zeitlich etwas verzögert auftreten.
Von der Modellvorstellung zur wirklichen Tide
Gezeiten sind lange Wellen
Die Ozeane reagieren auf die periodische Anregung durch Mond und Sonne wie große, miteinander verbundene Schwingungssysteme. Die Gezeit breitet sich als sehr lange Welle durch die Meeresbecken aus. Kontinente stoppen oder lenken diese Bewegung.
Die Corioliskraft, Reibung am Meeresboden, Wassertiefe, Küstenform und Resonanz verändern Phase und Amplitude. Deshalb tritt Hochwasser nicht überall gleichzeitig auf und der Tidenhub kann von Ort zu Ort stark verschieden sein.
Datei:Global surface elevation of M2 ocean tide.webm
Die Animation zeigt eine berechnete globale Hauptkomponente der halbtägigen Tide. Sie macht sichtbar, dass sich die Wasserstandsänderung als Wellenmuster über die Ozeane bewegt.
Amphidromische Systeme
In vielen Meeresbecken läuft die Gezeitenwelle um sogenannte amphidromische Punkte. Direkt an einem idealen amphidromischen Punkt ist der Tidenhub sehr klein. Mit zunehmender Entfernung kann er größer werden. Linien gleicher Hochwasserzeit heißen Kotidallinien.
Die Karte stellt die wichtigste halbtägige Gezeitenkomponente dar. Die Linien zeigen gleiche Gezeitenphase; die Umläufe markieren amphidromische Systeme.
Halbtägige, eintägige und gemischte Tide
Bei einer halbtägigen Tide treten meist zwei Hoch- und zwei Niedrigwasser pro Mondtag auf. Bei einer eintägigen Tide gibt es meist nur je eines. Bei einer gemischten Tide sind die aufeinanderfolgenden Hoch- oder Niedrigwasser deutlich verschieden hoch. Welcher Typ vorherrscht, hängt besonders vom Meeresbecken und von der geografischen Lage ab.
Messen und Vorhersagen
Ein Pegel misst den Wasserstand über der Zeit. Aus langen Messreihen werden regelmäßige Schwingungsanteile bestimmt. Ihre Überlagerung ermöglicht Gezeitenvorausberechnungen. Wetterbedingte Einflüsse müssen zusätzlich berücksichtigt werden.
Für Schifffahrt, Häfen, Küstenschutz und Wattwanderungen sind Hochwasserzeit, Niedrigwasserzeit, Tidenhub und Gezeitenstrom wichtig. Eine Gezeitentafel ist eine Vorhersage und ersetzt bei Gefahr nicht die aktuellen amtlichen Warnungen.
Ein einfaches Datenmodell
Eine einzelne ideale Tide lässt sich näherungsweise als Sinusschwingung schreiben:
ist der mittlere Wasserstand, die Amplitude, die Periodendauer und die Phase. Der ideale Tidenhub beträgt in diesem einfachen Modell .
Wirkliche Pegelkurven sind eine Überlagerung vieler Schwingungsanteile. Zusätzlich können Wind und Luftdruck den Wasserstand erhöhen oder senken.
Wirkungen und Anwendungen
Gezeiten bewegen große Wassermassen und erzeugen Gezeitenströme. Sie formen Wattflächen, transportieren Sedimente und bestimmen den Rhythmus vieler Küstenlebewesen.
Die Aktivität vieler Wattorganismen ist an den Wechsel von Überflutung und Trockenfallen angepasst.
Gezeitenkraftwerke nutzen Höhenunterschiede oder Strömungen zur Energiegewinnung. Die Energie ist gut vorhersagbar, geeignete Standorte sind jedoch begrenzt. Bauwerke können Strömung, Sedimenttransport und Lebensräume verändern.
Durch Gezeitenreibung wird langfristig Rotationsenergie der Erde in Wärme umgewandelt und Drehimpuls im Erde-Mond-System übertragen. Dadurch verändert sich das System über sehr lange Zeiträume.
Typische Fehlvorstellungen
„Der Mond zieht nur das Wasser direkt unter sich hoch.“ Das ist unvollständig. Entscheidend ist der Unterschied der Mondanziehung über die ganze Erde; deshalb gibt es im Modell zwei Aufwölbungen.
„Flut bedeutet immer Hochwasser.“ Flut ist der ansteigende Zeitraum. Hochwasser ist der höchste Wasserstand.
„Springtide entsteht im Frühling.“ Der Name beschreibt einen besonders großen Tidenhub und ist unabhängig von der Jahreszeit.
„Die Gezeiten sind überall gleich.“ Tatsächliche Höhe und Zeit hängen stark von Meeresbecken, Küste, Wassertiefe und Wetter ab.
Zusammenfassung
Die Gezeiten entstehen hauptsächlich durch räumliche Unterschiede der Mondgravitation, ergänzt durch die Sonne. Das ideale Modell erklärt zwei Aufwölbungen und einen mittleren Abstand von ungefähr 12 Stunden und 25 Minuten zwischen zwei Hochwassern bei halbtägiger Tide. Springtiden haben einen großen, Nipptiden einen kleinen Tidenhub. Die wirklichen Gezeiten sind lange Wellen, deren Verlauf durch Erdrotation, Meeresboden und Küstenform geprägt wird.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist die wichtigste unmittelbare physikalische Ursache der Gezeiten? (Die räumlich unterschiedliche Gravitationswirkung vor allem des Mondes) (!Der tägliche Wechsel der Lufttemperatur) (!Die Wärmeausdehnung des Meerwassers) (!Die magnetische Wirkung des Erdmagnetfelds)
Warum ist die Gezeitenwirkung des Mondes größer als die der Sonne? (Weil die Gezeitenwirkung sehr stark mit dem Abstand abnimmt) (!Weil der Mond massereicher als die Sonne ist) (!Weil die Sonne keine Gravitation besitzt) (!Weil der Mond sich innerhalb der Erdatmosphäre befindet)
Was bezeichnet der Tidenhub? (Die Höhendifferenz zwischen Hochwasser und Niedrigwasser) (!Die Zeit zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang) (!Die Geschwindigkeit des Windes über dem Meer) (!Die Entfernung zwischen Erde und Mond)
Wie groß ist der mittlere Abstand zwischen zwei Hochwassern bei einer halbtägigen Tide? (Ungefähr 12 Stunden und 25 Minuten) (!Ungefähr 6 Stunden) (!Genau 12 Stunden) (!Ungefähr 24 Stunden)
Wann tritt typischerweise eine Springtide auf? (Bei Neu- und Vollmond) (!Nur zur Sommersonnenwende) (!Bei erstem und letztem Mondviertel) (!Immer bei Sonnenaufgang)
Welche Stellung führt typischerweise zu einer Nipptide? (Sonne und Mond stehen von der Erde aus ungefähr im rechten Winkel) (!Sonne Erde und Mond liegen genau auf einer Linie) (!Der Mond steht im Erdschatten) (!Die Erde steht zwischen zwei Sonnen)
Warum zeigt das vereinfachte Modell zwei Flutberge? (Weil die Mondanziehung auf naher und ferner Erdseite relativ zum Erdmittelpunkt unterschiedlich wirkt) (!Weil es zwei Monde gibt) (!Weil Wasser nur in Ost-West-Richtung fließen kann) (!Weil die Erdachse zweimal pro Tag kippt)
Welcher Faktor beeinflusst die wirkliche Tide an einer Küste besonders? (Die Form der Küste und die Tiefe des Meeres) (!Die Farbe des Meerwassers) (!Die Zahl der Wolken am Himmel) (!Die Helligkeit der Sterne)
Was misst ein Pegel? (Den Wasserstand in Abhängigkeit von der Zeit) (!Die Masse des Mondes) (!Die Salzmenge eines einzelnen Wassertropfens) (!Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum)
Welche Aussage über Springtide ist richtig? (Sie bezeichnet einen besonders großen Tidenhub) (!Sie tritt nur im Frühling auf) (!Sie verhindert jedes Niedrigwasser) (!Sie wird ausschließlich durch Wind erzeugt)
Memory
| Gezeitenkraft | Unterschiedliche Gravitation über einen ausgedehnten Körper |
| Tidenhub | Höhendifferenz zwischen Hochwasser und Niedrigwasser |
| Springtide | Besonders großer Wechsel des Wasserstands |
| Nipptide | Besonders kleiner Wechsel des Wasserstands |
| Flutphase | Zeitraum mit steigendem Wasserstand |
| Ebbephase | Zeitraum mit sinkendem Wasserstand |
| Pegelmessung | Wasserstand als Funktion der Zeit |
| Amphidromie | Umlauf der Gezeitenwelle um einen Bereich kleinen Hubs |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Springtide | Sonne Erde und Mond annähernd in einer Linie |
| Nipptide | Richtungen zu Sonne und Mond ungefähr rechtwinklig |
| Hochwasser | Höchster Wasserstand eines Gezeitenzyklus |
| Niedrigwasser | Tiefster Wasserstand eines Gezeitenzyklus |
| Tidenhub | Höhendifferenz zwischen den beiden Extremständen |
Kreuzworträtsel
| Gravitation | Welche Wechselwirkung von Mond und Sonne trägt wesentlich zu den Gezeiten bei? |
| Tidenhub | Wie heißt die Höhendifferenz zwischen Hochwasser und Niedrigwasser? |
| Springtide | Wie heißt eine Tide mit besonders großem Wasserstandswechsel? |
| Nipptide | Wie heißt eine Tide mit besonders kleinem Wasserstandswechsel? |
| Pegel | Welches Messgerät erfasst den Wasserstand? |
| Amphidromie | Wie heißt der Umlauf einer Gezeitenwelle um einen Punkt kleinen Tidenhubs? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffsnetz Gezeiten: Erstelle ein Begriffsnetz mit Ebbe, Flut, Hochwasser, Niedrigwasser, Tide und Tidenhub.
- Bildvergleich Küste: Beschreibe anhand der beiden Südwesthörn-Bilder mindestens fünf sichtbare Unterschiede zwischen Ebbe und Flut.
- Mondphasenmodell: Zeichne die Stellungen von Sonne, Erde und Mond bei Springtide und Nipptide und beschrifte die Skizzen.
- Pegelkurve lesen: Markiere in einer einfachen Wasserstandskurve Hochwasser, Niedrigwasser, Flutphase, Ebbephase und Tidenhub.
Standard
- Gezeiten-Datenanalyse: Suche eine amtliche Pegelreihe, bestimme mehrere Zeitabstände zwischen Hochwassern und berechne den Mittelwert.
- Kräftevergleich: Erkläre mit der Beziehung , warum Nähe für Gezeiten wichtiger ist als bei einem bloßen Massenvergleich.
- Erklärvideo Gezeiten: Produziere ein zwei- bis dreiminütiges Video, das die zwei Aufwölbungen ohne die Aussage „der Mond zieht einfach das Wasser hoch“ erklärt.
- Küstenprofil: Baue ein Modell mit breiter und enger Bucht und untersuche qualitativ, wie sich ein einlaufender Wasserimpuls unterscheiden kann. Kennzeichne die Grenzen des Modells.
Schwer
- Sinusmodell der Tide: Erstelle mit einer Tabellenkalkulation eine Kurve zu und untersuche Änderungen von Amplitude, Periode und Phase.
- Überlagerung von Partialtiden: Addiere zwei Sinusschwingungen mit leicht verschiedenen Perioden und deute die entstehende Schwankung des Tidenhubs.
- Amphidromisches System: Erkläre anhand einer Karte, warum Hochwasser entlang einer Küste nicht überall gleichzeitig eintritt.
- Gezeitenkraftwerk Debatte: Entwickle eine begründete Entscheidungsvorlage zu Nutzen, Grenzen und ökologischen Folgen eines fiktiven Gezeitenkraftwerks.
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Lernkontrolle
- Modellkritik Gezeiten: Vergleiche das Bild zweier starrer Flutberge mit dem Modell einer wandernden langen Welle. Erkläre, was das erste Modell leistet und wo es scheitert.
- Transfer Abstandsgesetz: Ein Himmelskörper entfernt sich auf die doppelte Distanz. Leite aus der Formel ab, wie sich seine Gezeitenwirkung ändert, und begründe jeden Rechenschritt.
- Küstenvergleich: Zwei Orte liegen auf ähnlicher geografischer Breite, haben aber sehr verschiedene Tidenhübe. Entwickle mindestens drei physikalische Ursachen für den Unterschied.
- Datenbewertung: Eine Pegelkurve zeigt während eines Sturms ein deutlich höheres Hochwasser als vorausberechnet. Trenne astronomische Tide und meteorologischen Zusatzwasserstand.
- Spring-Nipp-Zyklus: Erkläre die regelmäßige Änderung des Tidenhubs als Überlagerung der Mond- und Sonnenwirkung, ohne nur Mondphasen aufzuzählen.
- Sicherheitsentscheidung Watt: Formuliere anhand von Tide, Wetter und Rückweg eine begründete Entscheidung, welche Informationen vor einer Wattwanderung geprüft werden müssen.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis sind folgende Leistungen wichtig:
- Fachbegriffe Gezeiten: Du verwendest Ebbe, Flut, Hochwasser, Niedrigwasser, Tide und Tidenhub korrekt.
- Physikalische Erklärung: Du erklärst Gezeiten durch räumliche Unterschiede der Gravitation und die Bewegung im Erde-Mond-System.
- Mathematisches Modell: Du deutest die Abhängigkeiten und und kannst ein einfaches Sinusmodell lesen.
- Mondphasen und Tidenhub: Du leitest Spring- und Nipptide aus den Stellungen von Sonne, Erde und Mond ab.
- Reale Küsten: Du erklärst den Einfluss von Küstenform, Wassertiefe, Reibung, Corioliskraft und Resonanz.
- Datenkompetenz: Du liest Pegelkurven, bestimmst Zeitabstände und beurteilst Abweichungen durch Wetter.
- Transfer: Du wendest das Wissen auf Schifffahrt, Küstenschutz, Watt, Ökologie oder Energiegewinnung an.
OERs zum Thema
Weitere freie Lernangebote
- Gezeiten: Überblick zu Begriffen, Ursachen und Erscheinungsformen.
- Gravitation: Grundlagen der Anziehung zwischen Massen.
- Newtonsches Gravitationsgesetz: Mathematische Beschreibung der Gravitationskraft.
- Mondphase: Stellungen von Sonne, Erde und Mond.
- Gezeitenkraft: Wirkung räumlicher Unterschiede eines Gravitationsfeldes.
- Ozeanografie: Physik und Erforschung der Ozeane.
- Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie: Fachinformationen und Gezeitenvorhersagen.
- LEIFIphysik: Schulischer Physikzugang zu den Gezeiten.
- NASA: Animationen und Erklärungen zur Wirkung des Mondes.
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