Tide

Gezeiten stellen die periodischen Schwankungen des Meeresspiegels dar, die hauptsächlich durch die unterschiedlichen Gravitationskräfte von Mond und Sonne in Verbindung mit Trägheitseffekten verursacht werden, die aus der Umlaufmechanik des Erde-Mond-Systems und der Rotationsbewegung der Erde resultieren.

Gezeiten sind der periodische Anstieg und Abfall des Meeresspiegels, der aus den unterschiedlichen Gravitationskräften resultiert, die hauptsächlich von Mond und Sonne ausgeübt werden, kombiniert mit Trägheitseffekten, die mit der Umlaufbewegung des Erde-Mond-Systems und der Erdrotation verbunden sind.

Obwohl diese astronomischen Kräfte das grundlegende Gezeitenpotential bestimmen, werden die empirisch beobachteten Gezeiten durch terrestrische Elemente, wie z. B. die morphologische Konfiguration von Ozeanbecken, erheblich verändert. Kontinentalränder, Topographie des Meeresbodens, Coriolis-Effekt, Reibungsenergiedissipation in flachen Meeresumgebungen und die Resonanzeigenschaften von Küstenlinien.

Gezeitenschwankungen manifestieren sich über Zeitskalen von Stunden bis Jahren und werden durch mehrere Determinanten des Mondzeitintervalls beeinflusst. Zur genauen Dokumentation überwachen an festen Standorten angebrachte Gezeitenmesser kontinuierlich den Wasserstand. Diese Instrumente ignorieren Schwankungen, die durch Wellen mit Perioden von weniger als einer Minute verursacht werden. Die gesammelten Daten werden anschließend mit einem bestimmten Datum verglichen, das typischerweise als mittlerer Meeresspiegel bezeichnet wird.

Während Gezeiten typischerweise die Hauptquelle für kurzfristige Schwankungen des Meeresspiegels darstellen, ist der Meeresspiegel zusätzlich anfällig für Veränderungen durch thermische Ausdehnung, Windstress und atmosphärische Druckunterschiede, die zu Sturmfluten führen können, insbesondere in flachen Meeresgebieten und Küstenregionen.

Gezeitenphänomene erstrecken sich über ozeanische Umgebungen hinaus und manifestieren sich in jedem System, in dem ein räumlich-zeitlicher Anstieg auftritt Es existiert ein veränderliches Gravitationsfeld. Beispielsweise erfährt der Festkörper der Erde aufgrund der Gezeiten auf der Erde subtile Verformungen, obwohl diese weniger offensichtlich beobachtbar sind als ozeanische Gezeitenbewegungen.

Merkmale

Meeresgezeiten weisen ein zyklisches Muster auf, das typischerweise etwa halbtäglich ansteigt und abfällt. Der Gezeitenzyklus besteht aus vier verschiedenen Phasen:

• Das Ende des Wasserrückgangs, der ein lokales Minimum markiert, wird als Ebbe bezeichnet.
• Der anschließende Anstieg des Meeresspiegels über mehrere Stunden, der die Gezeitenzone überschwemmt, wird als Überschwemmung bezeichnet.
• Das Aufhören des Wasseraufstiegs, was ein lokales Maximum bedeutet, wird als Hochwasser bezeichnet.
• Der anschließende Abfall des Meeresspiegels über mehrere Stunden hinweg, der die Gezeitenzone freilegt, wird als Ebbe bezeichnet.

Schwingende Strömungen, die durch Gezeitenkräfte erzeugt werden, werden als Gezeitenströme oder Gezeitenströmungen bezeichnet. Der Zeitpunkt, an dem der Gezeitenstrom aufhört, wird als Slack Water oder Slack Tide bezeichnet. Danach kehrt die Flut ihre Richtung um, was auf eine Wendephase hinweist. Während Stillstandzeiten typischerweise mit Perioden in der Nähe von Hoch- und Niedrigwasser zusammenfallen, weisen bestimmte geografische Standorte erhebliche Diskrepanzen zwischen dem Zeitpunkt von Stillständen und dem Auftreten von Hoch- und Niedrigwasser auf.

Gezeiten werden häufig als halbtäglich, gekennzeichnet durch zwei Hochwasser und zwei Niedrigwasser pro Tag, oder täglich, mit einem einzigen Gezeitenzyklus pro Tag, kategorisiert. Die beiden täglichen Hochwasser weisen typischerweise ungleiche Höhen auf, ein Phänomen, das als tägliche Ungleichheit bekannt ist; Diese werden in den Gezeitenvorhersagetabellen als höheres Hochwasser und niedrigeres Hochwasser bezeichnet. Dementsprechend werden die beiden täglichen Niedrigwasser in das höhere Niedrigwasser und das untere Niedrigwasser unterschieden. Diese tägliche Ungleichheit ist nicht gleichmäßig und nimmt im Allgemeinen ab, wenn der Mond über dem Äquator steht.

Referenzebenen

Die nachfolgenden Referenz-Gezeitenstände werden definiert, geordnet vom höchsten zum niedrigsten:

• Höchste astronomische Flut (HAT) – Stellt die maximale vorhergesagte Gezeitenhöhe dar. Es ist wichtig zu beachten, dass meteorologische Faktoren die Höhe des HAT erhöhen können.
• Mittlere Hochwasserquellen (MHWS) – Bezeichnet die durchschnittliche Höhe der beiden während der Springflutperioden auftretenden Hochwasser.
• Mittlerer Hochwasserstand (MHWN) – Stellt die durchschnittliche Höhe der beiden während der Nipptideperioden beobachteten Hochwasser dar.
• Mittlerer Meeresspiegel (MSL) – Gibt den durchschnittlichen Meeresspiegel an. Der MSL bleibt für einen bestimmten geografischen Standort über längere Zeiträume konstant.
• Mittlerer Niedrigwasserstand (MLWN) – Gibt den durchschnittlichen Tiefstand der beiden Niedrigwasserperioden an, die während Nipptideperioden auftreten.
• Mittlere Niedrigwasserquellen (MLWS) – Bezeichnet den durchschnittlichen Unterdruck der beiden während der Springflutperioden beobachteten Niedrigwasser.
• Niedrigste astronomische Flut (LAT) – Bezeichnet das minimale vorhergesagte Gezeitentief.

Reichweitenvariation: Frühlings- und Nippflut

Der halbtägige Bereich, der den Höhenunterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasser über etwa einen halben Tag darstellt, weist eine zweiwöchentliche Schwankung auf. Ungefähr zweimal im Monat, während der Neumond- und Vollmondphasen, richten sich Sonne, Mond und Erde in einer Konfiguration aus, die als Syzygie bezeichnet wird. In dieser Ausrichtung verstärkt die solare Gezeitenkraft die lunare Gezeitenkraft, was zu einem maximalen Gezeitenhub führt, einem Phänomen, das als Springtide bekannt ist. Dieser Begriff stammt nicht von der Jahreszeit, sondern von der etymologischen Bedeutung von „springen, hervorbrechen oder aufsteigen“, ähnlich einer natürlichen Quelle. Syzygy-Gezeiten ist eine alternative Bezeichnung für Springfluten.

Wenn sich der Mond hingegen im ersten oder dritten Viertel befindet, sind Sonne und Mond relativ zur Erde um 90° voneinander entfernt, eine Konfiguration, die als Quadratur bekannt ist. Während dieser Zeiträume wirkt die solare Gezeitenkraft der lunaren Gezeitenkraft teilweise entgegen, was zu einem minimalen Gezeitenbereich führt. Dieses Phänomen wird als Niepflut oder Niepflut bezeichnet. Das Wort „neap“ leitet sich von einem angelsächsischen Begriff ab, der „ohne Macht“ bedeutet. Quadraturgezeiten ist eine alternative Bezeichnung für Nipptiden.

Springfluten zeichnen sich durch überdurchschnittlich hohes Hochwasser, unterdurchschnittlich niedriges Wasser, eine kürzere Dauer von „Stauwasser“ und verstärkte Gezeitenströmungen aus. Im Gegensatz dazu führen Nipptiden zu milderen Gezeitenbedingungen. Zwischen Springflut und Nippflut liegen etwa sieben Tage.

Gezeitenbestandteile

Gezeitenbestandteile stellen die kumulative Wirkung verschiedener Faktoren dar, die Gezeitenschwankungen über bestimmte Zeitskalen hinweg beeinflussen. Zu den wichtigsten Bestandteilen gehören die Erdrotation, die relativen Positionen von Mond und Sonne zur Erde, die Höhe des Mondes über dem Erdäquator und die Bathymetrie. Variationen mit Perioden von weniger als einem halben Tag werden als harmonische Konstituenten klassifiziert, während Zyklen, die sich über Tage, Monate oder Jahre erstrecken, als langperiodische Konstituenten bezeichnet werden.

Gezeitenkräfte üben Einfluss auf das gesamte Erdsystem aus. Innerhalb der Erdkruste verursachen diese Kräfte periodische vertikale Verschiebungen, die in Zentimetern messbar sind, ein Phänomen, das als Erdflut bezeichnet wird. Gleichzeitig erzeugen die Gravitationskräfte von Mond und Sonne in der Atmosphäre in Kombination mit der Sonnenerwärmung Schwankungen im Druck, in der Dichte und im Wind im globalen Maßstab, die als atmosphärische Gezeiten bezeichnet werden. Während sich Gezeiten auf der Erde als elastische Verformung manifestieren, werden atmosphärische Gezeiten überwiegend als Schwankungen von Druckgradienten und Windmustern beobachtet.

Hauptbestandteil des halbtägigen Mondes

Der hervorstechendste Gezeitenbestandteil ist an den meisten Standorten der hauptsächliche Mondhalbtag, der alternativ als M2-Gezeitenbestandteil oder M§56§ Gezeitenbestandteil bezeichnet wird. Dieser Bestandteil weist einen Zeitraum von etwa 12 Stunden und 25,2 Minuten auf, genau die Hälfte eines Gezeiten-Mondtages. Ein Gezeiten-Mondtag stellt den durchschnittlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Mondhöhen dar und entspricht der Zeit, die die Erde benötigt, um eine Drehung relativ zum Mond durchzuführen. Einfache Gezeitenuhren dienen der Überwachung dieses Bestandteils. Der Mondtag dauert länger als der Tag auf der Erde, da die Umlaufrichtung des Mondes mit der Rotationsrichtung der Erde übereinstimmt.

Da die Umlaufrichtung des Mondes um die Erde mit der Achsenrotation der Erde übereinstimmt, dauert es etwa 24 Stunden und 50 Minuten, bis der Mond wieder an derselben Himmelsposition erscheint. Innerhalb dieses Intervalls durchläuft der Mond einen Höhepunkt (Überkopfdurchgang) und einen Unterfußdurchgang (entsprechend den Stundenwinkeln 00:00 bzw. 12:00). Folglich entspricht in zahlreichen Regionen der Zeitraum des maximalen Gezeitenantriebs der oben genannten Dauer von etwa 12 Stunden und 25 Minuten. Es ist wichtig zu beachten, dass der genaue Zeitpunkt der höchsten Flut nicht immer mit der größten Nähe des Mondes zum Zenit oder Nadir zusammenfällt; Die Antriebsperiode bleibt jedoch der entscheidende Faktor für den Abstand zwischen den Fluten.

Das Gravitationsfeld des Mondes wird mit zunehmender Entfernung schwächer, was zu einer unterschiedlichen Kraft führt, die auf die Erde ausgeübt wird. Konkret wirkt auf die dem Mond zugewandte Seite der Erde eine etwas überdurchschnittlich starke Kraft, während auf der gegenüberliegenden Seite eine geringfügig schwächere Kraft wirkt. Diese unterschiedliche Gravitation führt dazu, dass der Mond eine leichte „Streckung“ der Erde entlang der Achse, die die beiden Himmelskörper verbindet, induziert. Obwohl die feste Erde eine gewisse Verformung erfährt, zeigt Meereswasser aufgrund seiner flüssigen Natur eine deutlich größere Beweglichkeit als Reaktion auf diese Gezeitenkraft, insbesondere bei horizontaler Verschiebung.

Die Rotation der Erde verändert kontinuierlich die Größe und Richtung der Gezeitenkräfte an jedem beliebigen Punkt ihrer Oberfläche. Obwohl der Ozean nie ein Gleichgewicht erreicht – was bedeutet, dass die Flüssigkeit nicht genügend Zeit hat, um vollständig auf eine konstante Gezeitenkraft zu reagieren – führen diese dynamischen Gezeitenkräfte dennoch zu rhythmischen Schwankungen der Meeresoberflächenhöhe.

Ein Gezeitenmuster, das durch zwei Hochwasser und zwei Niedrigwasser unterschiedlicher Höhe an einem einzigen Tag gekennzeichnet ist, wird als gemischte halbtägige Gezeiten klassifiziert.

Mondentfernung

Variationen im Mond-Erde-Abstand beeinflussen auch die Gezeitenamplituden. Im Perigäum, wenn der Mond der Erde am nächsten ist, dehnt sich der Gezeitenbereich aus; Umgekehrt verringert sich die Reichweite im Apogäum, wenn der Mond am weitesten entfernt ist. Jährlich stimmt das Perigäum etwa sechs bis acht Mal mit einem Neu- oder Vollmond überein, was zu perigäischen Springfluten führt, die den maximalen Gezeitenhub aufweisen. Der Höhenunterschied zwischen einer perigäischen Springflut und einer Springflut am Mondapogäum ist ortsabhängig, kann aber bis zu einem Fuß betragen.

Andere Bestandteile

Ungefähr 62 Gezeitenbestandteile sind substanziell genug, um in Modelle zur Vorhersage von Meeresgezeiten einbezogen zu werden. Dazu gehören Sonnengravitationseinflüsse, die Schiefe (Neigung) des Äquators und der Rotationsachse der Erde, die Neigung der Mondorbitalebene und die elliptische Flugbahn der Erdumlaufbahn um die Sonne.

Zu den Flachwasserbestandteilen gehören Overtides, definiert als höhere Harmonische einer singulären dominanten Gezeitenfrequenz, und zusammengesetzte Gezeiten. die aus Wechselwirkungen zwischen den primären Mond- und Sonnenbestandteilen entstehen. Obwohl diese Bestandteile im Allgemeinen kleinere Amplituden als das grundlegende Gezeitenpotenzial aufweisen, führen sie zu Asymmetrien zwischen den Anstiegs- und Abfallphasen der Gezeiten in Flussmündungen und in der Umgebung des Festlandsockels.

Phase und Amplitude

Angesichts der Verbreitung des Gezeitenbestandteils M₂ in den meisten Gebieten erweist sich das Konzept des Gezeitenstadiums oder der Phase, ausgedrückt als die Zeit in Stunden nach Hochwasser, als äußerst wertvoll. Das Gezeitenstadium kann auch in Grad quantifiziert werden, wobei 360° einen vollständigen Gezeitenzyklus darstellen. Linien, die Punkte mit konstanter Gezeitenphase verbinden, werden als Kotidallinien bezeichnet. Diese sind vergleichbar mit Höhenlinien, die auf topografischen Karten eine konstante Höhe anzeigen, und bilden, wenn sie dargestellt werden, eine Kotidenkarte oder Kotidenkarte. Hochwasser tritt gleichzeitig entlang der Gezeitenlinien auf, die sich von der Küste seewärts erstrecken, und Gezeitenphasen (dargestellt durch Gezeitenlinien) schreiten entlang der Küste voran. Halbtägige und langperiodische Phasenbestandteile beziehen sich auf das Hochwasser, während tageszeitliche Bestandteile auf das Hochwassermaximum bezogen werden. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Diskussion und die nachfolgenden Erklärungen nur dann genau richtig sind, wenn ein einzelner Gezeitenbestandteil betrachtet wird.

Innerhalb eines Meeresbeckens, das annähernd eine kreisförmige Form hat und von einer Küstenlinie umgeben ist, laufen die Kotidallinien radial nach innen zusammen und treffen sich schließlich an einem einzigartigen Ort, der als amphidromer Punkt bekannt ist. Ein amphidromer Punkt ist durch gleichzeitiges Hoch- und Niedrigwasser gekennzeichnet, eine Bedingung, die durch die Gezeitenbewegung null erfüllt ist. (Es gibt seltene Ausnahmen, wenn die Gezeiten um Inseln wie Neuseeland, Island und Madagaskar zirkulieren.) Die Gezeitenbewegung nimmt typischerweise mit zunehmender Entfernung von kontinentalen Küsten ab; Folglich schneiden Konturen mit konstanter Amplitude (definiert als die Hälfte des vertikalen Abstands zwischen Hoch- und Niedrigwasser) die Kotidallinien und fallen am amphidromischen Punkt auf Null ab. Für eine halbtägige Gezeiten kann ein amphidromer Punkt als Mittelpunkt eines Zifferblatts betrachtet werden, wobei der Stundenzeiger die Richtung der Hochwasser-Gezeitenlinie angibt, diametral gegenüber der Niedrigwasser-Gezeitenlinie. Hochwasser zirkuliert alle 12 Stunden um den amphidromischen Punkt und bewegt sich in Richtung der fortschreitenden Kotidallinien und von den zurückgehenden weg. Diese durch den Coriolis-Effekt induzierte Rotation erfolgt auf der Südhalbkugel im Allgemeinen im Uhrzeigersinn und auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn. Die Abweichung einer Gezeitenphase von der Phase einer bestimmten Referenztide wird als Epoche bezeichnet. Die Referenzflut ist definiert als die hypothetische „Gleichgewichtsflut“ auf einer landlosen Erde, gemessen bei 0° Länge (dem Greenwich-Meridian).

Im Nordatlantik führt die gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Zirkulation der Kotidallinien um den amphidromischen Punkt dazu, dass die Flut den Hafen von New York etwa eine Stunde früher erreicht als den Hafen von Norfolk. Südlich von Cape Hatteras wird die Gezeitendynamik erheblich komplexer, was eine zuverlässige Vorhersage ausschließlich auf der Grundlage der Kotidenlinienmuster des Nordatlantiks unmöglich macht.

Verlauf

Geschichte der Gezeitentheorie

In vorwissenschaftlichen Traditionen wurden der periodische Anstieg und Abfall der Gezeiten oft auf mythologische oder animistische Erklärungen zurückgeführt. Beispielsweise stellten indische und ostasiatische Texte das Meer als atmend oder pulsierend wie ein Lebewesen dar, während andere Erzählungen den Einfluss einer übernatürlichen Meereskraft beschworen.

Das Studium der Gezeitenphysik spielte eine entscheidende Rolle in den Entstehungsstadien der Himmelsmechanik. Ursprünglich wurde das Auftreten von zwei täglichen Gezeiten auf die Anziehungskraft des Mondes zurückgeführt. Anschließend wurde eine genauere Erklärung gefunden, die die Wechselwirkung zwischen den Gravitationskräften des Mondes und der Sonne detailliert beschreibt.

Um 150 v. Chr. postulierte Seleukus von Seleukia, dass der Mond die Ursache der Gezeiten sei. Ptolemäus‘ Werk Tetrabiblos bezog sich auch auf den Einfluss des Mondes auf Wasserkörper.

Im Jahr 725 stellte Beda in seinem Werk De temporum ratione (Die Abrechnung der Zeit) einen Zusammenhang zwischen halbtägigen Gezeiten, schwankenden Gezeitenhöhen und dem her Mondphasen. Er beobachtete, dass die Gezeiten jeden Tag 4/5 Stunden später stiegen und fielen, was die verzögerten Auf- und Untergangszeiten des Mondes widerspiegelte. Bede betonte weiter, dass der Mond in zwei Mondmonaten (59 Tage) die Erde 57 Mal umkreist, was 114 Gezeiten entspricht. Er bemerkte auch monatliche Schwankungen der Gezeitenhöhe und bezeichnete zunehmende Gezeiten als malinae und abnehmende Gezeiten als ledones. Der Monat, erklärte er, sei in vier Perioden von sieben oder acht Tagen unterteilt, die durch abwechselnde malinae und ledones gekennzeichnet seien. Im selben Text erkannte Bede die Fähigkeit von Winden an, den Gezeitenfluss zu behindern. Darüber hinaus dokumentierte er geografische Unterschiede im Zeitpunkt der Gezeiten und stellte fest, dass die Gezeiten nördlich seines Standorts (Monkwearmouth) früher und später im Süden auftraten. Er erläuterte dieses Phänomen, indem er erklärte, dass die Flut „diese Küsten verlässt, um umso mehr andere [Ufer] überfluten zu können, wenn sie dort ankommt“, und dass „der Mond, der hier den Anstieg der Flut signalisiert, seinen Rückzug in andere Regionen fernab dieses Himmelsviertels signalisiert.“

Das spätere mittelalterliche Verständnis der Gezeiten beruhte weitgehend auf den Schriften muslimischer Astronomen, die ab dem 12. Jahrhundert in lateinischen Übersetzungen zugänglich wurden. Abu Ma'shar al-Balkhi (gest. um 886) postulierte in seinem Introductorium in astronomiam, dass der Mond für Ebbe und Flut verantwortlich sei. Er untersuchte auch den Einfluss des Windes und der Mondphasen relativ zur Sonne auf die Gezeitenmuster. Im 12. Jahrhundert vertrat al-Bitruji (gest. um 1204) die Theorie, dass Gezeiten aus der allgemeinen Zirkulation des Himmels resultierten.

In seiner Abhandlung De spiegheling der Ebbenvloet (Die Theorie von Ebbe und Flut) von 1608 widerlegte Simon Stevin zahlreiche vorherrschende Missverständnisse über Ebbe und Flut. Stevin befürwortete das Konzept, dass die Mondanziehung Gezeiten verursacht, indem er klare Definitionen für Ebbe, Flut, Springflut und Nipptide formulierte und gleichzeitig die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen betonte.

Im Jahr 1609 schlug Johannes Kepler auch treffend vor, dass die Mondgravitation die Ursache für Gezeiten sei, und stützte seine Hypothese auf antike Beobachtungen und Korrelationen.

In seinem Werk Dialog über die beiden Häuptlinge von 1632 Galileo Galilei integrierte in seinem Buch World Systems, ursprünglich Dialogue on the Tides, seine Gezeitentheorie als zentralen Bestandteil seiner physikalischen Argumentation für den kopernikanischen Heliozentrismus. Er postulierte, dass Gezeiten aus den synergistischen Bewegungen der Erdrotation und -rotation entstanden seien. Galilei wies Keplers Behauptung des Einflusses des Mondes auf die Meere ausdrücklich zurück und charakterisierte die Anziehungskraft des Mondes als eine Heraufforderung okkulter Qualitäten und nicht als eine mechanistisch verständliche Ursache.

Isaac Newton (1642–1727) leistete Pionierarbeit bei der Erklärung der Gezeiten und führte sie auf die Anziehungskraft der Himmelskörper zurück. Seine umfassende Theorie, die in den Principia (1687) detailliert beschrieben wird, nutzte die universelle Gravitation, um zu erklären, wie Mond- und Sonnenanziehungen Gezeitenkräfte erzeugen. Vor Pierre-Simon Laplace näherten sich Newton und seine Zeitgenossen diesem Phänomen durch eine Gleichgewichtstheorie, ein statisches Systemmodell, das das Gezeitenverhalten in einem hypothetischen, nicht trägen Ozean annäherte, der die Erde gleichmäßig bedeckte. Während das Konzept der gezeitenerzeugenden Kraft (oder ihres Potenzials) in der modernen Gezeitentheorie nach wie vor von entscheidender Bedeutung ist, dient es heute eher als Zwischenantriebsfunktion als als endgültiges Ergebnis. Die zeitgenössische Theorie berücksichtigt zusätzlich die dynamische Gezeitenreaktion der Erde auf diese einwirkenden Kräfte, eine Reaktion, die durch Faktoren wie Meerestiefe, Planetenrotation und andere Umweltvariablen moduliert wird.

Im Jahr 1740 richtete die Académie Royale des Sciences in Paris einen Preis für die überzeugendste theoretische Abhandlung über Gezeiten ein. Diese prestigeträchtige Auszeichnung wurde gemeinsam an Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Colin Maclaurin und Antoine Cavalleri verliehen.

Maclaurin wandte die Newtonsche Theorie an, um zu zeigen, dass eine glatte, vom Ozean bedeckte Kugel, die der Gezeitenkraft eines einzelnen Himmelskörpers ausgesetzt ist, die Form eines verlängerten Sphäroids – eines länglichen dreidimensionalen Ovals – annehmen würde, dessen Hauptachse auf den störenden Körper ausgerichtet ist. Er war auch der Erste, der den Einfluss der Erdrotation auf die Bewegung dokumentierte. Euler identifizierte anschließend die horizontale Komponente der Gezeitenkraft als primären Treiber von Gezeitenphänomenen und nicht ihr vertikales Gegenstück. Im Jahr 1744 untersuchte Jean le Rond d'Alembert atmosphärische Gezeitengleichungen, obwohl seine Modelle keine Rotationseffekte berücksichtigten.

Im Jahr 1770 lief James Cooks Bark, HMS Endeavour, am Great Barrier Reef auf Grund. Erste Versuche, das Schiff während der anschließenden Flut wieder flott zu machen, blieben erfolglos. Die darauffolgende Flut verdrängte es jedoch erfolgreich. Während der siebenwöchigen Reparaturzeit an der Mündung des Endeavour River beobachtete Cook akribisch die Gezeitenmuster. Er stellte fest, dass bei Nipptide die beiden täglichen Gezeiten ähnliche Höhen aufwiesen, während bei Springfluten die Morgenflut 7 Fuß (2,1 m) anstieg, während die Abendflut 9 Fuß (2,7 m) erreichte.

Pierre-Simon Laplace entwickelte ein System partieller Differentialgleichungen, das die horizontale Strömung des Ozeans mit seiner Oberflächenhöhe korrelierte und begründete damit die grundlegende dynamische Theorie für Wassergezeiten. Diese Laplace-Gezeitengleichungen bleiben in der zeitgenössischen Ozeanographie relevant. William Thomson, 1. Baron Kelvin, formulierte später die Laplace-Gleichungen unter Verwendung der Vorticity neu und ermöglichte so die Ableitung von Lösungen, die durch Gezeiten verursachte, an der Küste eingeschlossene Wellen beschreiben, die heute als Kelvin-Wellen bekannt sind.

Nach Laplace entwickelten Gelehrte wie Kelvin und Henri Poincaré seinen theoretischen Rahmen weiter. Aufbauend auf diesen Fortschritten und der Mondtheorie von E. W. Brown, die die Umlaufmechanik des Mondes detailliert beschreibt, veröffentlichte Arthur Thomas Doodson 1921 die erste moderne Formulierung des gezeitenerzeugenden Potenzials in harmonischer Form. Doodsons Arbeit identifizierte 388 unterschiedliche Gezeitenfrequenzen und mehrere seiner Methoden werden weiterhin angewendet.

Der historische Verlauf der Gezeitenbeobachtung.

Seit der Antike hat sich die Komplexität der Gezeitenbeobachtung und des Diskurses schrittweise weiterentwickelt und konzentrierte sich zunächst auf tägliche Wiederholungen und später auf die komplizierte Beziehung zwischen Gezeiten, Sonne und Mond.

Alte erhaltene Aufzeichnungen über Gezeitenbeobachtungen weisen darauf hin, dass Pytheas während seiner Expedition zu den Britischen Inseln um 325 v. Chr. Gezeitenmuster bemerkte, die mit dem Mondzyklus korrelierten. Fragmente, die seinem Werk On the Ocean zugeschrieben werden, deuten darauf hin, dass der Zusammenhang zwischen Gezeitenhub und Mondphasen schon früh erkannt wurde.

Im 2. Jahrhundert v. Chr. beschrieb Seleukus von Seleukia, ein hellenistischer Astronom, das Gezeitenphänomen genau, um sein heliozentrisches Modell zu untermauern. Er ging richtig davon aus, dass der Mond Gezeiten verursachte, vermutete jedoch, dass diese Wechselwirkung durch „Pneuma“ erleichtert wurde. Seleukus beobachtete auch, dass der Zeitpunkt und die Stärke der Gezeiten an verschiedenen Orten auf der Welt unterschiedlich waren. Wie von Strabo (1.1.9) dokumentiert, stellte Seleukus als erster einen Zusammenhang zwischen Gezeiten und der Anziehungskraft des Mondes her und stellte außerdem fest, dass die Höhe der Gezeiten von der Position des Mondes relativ zur Sonne abhängt.

Die Naturalis Historia von Plinius dem Älteren dokumentiert zahlreiche Gezeitenbeobachtungen; Beispielsweise treten Springfluten einige Tage nach oder vor Neu- und Vollmond auf und erreichen ihren Höhepunkt um die Tagundnachtgleiche herum, obwohl Plinius auch mehrere Korrelationen aufzeichnete, die heute als spekulativ gelten. In seiner Geographie erläuterte Strabo, dass die Gezeiten im Persischen Golf ihre größte Reichweite zeigten, wenn der Mond am weitesten von der Äquatorialebene entfernt war. Diese Beobachtungen wurden trotz der vergleichsweise begrenzten Gezeitenamplitude im Mittelmeerbecken gemacht. Insbesondere die starken Strömungen, die in der Euripus-Straße und der Straße von Messina beobachtet wurden, stellten Aristoteles vor ein Rätsel. Im fünften Buch von Das Leben des Apollonius von Tyana erforschte Philostratus die Gezeiten, wobei er den Einfluss des Mondes anerkannte, die Phänomene jedoch „Geistern“ zuschrieb. Um 730 n. Chr. dokumentierte der Ehrwürdige Beda in Europa den synchronen Anstieg der Flut an einer Küste der Britischen Inseln und ihren Abfall an einer anderen und beschrieb damit den zeitlichen Verlauf des Hochwassers entlang der nordumbrischen Küste weiter.

Die erste Gezeitentabelle in China entstand im Jahr 1056 n. Chr. und war in erster Linie für Besucher gedacht, die die berühmte Gezeitenwelle im Qiantang-Fluss beobachten wollten. Die erste bekannte britische Gezeitentabelle wird John Wallingford zugeschrieben, der 1213 als Abt von St. Albans verstarb. Darin wurde berechnet, dass das Hochwasser an der Themsemündung täglich 48 Minuten später und drei Stunden früher eintritt als an der stromaufwärts gelegenen Stelle in London.

Im Jahr 1614 veröffentlichte Claude d'Abbeville die Abhandlung „Histoire de la mission de pères capucins“. en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines, in dem er enthüllte, dass das Volk der Tupinambá bereits vor der Anerkennung durch Europa ein Verständnis für die Beziehung zwischen dem Mond und den Gezeiten besaß.

William Thomson (Lord Kelvin) initiierte 1867 die erste systematische harmonische Analyse von Gezeitenaufzeichnungen. Ein primäres Ergebnis war die Konstruktion einer Gezeitenvorhersagemaschine, die ein Flaschenzugsystem nutzte, um sechs harmonische Zeitfunktionen zu synthetisieren. Dieses Gerät wurde durch die Einstellung von Zahnrädern und Ketten „programmiert“, um Phasenlage und Amplituden zu ändern. Vergleichbare Maschinen blieben bis in die 1960er Jahre im Einsatz.

Die erste bekannte Meeresspiegelaufzeichnung eines gesamten Frühlings-Neap-Zyklus wurde 1831 am Navy Dock in der Themsemündung dokumentiert. Bis 1850 hatten zahlreiche große Häfen automatische Gezeitenmessstationen eingerichtet.

John Lubbock gehörte 1840 zu den Pionieren bei der Kartierung von Gezeitenlinien für Großbritannien, Irland und die angrenzenden Küsten. Anschließend erweiterte William Whewell diese Forschung und gipfelte 1836 in einer nahezu globalen Karte. Um die Konsistenz dieser Karten sicherzustellen, postulierte er die Existenz einer mittelozeanischen Region ohne Gezeitenanstieg oder -abfall, wo Gezeitenlinien konvergieren. Das Vorhandensein eines solchen amphidromischen Punktes, ein Begriff, der heute zur Beschreibung dieser Orte verwendet wird, wurde 1840 von Kapitän William Hewett, RN, durch sorgfältige Sondierungen in der Nordsee bestätigt.

Anschließend identifizierten Geologen im späten 20. Jahrhundert Gezeitenrhythmiten, die als geologischer Beweis für das Vorhandensein früherer Gezeiten, insbesondere während der Karbonzeit, dienen.

Physik

Gleichgewichtstheorie

Das grundlegende Modell, das Isaac Newton zugeschrieben wird und das Phänomen der zwei täglichen Gezeiten erklärt, wird als Gleichgewichtstheorie bezeichnet. Diese Theorie beinhaltet drei wesentliche Vereinfachungen: 1) die Auslassung der Landmassen der Erde, 2) die Annahme einer vernachlässigbaren Viskosität des Wassers, die eine sofortige Reaktion durch die Schwerkraft ermöglicht, und 3) die Missachtung der Reibung zwischen Erde und Wasser. Innerhalb eines mit dem Erde-Mond-System rotierenden Koordinatensystems bleibt der Abstand Erde-Mond konstant, was auf einen Gleichgewichtszustand hinweist. Dieses Gleichgewicht wird als Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft des Mondes und der durch die Rotation erzeugten Zentrifugalkraft konzipiert. Im Erdkern sind diese Kräfte genau gleich und entgegengesetzt. An anderen Orten gleichen sich diese Kräfte jedoch nicht vollständig aus und die resultierende Restkraft wird als gezeitenerzeugende Kraft bezeichnet. Auf der Erdoberfläche erfahren die dem Mond am nächsten gelegenen Punkte eine geringfügig stärkere Anziehungskraft, während die am weitesten entfernten Punkte eine etwas stärkere Zentrifugalkraft aufweisen. An den Polen, die von der Erde-Mond-Achse entfernt liegen, ist eine geringe Nettokraft nach innen zur Erde gerichtet. Das Meerwasser wird von diesen spezifischen Kräften nur minimal beeinflusst. Umgekehrt wirkt in Regionen zwischen den Polen und dem Äquator eine Komponente dieser geringen Kraft horizontal über die Erdoberfläche, Richtung Äquator gerichtet. Diese horizontale Kraft stößt auf keinen Gegenwiderstand. Als Reaktion darauf fließt Meerwasser, das sich von den Polen zurückzieht und sich in der Nähe des Äquators ansammelt. Dieser Prozess gipfelt in der Bildung einer doppelten Gezeitenausbuchtung, die an der Erde-Mond-Achse ausgerichtet ist, wobei die Ausbuchtung auf der dem Mond näheren Seite geringfügig größer ist. Während sich die Erde um ihre Achse dreht, durchqueren verschiedene Punkte auf ihrer Oberfläche diese Ausbuchtungen und liefern so eine allgemeine Erklärung für das Auftreten täglicher Doppelfluten. Sowohl das Meerwasser als auch die feste Erde unterliegen dieser unterschiedlichen Anziehungskraft; Die starre Erde widersteht jedoch einer Verformung und behält ihre annähernd kugelförmige Form bei, während sich die Flüssigkeit neu verteilt, um das Ungleichgewicht auszugleichen, und so die charakteristischen Ausbuchtungen bildet. Die Gleichgewichtsflut stellt diesen idealisierten Gezeitenzustand dar, der auf der Annahme einer landlosen Erde beruht.

Kräfte

Die Gezeitenkraft, die ein massiver Himmelskörper (im Folgenden als Mond bezeichnet) auf ein kleines Teilchen erzeugt, das sich auf oder in einem ausgedehnten Körper (im Folgenden als Erde bezeichnet) befindet, ist definiert als die Vektordifferenz zwischen der vom Mond auf dieses Teilchen ausgeübten Gravitationskraft und der Gravitationskraft, die auf das Teilchen ausgeübt würde, wenn es im Massenschwerpunkt der Erde positioniert wäre.

Während die von einem Himmelskörper auf die Erde ausgeübte Gravitationskraft eine umgekehrte quadratische Beziehung zu seiner Entfernung von der Erde aufweist, weist die maximale Gezeitenkraft eine ungefähre umgekehrte Würfelproportionalität zu dieser Entfernung auf. Wenn die von jedem Körper erzeugte Gezeitenkraft seiner gesamten Gravitationskraft entsprechen würde – eine Bedingung, die aufgrund des freien Falls der gesamten Erde und nicht nur ihrer Ozeane auf diese Körper nicht erfüllt wäre –, würde sich ein bestimmtes Muster der Gezeitenkräfte manifestieren. Beispielsweise scheint der Einfluss der Sonne wesentlich stärker zu sein als der des Mondes. Obwohl die Sonnengravitationskraft auf der Erde im Durchschnitt 179-mal größer ist als die Mondkraft, ist der durchschnittliche Abstand der Sonne von der Erde 389-mal größer, was zu einem schwächeren Feldgradienten führt. Die übergeordnete Verhältnismäßigkeit kann wie folgt ausgedrückt werden:

Gezeitenkraft ∝<!-- ∝ --> M d §2122§ ∝<!-- ∝ --> ρ<!-- ρ --> ( r d ) §4950§ , {\displaystyle {\text{Gezeitenkraft}}\propto {\frac {M}{d^3}}\propto \rho \left({\frac {r}{d}}\right)^3,

Hier bezeichnet M die Masse des Himmelskörpers, d seine Entfernung, ρ seine durchschnittliche Dichte und r seinen Radius. Das Verhältnis r/d korreliert mit der Winkelgröße des Objekts, wie es von der Erde aus beobachtet wird. Obwohl Sonne und Mond am Erdhimmel nahezu identische scheinbare Durchmesser aufweisen, ist die Gezeitenkraft der Sonne erheblich schwächer als die des Mondes. Diese Ungleichheit entsteht, weil die durchschnittliche Dichte der Sonne deutlich geringer ist und ihr Gezeiteneinfluss nur 46 % des Mondes beträgt. Folglich ist bei einer Springflut der Mond für 69 % der gesamten Gezeitenkraft verantwortlich, während die Sonne 31 % beisteuert. Konkret beträgt die Gezeitenbeschleunigung des Mondes, gemessen entlang der Mond-Erde-Achse an der Erdoberfläche, ungefähr 1,1ק1516§−7 g. Im Gegensatz dazu beträgt die Gezeitenbeschleunigung der Sonne entlang der Sonne-Erde-Achse an der Erdoberfläche ungefähr 0,52ק2122§−7 g, wobei g die Gravitationsbeschleunigung an der Erdoberfläche darstellt. Die von anderen Planeten ausgeübten Gezeiteneffekte schwanken entsprechend ihrer unterschiedlichen Entfernung von der Erde. Im Perigäum beträgt der Gezeiteneinfluss der Venus das 0,000113-fache des Einflusses der Sonne. Umgekehrt können Jupiter oder Mars bei unterschiedlichen Orbitalkonfigurationen den vorherrschenden planetaren Gezeiteneinfluss ausüben.

Die Oberfläche des Ozeans wird herkömmlicherweise durch das Geoid modelliert, eine theoretische Äquipotentialoberfläche, die sowohl die Gravitationskraft der Erde als auch die Zentrifugalkraft berücksichtigt, die sich aus ihrer Rotation ergibt. Anschließend muss der Einfluss wesentlicher äußerer Himmelskörper, insbesondere Mond und Sonne, berücksichtigt werden. Diese Himmelskörper verfügen über starke Gravitationsfelder, die mit zunehmender Entfernung schwächer werden und zu Abweichungen der Meeresoberfläche vom Geoid führen. Durch diese Wechselwirkung entsteht eine dynamische Gleichgewichtsoberfläche des Ozeans, die durch Ausbuchtungen gekennzeichnet ist, die sowohl zum Mond hin als auch direkt gegenüber dem Mond ausgerichtet sind. Die Rotation der Erde relativ zu dieser sich entwickelnden Konfiguration erzeugt den täglichen Gezeitenzyklus. Die Meeresoberfläche strebt ständig danach, diese sich ständig verändernde Gleichgewichtskonfiguration zu erreichen, erreicht sie jedoch nie vollständig. Die Abweichung zwischen der tatsächlichen Meeresoberfläche und diesem Gleichgewichtszustand führt zu einem scheinbaren Gefälle, das dazu führt, dass das Wasser in Richtung Gefälle beschleunigt.

Laplaces Gezeitengleichungen

Die Meerestiefen sind erheblich geringer als ihre horizontalen Abmessungen. Folglich kann die ozeanische Reaktion auf Gezeitenantrieb mithilfe der Gezeitengleichungen von Laplace genau modelliert werden, die die folgenden Eigenschaften integrieren:

• Die vertikale (oder radiale) Geschwindigkeit wird als vernachlässigbar angesehen, und das Fehlen einer vertikalen Scherung deutet auf ein Blattströmungsregime hin.
• Der angewendete Antrieb ist ausschließlich horizontal (tangential).
• Der Coriolis-Effekt manifestiert sich als fiktive Trägheitskraft, die senkrecht zur Strömungsrichtung wirkt und direkt proportional zur Geschwindigkeit ist.
• Die zeitliche Änderungsrate der Oberflächenhöhe ist direkt proportional zur negativen Geschwindigkeitsdivergenz, skaliert durch die Tiefe. Wenn die horizontale Geschwindigkeit eine Dehnung oder Kompression der Meeresoberfläche bewirkt, wird das Wasservolumen folglich dünner oder dicker.

Die Randbedingungen erfordern eine Nullströmung senkrecht zu den Küstenlinien und einen Zustand des freien Gleitens am Meeresboden.

Der Coriolis-Effekt, eine Trägheitskraft, lenkt Strömungen, die sich dem Äquator nähern, nach Westen und Strömungen, die vom Äquator zurückweichen, nach Osten ab, wodurch die Bildung von an der Küste eingeschlossenen Wellen erleichtert wird. Darüber hinaus kann ein Dissipationsterm, analog zur Viskosität, in die Gleichungen einbezogen werden.

Gezeitenamplitude und Periodizität

Die maximale theoretische Amplitude der vom Mond verursachten ozeanischen Gezeiten beträgt etwa 54 Zentimeter (21 Zoll). Dieser Wert stellt die Amplitude dar, die unter idealisierten Bedingungen erreichbar ist, insbesondere bei einer gleichmäßigen Meerestiefe, dem Fehlen von Landmassen und der synchronen Rotation der Erde mit der Umlaufbahn des Mondes. In ähnlicher Weise erzeugt die Sonne Gezeiten mit einer theoretischen Amplitude von etwa 25 Zentimetern (9,8 Zoll), was 46 % der Gezeitenamplitude des Mondes ausmacht und einen 12-Stunden-Zyklus aufweist. Bei Springfluten wirken diese beiden Effekte synergetisch zusammen, was zu einer theoretischen Amplitude von 79 Zentimetern (31 Zoll) führt. Umgekehrt verringert sich die theoretische Amplitude bei Nipptide auf 29 Zentimeter (11 Zoll). Angesichts der elliptischen Natur der Umlaufbahn der Erde um die Sonne und der Umlaufbahn des Mondes um die Erde weisen die Gezeitenamplituden aufgrund schwankender Entfernungen zwischen Erde, Sonne und Erde und Mond Schwankungen auf. Diese Exzentrizität der Umlaufbahn führt zu einer Variation der Gezeitenkraft und der theoretischen Amplitude von etwa ±18 % bei Mondgezeiten und ±5 % bei Sonnengezeiten. Sollten Sonne und Mond während einer Neumondphase gleichzeitig ihre nächstgelegenen Orbitalpositionen einnehmen und sich ausrichten, könnte die theoretische Gezeitenamplitude 93 Zentimeter (37 Zoll) erreichen.

Die tatsächlichen Gezeitenamplituden weisen erhebliche Schwankungen auf, die auf Faktoren wie Bathymetrieschwankungen, kontinentale Landmassen und die natürliche Ausbreitungsperiode der ozeanischen Wellen zurückzuführen sind, die in etwa der Rotationsperiode der Erde entspricht. Beispielsweise würde eine langwellige Oberflächenwelle ohne Landmassen etwa 30 Stunden benötigen, um den halben Erdumfang entlang des Äquators zu durchqueren (im Gegensatz dazu besitzt die Lithosphäre der Erde eine natürliche Periode von etwa 57 Minuten). Darüber hinaus wird die Reaktion des Ozeans auf Gezeitenkräfte durch die Gezeiten der Erde, die eine vertikale Verschiebung des Meeresbodens bewirken, und die gravitative Selbstanziehung der Gezeiten selbst erheblich erschwert.

Dissipation

Terrestrische Gezeitenschwankungen erzeugen eine durchschnittliche Verlustleistung von etwa 3,75 Terawatt. Meeresgezeitenbewegungen sind für etwa 98 % dieser Energiedissipation verantwortlich. Diese Dissipation tritt auf, wenn Gezeitenströme im Beckenbereich kleinere Strömungen induzieren, was zu turbulenten Energieverlusten führt. Der daraus resultierende Gezeitenwiderstand übt ein Drehmoment auf den Mond aus, überträgt zunehmend Drehimpuls auf seine Umlaufbahn und führt zu einer allmählichen Vergrößerung des Abstands zwischen Erde und Mond. Gleichzeitig verringert das auf die Erde ausgeübte gleiche und entgegengesetzte Drehmoment ihre Rotationsgeschwindigkeit. Folglich entfernt sich der Mond im geologischen Zeitrahmen mit einer Geschwindigkeit von etwa 3,8 Zentimetern (1,5 Zoll) pro Jahr von der Erde und verlängert so den Tag auf der Erde.

In den letzten 600 Millionen Jahren hat sich die Dauer eines Tages auf der Erde um etwa zwei Stunden erhöht. Unter der vereinfachenden Annahme einer konstanten Verzögerungsrate deutet dies darauf hin, dass die Tageslänge vor 70 Millionen Jahren etwa 1 % kürzer war, was zu etwa vier zusätzlichen Tagen pro Jahr führte.

Bathymetrie

Die Morphologie der Küstenlinien und des Meeresbodens beeinflusst die Ausbreitung der Gezeiten erheblich und schließt eine einfache, universelle Regel zur Vorhersage von Hochwasserzeiten ausschließlich auf der Grundlage der Himmelsposition des Mondes aus. Folglich wirken sich lokale Küsteneigenschaften, einschließlich Bathymetrie und Küstenlinienkonfiguration, auf die Gezeitenvorhersage aus und führen aufgrund des Einflusses der Küstenmorphologie auf Gezeitenströmungen zu potenziellen Diskrepanzen zwischen tatsächlichen Hochwasserzeiten und -höhen und denen, die aus Vorhersagemodellen abgeleitet wurden. Dennoch bleibt für jeden bestimmten Ort die Beziehung zwischen der Mondhöhe und dem Zeitpunkt von Flut oder Ebbe (bekannt als Mondtidenintervall) relativ konsistent und vorhersehbar, ebenso wie der Zeitpunkt der Gezeiten im Verhältnis zu anderen Punkten entlang derselben Küstenlinie. Beispielsweise tritt in Norfolk, Virginia, USA, etwa zweieinhalb Stunden vor dem Zenitdurchgang des Mondes regelmäßig Hochwasser auf.

Kontinentale Landmassen und ozeanische Becken behindern die freie globale Wasserbewegung, und ihre unterschiedlichen Geomorphologien beeinflussen die Gezeitenfrequenzen. Folglich weisen die Gezeitenmuster erhebliche regionale Unterschiede auf. An der Ostküste der USA und an den Atlantikküsten Europas treten beispielsweise hauptsächlich halbtägige Gezeiten auf, während die Westküste der USA durch gemischte Gezeiten gekennzeichnet ist. Anthropogene Veränderungen der Landschaft können auch die lokalen Gezeitenregime erheblich verändern.

Beobachtung und Vorhersage

Timing

Mond- und Sonnengezeitenkräfte erzeugen ausgedehnte lange Wellen, die sich im gesamten Ozean ausbreiten und dabei in Gezeitenkarten dargestellte Bahnen verfolgen. Die Ankunftszeit eines Wellenbergs in einem bestimmten Hafen bestimmt die örtliche Hochwasserzeit. Die ozeanische Ausbreitungszeit dieser Wellen führt zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen den Mondphasen und ihren entsprechenden Gezeiteneffekten. Beispielsweise treten Spring- und Nippfluten in der Nordsee etwa zwei Tage nach dem Neu-/Vollmond bzw. dem ersten/dritten Viertelmond auf. Dieses Phänomen wird als Alter der Gezeiten bezeichnet.

Die ozeanische Bathymetrie bestimmt maßgeblich den genauen Zeitpunkt und die Amplitude der Gezeiten an bestimmten Küstenorten. Bemerkenswerte Extrembeispiele sind die Bay of Fundy an der Ostküste Kanadas, die häufig als die Region mit den höchsten Gezeiten der Welt bezeichnet wird, ein Merkmal, das auf ihre einzigartige Geomorphologie, Bathymetrie und Nähe zum Rand des Festlandsockels zurückzuführen ist. Im November 1998 dokumentierten Messungen am Burntcoat Head in der Bay of Fundy einen maximalen Tidenhub von 16,3 Metern (53 Fuß) und einen höchsten vorhergesagten Extremwert von 17 Metern (56 Fuß). Vergleichbare Messungen, die im März 2002 im Leaf Basin in der Ungava Bay im Norden Quebecs durchgeführt wurden, ergaben ähnliche Werte (unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten) mit einer maximalen Reichweite von 16,2 Metern (53 Fuß) und einem höchsten vorhergesagten Extremwert von 16,8 Metern (55 Fuß). Während sowohl die Ungava-Bucht als auch die Bay of Fundy relativ zum Rand des Festlandsockels ähnlich positioniert sind, bleibt die Ungava-Bucht nur etwa vier Monate im Jahr eisfrei, während die Bay of Fundy selten zufriert.

Southampton im Vereinigten Königreich erlebt ein doppeltes Hochwasserphänomen, das aus der Wechselwirkung zwischen den Gezeitenbestandteilen M₂ und M§67§ resultiert, die als Flachwasserüberflutungen der Hauptmondflut identifiziert werden. In ähnlicher Weise kommt es in Portland aufgrund desselben zugrunde liegenden Mechanismus zu doppeltem Niedrigwasser. Die Flut M§1011§ ist entlang der gesamten Südküste des Vereinigten Königreichs vorherrschend; Ihre Auswirkungen sind jedoch im Gebiet zwischen der Isle of Wight und Portland am deutlichsten, vor allem weil die M§14_{15§-Gezeiten in dieser spezifischen Region ihre minimale Amplitude erreichen.}

Das Mittelmeer und die Ostsee weisen ihre größten Gezeitenamplituden in der Nähe ihrer engen Verbindungen mit dem Atlantischen Ozean auf, eine Folge davon, dass ihre Schwingungsmodi nicht mit wesentlichen astronomischen Antriebsperioden übereinstimmen. Analog dazu kommt es im Golf von Mexiko und im Japanischen Meer aus identischen Gründen zu außergewöhnlich geringen Gezeiten. In anderen geografischen Kontexten, beispielsweise entlang der Küste Südaustraliens, können verringerte Gezeitenbereiche auf die Nähe eines amphidromischen Punktes zurückgeführt werden.

Analyse

Isaac Newtons Gravitationstheorie lieferte den ersten Rahmen für die Erklärung des typischen Auftretens von zwei täglichen Gezeiten anstelle einer einzigen und förderte so die Aussicht auf ein umfassendes Verständnis der Gezeitenkräfte und ihrer Dynamik. Während es den Anschein hat, dass Gezeitenphänomene allein durch genaue Kenntnis der momentanen astronomischen Kräfte vorhergesagt werden könnten, wird das tatsächliche Gezeitenverhalten an einem bestimmten Ort durch astronomische Kräfte beeinflusst, die sich über mehrere Tage im Wasserkörper ansammeln. Darüber hinaus sind für genaue Vorhersagen detaillierte Informationen über die Morphologie aller Ozeanbecken erforderlich, einschließlich ihrer Bathymetrie und Küstenlinienkonfiguration.

Die zeitgenössische Methodik zur Gezeitenanalyse nutzt die harmonische Analysetechnik, die William Thomson in den 1860er Jahren einführte. Dieser Ansatz geht davon aus, dass astronomische Theorien über die Bewegungen der Sonne und des Mondes zahlreiche Komponentenfrequenzen definieren, von denen jede mit einer Kraftkomponente verbunden ist, die eine Gezeitenbewegung induziert. Entscheidend ist, dass die Gezeiten an jedem bestimmten geografischen Ort auf der Erde auf jede dieser Frequenzen mit einer einzigartigen Amplitude und Phase reagieren, die für diesen bestimmten Ort charakteristisch ist. Folglich werden die Gezeitenhöhen an jedem interessierenden Ort über einen längeren Zeitraum hinweg – in der Regel über ein Jahr bei neu untersuchten Häfen – sorgfältig gemessen, um die analytische Differenzierung der Reaktionen bei jeder signifikanten gezeitenerzeugenden Häufigkeit zu erleichtern. Dieser Prozess ermöglicht die Extraktion von Gezeitenkonstanten für eine ausreichende Anzahl der wichtigsten bekannten Komponenten astronomischer Gezeitenkräfte und ermöglicht so eine praktische Gezeitenvorhersage. Es wird erwartet, dass die Gezeitenhöhen der Gezeitenkraft entsprechen und für jede Komponente eine konsistente Amplitude und Phasenverzögerung aufweisen. Da astronomische Frequenzen und Phasen präzise bestimmt werden können, können zukünftige Gezeitenhöhen genau vorhergesagt werden, sobald die Reaktion auf die harmonischen Komponenten der astronomischen gezeitenerzeugenden Kräfte festgestellt wurde.

Zu den primären Mustern, die bei Gezeitenphänomenen beobachtet werden, gehören:

• die halbtägige Variation;
• die tägliche Ungleichheit;
• der Frühling-Niep-Zyklus;
• die jährliche Variation.

Die Höchste astronomische Flut (HAT) ist als perigäische Springflut definiert, die auftritt, wenn sowohl die Sonne als auch der Mond ihre größte orbitale Nähe zur Erde haben.

Bei der Analyse periodisch variierender Funktionen beinhaltet die herkömmliche Methodik die Anwendung von Fourier-Reihen. Diese Analysetechnik verwendet Sinusfunktionen als Basis mit Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache (null, eins, zwei, drei usw.) der Frequenz eines bestimmten Grundzyklus sind. Diese Vielfachen werden als Harmonische der Grundfrequenz bezeichnet, und das gesamte Verfahren wird als harmonische Analyse bezeichnet. Wenn der gewählte Basissatz von Sinusfunktionen das modellierte Verhalten genau darstellt, ist eine relativ kleine Anzahl harmonischer Terme ausreichend. Da Orbitalbahnen annähernd kreisförmig sind, eignen sich sinusförmige Variationen besonders gut zur Modellierung von Gezeitenphänomenen.

Bei der praktischen Analyse von Gezeitenhöhen erfordert die Fourier-Reihen-Methodik eine anspruchsvollere Anwendung als nur die Verwendung einer einzelnen Frequenz und der damit verbundenen Harmonischen. Gezeitenmuster werden folglich in zahlreiche Sinuskurven zerlegt, von denen jede unterschiedliche Grundfrequenzen besitzt. Diese Frequenzen entsprechen, ähnlich der Mondtheorie, verschiedenen Kombinationen der Bewegungen der Erde und des Mondes sowie den Winkelparametern, die die Konfiguration und Position ihrer jeweiligen Umlaufbahnen beschreiben.

Bei der Gezeitenanalyse geht die harmonische Analyse über die von einer einzelnen Frequenz abgeleiteten Harmonischen hinaus. Folglich werden die konstituierenden Harmonischen aus mehreren Grundfrequenzen abgeleitet, die von der singulären Grundfrequenzcharakteristik einer grundlegenden Fourier-Reihenmethodik abweichen. Die Darstellung dieser Phänomene allein durch eine Fourier-Reihe mit einer einzelnen Grundfrequenz und ihren ganzzahligen Vielfachen würde eine umfangreiche Anzahl von Termen erfordern und erhebliche zeitliche Einschränkungen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit aufweisen.

Die Untersuchung der Gezeitenhöhe durch harmonische Analyse wurde von Laplace, William Thomson (Lord Kelvin) und George Darwin initiiert. BEI. Doodson erweiterte diese Forschung anschließend und etablierte die Doodson-Zahl-Notation, um die zahlreichen resultierenden Begriffe systematisch zu kategorisieren. Diese Methodik wurde später international standardisiert. Die diesem Modell innewohnende Komplexität ergibt sich aus der konzeptionellen Darstellung der gezeitenerhöhenden Kraft als Summe mehrerer konstituierender Terme. Im Einzelnen folgt jeder Begriff der folgenden mathematischen Struktur:

A o cos ⁡<!-- ⁡ --> ( ω<!-- ω --> t + p ) , {\displaystyle A_o\cos(\omega t+p),

wobei

A_o stellt die Amplitude dar;

ω bezeichnet die Winkelfrequenz, typischerweise ausgedrückt in Grad pro Stunde, entsprechend der Variablen t, wenn sie in Stunden gemessen wird;

p bezeichnet den Phasenversatz relativ zu den astronomischen Bedingungen zum Zeitpunkt t = 0.

Diese Formulierung enthält einen Begriff speziell für den Mond und einen eigenen zweiten Begriff für die Sonne. Der Phasenparameter p, der mit der primären Harmonischen des Mondterms verbunden ist, wird als Mondtidenintervall oder alternativ als Hochwasserintervall bezeichnet.

Eine anschließende Verfeinerung beinhaltet die Einbeziehung harmonischer Terme, die die elliptischen Konfigurationen der Umlaufbahnen berücksichtigen. Um dies zu erreichen, wird die Amplitude als eine zeitvariante Größe betrachtet, die um die mittlere Amplitude A_o oszilliert, und nicht als eine Konstante. Konkret wird A_o in der vorhergehenden Gleichung durch A(t) ersetzt, wobei A selbst eine zusätzliche Sinusfunktion darstellt, konzeptionell analog zu den Zyklen und Epizyklen in ptolemäischen astronomischen Modellen. Diese Ersetzung ergibt den folgenden Ausdruck:

A ( t ) = A o ( §3031§ + A a cos ⁡ ( ω a t + p a ) ) , {\displaystyle A(t)=A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos(\omega _{a}t+p_{a}){\bigr )},

Dieser Ausdruck gibt einen Durchschnittswert A_o an, moduliert durch eine sinusförmige Variation der Größe A_a, gekennzeichnet durch eine Frequenz ω_a und eine Phase p_a. Die Einsetzung dieses Ausdrucks für A_o in die Ausgangsgleichung führt zu einem Produkt aus zwei Kosinusfaktoren:

A o ( §2021§ + A a cos ⁡ ( ω a t + p a ) ) cos ⁡ ( ω t + p ) . {\displaystyle A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos(\omega _{a}t+p_{a}){\bigr )}\cos(\omega t+p).

Es wird festgestellt, dass für alle Variablen x und y,

cos ⁡<!-- ⁡ --> x cos ⁡<!-- ⁡ --> y = §2526§ §2728§ cos ⁡ ( x + y ) + §5253§ §5455§ cos ⁡ ( x − y ) , {\displaystyle \cos x\cos y={\tfrac {1}{2}}\cos(x+y)+{\tfrac {1}{2}}\cos(x-y),

Es ist offensichtlich, dass ein zusammengesetzter Term, der aus dem Produkt zweier Kosinusterme mit jeweils unterschiedlicher Häufigkeit besteht, drei einfachen Kosinustermen entspricht. Diese Terme werden anschließend mit der ursprünglichen Häufigkeit sowie mit Häufigkeiten hinzugefügt, die die Summe und Differenz der beiden Teilfrequenzen des Produktterms darstellen. Dies ergibt drei Terme statt zwei, da der vollständige Ausdruck durch ( §1011§ + cos ⁡<!-- ⁡ --> x ) cos ⁡<!-- ⁡ --> y {\displaystyle (1+\cos x)\cos y}. Darüber hinaus hängt die auf einen bestimmten Ort ausgeübte Gezeitenkraft auch von der Position des Mondes (oder der Sonne) relativ zur Äquatorialebene (d. h. oben oder unten) ab. Diese Umlaufeigenschaften führen zu zusätzlichen Perioden, die weder mit einem Tag noch mit einem Monat vergleichbar sind, was zu einer Vielzahl resultierender Kombinationen führt. Durch eine sorgfältige Auswahl grundlegender astronomischer Frequenzen quantifiziert die Doodson-Zahl systematisch die spezifischen Additionen und Unterschiede, die erforderlich sind, um die Frequenz für jeden einzelnen einfachen Kosinusterm abzuleiten.

Es ist wichtig zu beachten, dass astronomische Gezeiten ausdrücklich keine meteorologischen Einflüsse berücksichtigen. Darüber hinaus können Veränderungen der örtlichen Umweltbedingungen, wie z. B. die Migration von Sandbänken oder das Ausbaggern von Hafeneinfahrten, erhebliche Auswirkungen auf den tatsächlichen Zeitpunkt und die Stärke der Gezeiten haben, insbesondere wenn diese Bedingungen von den während der Messung herrschenden Bedingungen abweichen. Unternehmen, die eine „höchste astronomische Flut“ für einen bestimmten Standort veröffentlichen, können diesen Wert erhöhen. Diese Übertreibung dient oft als Sicherheitsmarge, um analytische Unsicherheiten, die Entfernung vom nächstgelegenen Messpunkt, zeitliche Änderungen seit der letzten Beobachtung, Bodensenkungen und andere Faktoren zu berücksichtigen und so die potenzielle Haftung zu mindern, wenn ein Ingenieurbauwerk überragt wird. Daher ist besondere Vorsicht geboten, wenn das Ausmaß einer „Wetterflut“ durch Abzug der astronomischen Flut von der empirisch beobachteten Flut bestimmt wird.

Eine sorgfältige Fourier-Datenanalyse über einen Zeitraum von neunzehn Jahren (in den Vereinigten Staaten als National Tidal Datum Epoch bezeichnet) verwendet Frequenzen, die als harmonische Gezeitenbestandteile bekannt sind. Diese neunzehnjährige Dauer wird aufgrund der nahezu exakten Wiederholung der relativen Positionen von Erde, Mond und Sonne innerhalb des metonischen Zyklus bevorzugt, ein Zeitraum, der ausreicht, um den 18,613 Jahre dauernden Gezeitenbestandteil des Mondknotens zu umfassen. Eine solche Analyse kann nur mit Kenntnis der Antriebsperiode durchgeführt werden, wodurch ein detailliertes Verständnis der mathematischen Ableitung entfällt; Daher werden seit Jahrhunderten praktische Gezeitentabellen erstellt. Die abgeleiteten Amplituden und Phasen erleichtern anschließend die Vorhersage der zu erwartenden Gezeiten. Während Bestandteile in der Größenordnung von 12 Stunden (als halbtägige Bestandteile bezeichnet) typischerweise den primären Einfluss ausüben, gibt es auch bedeutende Bestandteile in der Nähe von 24 Stunden (tägliche). Zu den weiteren längerfristigen Bestandteilen gehören solche, die alle 14 Tage (oder zweiwöchentlich), monatlich und halbjährlich auftreten. Obwohl an den meisten Küsten halbtägige Gezeiten vorherrschen, weisen bestimmte Regionen wie das Südchinesische Meer und der Golf von Mexiko überwiegend tageszeitliche Gezeitenmuster auf. Innerhalb halbtägiger Zonen weisen die Hauptbestandteile M§1415§ (Mond) und S§1819§ (Solar) leicht voneinander abweichende Perioden auf. Diese Diskrepanz führt zu zweiwöchentlichen (14-tägigen) Schwankungen in ihren relativen Phasen und folglich in der Amplitude der resultierenden kombinierten Gezeiten.

Im oben genannten M₂-Diagramm stellt jede Kotidallinie eine einstündige Phasendifferenz zu benachbarten Linien dar, wobei dickere Linien Gezeiten in der Gleichgewichtsphase in Greenwich anzeigen. Auf der Nordhalbkugel drehen sich diese Linien gegen den Uhrzeigersinn um amphidrome Punkte, was dazu führt, dass sich die Flut M§6_{7§ von der Halbinsel Niederkalifornien nach Alaska und von Frankreich nach Irland ausbreitet. Umgekehrt verläuft diese Ausbreitungsrichtung auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. Die M§1011§-Gezeiten breiten sich jedoch gegen den Uhrzeigersinn um Neuseeland herum aus, ein Phänomen, das auf die Barrierewirkung der Inseln zurückzuführen ist, die unterschiedliche Gezeitenhöhen auf den gegenüberliegenden Seiten ermöglicht. (Bemerkenswert ist, dass sich die Gezeiten entlang der Ostküste nach Norden und entlang der Westküste nach Süden ausbreiten, was mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt.)}

Eine Ausnahme gibt es in der Cookstraße, wo Gezeitenströmungen periodisch Hochwasser und Niedrigwasser verbinden. Dieses Phänomen entsteht, weil die Kotidallinien, die im 180°-Winkel um Amphidrome verlaufen, sich in entgegengesetzten Phasen befinden, was durch Hochwasser gegenüber Niedrigwasser an jedem Ende der Cookstraße veranschaulicht wird. Da jede Gezeitenkomponente eine eigene Konfiguration von Amplituden, Phasen und amphidromischen Punkten aufweist, sind die für M₂ beobachteten Muster nicht auf andere Gezeitenkomponenten übertragbar.

Gezeitentabellen

Gezeitentabellen bieten vorhergesagte Zeiten und Amplituden (oder „Gezeitenbereiche“) für bestimmte geografische Standorte. Diese Vorhersagen unterliegen zahlreichen Einflüssen, wie der Ausrichtung von Sonne und Mond, der Phase und Amplitude der Gezeiten (die das Gezeitenmuster der Tiefsee darstellen), den ozeanischen amphidromischen Systemen sowie der Morphologie der Küstenlinie und der küstennahen Bathymetrie.

Während Tabellen Vorhersagen bieten, werden der tatsächliche Zeitpunkt und die Höhe der Gezeiten von meteorologischen Faktoren wie Wind und Luftdruck beeinflusst. Zahlreiche Küstenregionen weisen halbtägige Gezeiten auf, die durch zwei ungefähr gleiche Flut- und Ebbezeiten pro Tag gekennzeichnet sind. Umgekehrt gibt es an anderen Orten tägliche Gezeiten mit einer einzigen Flut und Ebbe pro Tag. Eine dritte gängige Klassifizierung ist die „Mischflut“, bei der innerhalb eines Tages zwei Gezeiten unterschiedlicher Stärke auftreten.

Anschauliche Berechnung

Aufgrund der Umlaufbewegung des Mondes um die Erde in derselben Richtung wie die Erdrotation muss sich ein Punkt auf der Erde um eine zusätzliche Strecke drehen, um sich neu auszurichten. Dies führt zu einem Zeitraum zwischen den halbtägigen Gezeiten von 12,4206 Stunden, etwa fünfundzwanzig Minuten länger als zwölf Stunden. Die beiden täglichen Gezeitenspitzen sind nicht gleich groß. Bei den beiden täglichen Fluten wechseln sich die Maximalhöhen ab: ein niedrigeres Hoch (etwas unter einem Meter), gefolgt von einem höheren Hoch (etwas mehr als einem Meter) und dann einem weiteren niedrigeren Hoch. Ein ähnliches Muster ist bei Ebbe zu beobachten.

Wenn Erde, Mond und Sonne ausgerichtet sind (Syzygie, d. h. Sonne-Erde-Mond- oder Sonne-Mond-Erde-Konfigurationen), erzeugen ihre kombinierten Gravitationseinflüsse Springfluten; Umgekehrt kommt es zu Nippfluten, wenn diese beiden Kräfte einander entgegenwirken, beispielsweise wenn der Mond-Erde-Sonne-Winkel neunzig Grad erreicht. Während seiner Umlaufbahn wandert der Mond von Positionen nördlich des Äquators nach südlich des Äquators. Diese Umlaufbahnverschiebung führt dazu, dass der Wechsel der Fluthöhen abnimmt und schließlich gleich wird (zur Mond-Tagundnachtgleiche, wenn der Mond über dem Äquator steht). Anschließend tritt der Wechsel mit der entgegengesetzten Polarität wieder auf und nimmt bis zur maximalen Differenz zu, bevor er allmählich wieder abnimmt.

Gezeitenströmung

Die Analyse des Einflusses von Gezeiten auf Strömungen oder Strömungen stellt erhebliche Herausforderungen dar, ebenso wie die Sammlung relevanter Daten. Die Gezeitenhöhe, eine skalare Größe, weist über weite geografische Gebiete hinweg gleichmäßige Schwankungen auf. Umgekehrt stellt die Strömung eine Vektorgröße dar, die sowohl Größe als auch Richtung besitzt und mit der Tiefe und über kurze Entfernungen erheblich schwanken kann, was hauptsächlich durch die lokale Bathymetrie beeinflusst wird. Darüber hinaus bietet die Mittelachse eines Wasserkanals zwar den vorteilhaftesten Ort für Messungen, doch der Einsatz von Strömungsmessgeräten stößt bei Seeleuten häufig auf Widerstand, da die Wasserstraßen möglicherweise blockiert sind. Eine Strömung, die einen gekrümmten Kanal durchquert, kann trotz ständiger Richtungsänderungen entlang ihres Weges eine konstante Größe beibehalten. Entgegen der Intuition weisen Hochwasser und Ebbe häufig keine diametral entgegengesetzten Richtungen auf. Die Morphologie des stromaufwärts gelegenen Kanals bestimmt die Strömungsrichtung und nicht die stromabwärts gelegene Konfiguration. Ebenso kann die Bildung von Wirbeln auf eine einzige Strömungsrichtung beschränkt sein.

Trotz dieser Komplexität verläuft die Analyse von Gezeitenströmungen im Allgemeinen parallel zu der der Gezeitenhöhen. In einem vereinfachten Szenario bewegt sich die Hochwasserströmung an einem bestimmten Ort überwiegend in eine Richtung, während die Ebbeströmung in eine alternative Richtung verläuft. Herkömmlicherweise wird den Hochwassergeschwindigkeiten ein positives Vorzeichen zugewiesen, während die Ebbegeschwindigkeiten ein negatives Vorzeichen erhalten. Dieser analytische Ansatz behandelt diese Geschwindigkeiten analog zu Gezeitenhöhen.

In komplexeren Szenarien sind die primären Ebbe- und Flutströme möglicherweise nicht die dominierenden Faktoren. Vielmehr beschreiben Richtung und Stärke der Strömung einen elliptischen Pfad über einen vollständigen Gezeitenzyklus, wenn sie in einem Polardiagramm dargestellt werden, das von einem einfachen linearen Verlauf entlang der Ebbe- und Flutachsen abweicht. Folglich kann die Analyse in solchen Fällen Paare orthogonaler Richtungen umfassen, die als primär und sekundär bezeichnet werden. Ein alternativer methodischer Ansatz besteht darin, Gezeitenströme als komplexe Zahlen darzustellen, da jeder Wert von Natur aus sowohl Größe als auch Richtung besitzt.

Informationen über Gezeitenströme werden typischerweise über Seekarten verbreitet, wo sie in tabellarischer Form dargestellt werden und die Strömungsgeschwindigkeiten und Peilungen in stündlichen Schritten detailliert angeben, wobei für Spring- und Nipptide unterschiedliche Tabellen bereitgestellt werden. Die zeitliche Referenzierung dieser Daten erfolgt relativ zum Hochwasser eines ausgewiesenen Hafens, der ein vergleichbares Gezeitenmuster aufweist, unabhängig von seiner geografischen Entfernung.

Analog zu Gezeitenhöhenvorhersagen berücksichtigen Vorhersagen für Gezeitenströmungen, die ausschließlich auf astronomischen Parametern basieren, nicht die meteorologischen Bedingungen, die die Fähigkeit besitzen, die vorhergesagten Ergebnisse völlig zu verändern.

Cookstraße

Die Gezeitenströmung, die die Cookstraße zwischen den beiden Hauptinseln Neuseelands durchquert, stellt ein bemerkenswertes Fallbeispiel dar, da die Gezeiten auf beiden Seiten nahezu phasenverschoben sind und das Hochwasser auf der einen Seite mit dem Niedrigwasser auf der anderen Seite zusammenfällt. Dieses Phänomen erzeugt starke Strömungen, begleitet von einer nahezu vernachlässigbaren Änderung der Gezeitenhöhe am zentralen Punkt der Meerenge. Während jedoch eine Flutwelle in der Regel sechs Stunden lang eine unidirektionale Strömung aufrechterhält, bevor sie sich für eine entsprechende Dauer umkehrt, können sich bestimmte Flutwellen acht oder zehn Stunden lang hinziehen, wobei die anschließende umgekehrte Flut deutlich abgeschwächt wird. Unter besonders schwierigen meteorologischen Bedingungen kann der umgekehrte Wellengang vollständig unterdrückt werden, was dazu führt, dass die Strömung über drei oder mehr aufeinanderfolgende Wellenperioden in einer einzigen Richtung anhält.

Die Eigenschaften des Gezeitenzyklus der Cookstraße weisen auch Küstenschwankungen auf. Entlang der Westküste und innerhalb von Tasman/Golden Bay folgen die Gezeitenbereiche typischerweise einem herkömmlichen zweiwöchentlichen Frühling-Neap-Zyklus, der durch verstärkte Gezeitenbereiche bei Springfluten und verringerte Gezeitenbereiche bei Nippfluten gekennzeichnet ist, ein Phänomen, das hauptsächlich durch die Syzygie von Mond und Sonne beeinflusst wird. Umgekehrt weist das Gezeitenmuster in bestimmten östlichen Küstenregionen, einschließlich Gebieten in der Nähe von Wellington und Napier, eine ausgeprägtere monatliche Modulation auf, die mit Perigäan-Apogean-Signalen (Variationen in der Umlaufbahnentfernung des Mondes) korreliert und daher kein so deutliches zweiwöchentliches Frühlings-Neap-Signal aufweist.

Eine grafische Darstellung der Gezeiten in der Cookstraße im Zeitraum bis November 2007 zeigt die Höhen und Zeiten von Hoch- und Niedrigwasser. Bei diesen Datenpunkten handelt es sich keine um direkte Messungen, sondern um Berechnungen, die aus Gezeitenparametern abgeleitet wurden, die durch historische Messungen über mehrere Jahre hinweg ermittelt wurden. Seekarten zur Cookstraße bieten umfassende Informationen zur Gezeitenströmung. Beispielsweise bezog sich die Ausgabe vom Januar 1979, die die Koordinaten 41°13,9′S 174°29,6′E (nordwestlich von Kap Terawhiti gelegen) abdeckt, auf die Gezeitenzeiten für Westport, während in der Ausgabe vom Januar 2004 Wellington als verwendet wurde sein Bezugspunkt.

In der Nähe von Cape Terawhiti, in der zentralen Cookstraße gelegen, sind die Gezeitenhöhenschwankungen vernachlässigbar, während die Gezeitenströmung ihre Höchstgeschwindigkeit erreicht, insbesondere rund um den markanten Karori Rip. Abgesehen von meteorologischen Einflüssen werden die vorherrschenden Strömungen durch die Cookstraße durch die Gezeitenhöhenunterschiede zwischen den beiden Enden der Meerenge geprägt. Bezeichnenderweise spiegelt sich nur eine der beiden Springfluten am nordwestlichen Ende der Meerenge in der Nähe von Nelson in einer entsprechenden Springflut am südöstlichen Ende (Wellington) wider; Folglich stimmt die Gezeitendynamik nicht mit den Eigenschaften eines der beiden Referenzhäfen überein.

Nantucket Shoals

In der Nantucket Shoals-Region des Atlantischen Ozeans weisen Gezeitenströmungen einen rotierenden Charakter auf, wobei sich die Strömungsrichtung während eines Gezeitenzyklus schrittweise über alle Himmelsrichtungen hinweg verschiebt und nicht nur linear oszilliert. Über die Untiefen hinweg weisen diese Strömungen typischerweise eine Drehung im Uhrzeigersinn auf, wobei die Spitzengeschwindigkeiten üblicherweise zwischen 1,5 und 2,5 Knoten liegen und die Mindestgeschwindigkeiten etwa 0,5 Knoten betragen; Allerdings unterliegen die Geschwindigkeiten je nach geografischer Lage und Gezeitenphase erheblichen Schwankungen. Aufgrund der kontinuierlichen Rotationsverschiebung in der Strömungsrichtung und nicht einer abrupten Umkehrung fehlt eine deutliche Ruhephase, die für einfache Umkehrströmungen charakteristisch ist. Stattdessen schwankt die Stromgeschwindigkeit während des Zyklus, während sich ihr Richtungsvektor ständig ändert.

Stromerzeugung

Gezeitenenergie kann durch zwei Hauptmethoden genutzt werden: den Einsatz hydrokinetischer Turbinen innerhalb von Gezeitenströmungen oder den Bau von Staubecken, die den Wasserfluss durch Turbinen regulieren. Bei ersteren hängt der Energieertrag ausschließlich von der zeitlichen Dynamik und der Stärke des Gezeitenstroms ab. Dennoch können optimale aktuelle Standorte aufgrund einer möglichen Behinderung der Seeschifffahrt durch Turbinenanlagen unzugänglich sein. Umgekehrt ist der letztgenannte Ansatz mit erheblichen Baukosten für Staudämme verbunden, führt zu erheblichen Störungen der natürlichen Wasserkreisläufe und behindert die Schifffahrt. Dennoch bietet die Nutzung mehrerer Staubecken die Flexibilität, in vorgegebenen Zeitabständen Strom zu erzeugen. Bisher ist die Implementierung von Gezeitenstromerzeugungssystemen noch begrenzt (wobei die Anlage La Rance in Saint Malo, Frankreich, ein bemerkenswertes Beispiel ist), und diese Projekte stehen vor zahlreichen Herausforderungen. Abgesehen von ökologischen Überlegungen stellen die inhärenten Schwierigkeiten, Korrosion zu widerstehen und Biofouling einzudämmen, erhebliche technische Hürden dar.

Gezeitenkraft weist im Vergleich zu Windenergie eine größere Vorhersagbarkeit auf; Allerdings nimmt der Turbinenwirkungsgrad bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten erheblich ab, und da die Leistungsabgabe proportional zur dritten Potenz der Geschwindigkeit ist, sind Spitzenerzeugungsperioden von Natur aus nur von kurzer Dauer. Solche Schwankungen können durch Energiespeicherlösungen, hochentwickelte Turbinensteuerungssysteme, verteilte Gezeitenenergieanlagen oder durch Hybridisierung mit anderen erneuerbaren Energiequellen gemildert werden.

Navigation

Gezeitenströmungen sind für die Seeschifffahrt von entscheidender Bedeutung, und wenn diese Strömungen nicht berücksichtigt werden, kann dies zu erheblichen Positionsungenauigkeiten führen. Darüber hinaus sind die Gezeitenhöhen von erheblicher Bedeutung; Beispielsweise verfügen zahlreiche Flüsse und Häfen über eine flache „Bar“ an ihrer Einfahrt, die verhindert, dass Schiffe mit erheblichem Tiefgang bei Ebbe eindringen.

Vor der weit verbreiteten Einführung automatisierter Navigationssysteme war die Fähigkeit, Gezeiteneffekte zu berechnen, eine wesentliche Fähigkeit für Marineoffiziere. Historisch gesehen bescheinigte das Lieutenant-Prüfungszeugnis der Royal Navy einem Kandidaten die Fähigkeit, „seine Gezeiten zu ändern“, was bedeutet, dass er die Gezeitenberechnungen beherrscht.

Informationen zu Gezeitenströmungszeiten und -geschwindigkeiten werden normalerweise in Gezeitenkarten oder einem speziellen Gezeitenstromatlas dargestellt. Diese Karten werden üblicherweise in aufeinanderfolgenden Sätzen ausgegeben. Jedes einzelne Diagramm zeigt den durchschnittlichen Gezeitenfluss für ein bestimmtes einstündiges Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Hochwassern, wobei der verbleibende Zeitraum von 24 Minuten weggelassen wird. Ein Richtungspfeil auf der Gezeitenkarte gibt sowohl die Richtung als auch die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit (konventionell ausgedrückt in Knoten) für Frühlings- und Nipptide an. In Ermangelung einer speziellen Gezeitenkarte enthalten die meisten Seekarten „Gezeitenrauten“, die bestimmte Kartenpositionen mit einer tabellarischen Darstellung der Strömungsrichtung und -geschwindigkeit der Gezeiten in Beziehung setzen.

Die herkömmliche Methode zur Kompensation von Gezeiteneinflüssen während der Navigation umfasst drei Schritte: (1) Berechnen einer „Dead Reckoning“ (DR)-Position basierend auf der zurückgelegten Strecke und dem gesteuerten Kurs, (2) Markieren dieser Position auf der Karte mit einem vertikalen Kreuz und (3) Projizieren einer Linie vom DR in Richtung der Gezeitenströmung. Die durch die Gezeitenströmung verursachte Verschiebung des Schiffes entlang dieser projizierten Linie wird dann anhand der Gezeitengeschwindigkeit berechnet und ergibt eine „geschätzte Position“ (EP), die herkömmlicherweise durch einen in einem Dreieck eingeschlossenen Punkt angegeben wird.

Hydrografische Karten zeigen die kartierten Wassertiefen an bestimmten Punkten anhand von Sondierungen und durch bathymetrische Höhenlinien an, die die Morphologie des unter Wasser liegenden Meeresbodens beschreiben. Diese Messungen beziehen sich auf ein bestimmtes „Kartendatum“, das typischerweise als Wasserstand bei niedrigster astronomischer Flut (LAT) definiert ist. In der Vergangenheit wurden jedoch alternative Daten verwendet, und meteorologische Faktoren können dazu führen, dass die Gezeitenschwankungen die astronomischen Vorhersagen überschreiten oder unterschreiten. Folglich stellen die kartierten Tiefen die minimale Wassersäule dar, die während eines Gezeitenzyklus verfügbar ist. Zusätzlich können „Trocknungshöhen“ angegeben werden, die die Höhe des freigelegten Meeresbodens bei niedrigster astronomischer Flut angeben.

Gezeitentabellen liefern tägliche Daten zu Hoch- und Niedrigwasserhöhen und den entsprechenden Zeiten. Um die tatsächliche Wassertiefe zu bestimmen, muss die kartierte Tiefe zur vorhergesagten Gezeitenhöhe addiert werden. Für Zwischenzeiten können Wassertiefen mithilfe von Gezeitenkurven interpoliert werden, die typischerweise für bedeutende Häfen verfügbar sind. In Ermangelung präziser Gezeitenkurven bietet die „Zwölftelregel“ eine ausreichende Annäherung. Diese Methode geht davon aus, dass die Tiefenzunahme über den Zeitraum von sechs Stunden zwischen Niedrig- und Hochwasser einer bestimmten Verteilung folgt: 1/12 während der ersten Stunde, 2/12 während der zweiten, 3/12 während der dritten, 3/12 während der vierten, 2/12 während der fünften und 1/12 während der sechsten.

Biologische Überlegungen

Gezeitenökologie

Die Gezeitenökologie konzentriert sich auf die Untersuchung von Ökosystemen, die zwischen den Niedrig- und Hochwassermarken der Küstenumgebung liegen. Bei Ebbe ist diese Zone freigelegt (oder überflutet), während sie bei Flut untergetaucht (oder untergetaucht) ist. Daher analysieren Gezeitenökologen die komplexen Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer physischen Umgebung sowie interspezifische Beziehungen. Die vorherrschenden ökologischen Wechselwirkungen hängen von den spezifischen Merkmalen der Gezeitengemeinschaft ab. Die primäre Klassifizierung dieser Gemeinschaften erfolgt typischerweise durch die Art des Substrats, wobei zwischen felsigen Ufern und Lebensräumen mit weichem Boden unterschieden wird.

Organismen, die Gezeitenzonen bewohnen, sind mit einer stark schwankenden und häufig herausfordernden Umgebung konfrontiert, die spezielle Anpassungen erfordert, um unter diesen Bedingungen zu überleben und sogar zu gedeihen. Ein herausragendes Merkmal ist die vertikale Zonierung, bei der sich die biologische Gemeinschaft in diskrete horizontale Bänder bestimmter Arten aufteilt, die jeweils eine bestimmte Höhe über der Niedrigwassermarke einnehmen. Die obere Verbreitungsgrenze einer Art wird in erster Linie durch ihre Toleranz gegenüber Austrocknung bestimmt, während interspezifische Konkurrenz typischerweise ihre untere Grenze festlegt.

Menschliche Populationen nutzen Gezeitenregionen sowohl für die Ernährung als auch für Freizeitaktivitäten. Durch Übernutzung können Gezeitenökosysteme direkt geschädigt werden. Darüber hinaus haben andere anthropogene Einflüsse, darunter die Einführung invasiver Arten und die Auswirkungen des Klimawandels, erhebliche schädliche Auswirkungen. Die Einrichtung von Meeresschutzgebieten stellt eine praktikable Strategie für Gemeinden dar, um diese kritischen Lebensräume zu schützen und wissenschaftliche Untersuchungen zu erleichtern.

Biologische Rhythmen

Die etwa 12-stündigen und alle zwei Wochen stattfindenden Gezeitenzyklen haben großen Einfluss auf Gezeiten- und Meeresorganismen. Folglich manifestieren sich ihre biologischen Rhythmen häufig als ungefähre Vielfache dieser Gezeitenperiodizitäten. Zahlreiche andere Tierarten, darunter auch Wirbeltiere, weisen vergleichbare zirkatidale Rhythmen auf. Anschauliche Beispiele umfassen Trächtigkeitsperioden und das Schlüpfen von Eiern. Beim Menschen ähnelt der Menstruationszyklus ungefähr einem Mondmonat, der ein gerades Vielfaches der Gezeitenperiode ist. Diese beobachteten Parallelen deuten auf eine mögliche gemeinsame Evolutionslinie aller Tiere hin, die von einem marinen Vorfahren abstammt.

Andere Gezeitenphänomene

Interne Gezeiten

Oszillierende Gezeitenströmungen in einem geschichteten Ozean induzieren bei Wechselwirkung mit der unregelmäßigen Topographie des Meeresbodens die Erzeugung interner Wellen, die durch Gezeitenfrequenzen gekennzeichnet sind.

Seegezeiten

Bedeutende Seen, darunter Superior und Erie, können Gezeitenschwankungen von 1 bis 4 cm (0,39 bis 1,6 Zoll) aufweisen; Allerdings werden diese subtilen Schwankungen oft durch meteorologisch bedingte Phänomene wie Seiches verdeckt. Beispielsweise soll die Gezeitenamplitude im Michigansee zwischen 1,3 und 3,8 cm (0,5 bis 1,5 Zoll) oder alternativ 4,4 cm (1+3⁄§56§ in) betragen. Solche minimalen Gezeitenstärken werden vollständig von anderen, substanzielleren Einflüssen überschattet, was dazu führt, dass diese Seen als praktisch nicht gezeitenabhängig eingestuft werden.

Atmosphärische Gezeiten

In Bodennähe und in typischen Flughöhen gelten atmosphärische Gezeiten als vernachlässigbar, da ihre Auswirkungen durch bedeutendere meteorologische Phänomene verdeckt werden. Diese Gezeiten entstehen sowohl durch Gravitations- als auch durch thermische Kräfte und stellen die primären dynamischen Prozesse in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre dar, etwa 80 bis 120 Kilometer (50 bis 75 Meilen) über der Erdoberfläche, jenseits derer die molekulare Dichte nicht mehr ausreicht, um ein flüssigkeitsähnliches Verhalten aufrechtzuerhalten.

Erdgezeiten

Terrestrische Gezeiten, auch Erdgezeiten genannt, üben einen Einfluss auf die gesamte Masse des Planeten aus, der sich wie ein Flüssigkeitskreisel verhält, der von einer bemerkenswert dünnen Kruste umgeben ist. Die Erdkruste erfährt aufgrund der Gravitationskräfte von Mond und Sonne, ozeanischen Gezeiteneffekten und atmosphärischen Druckschwankungen Verschiebungen – vertikal, in Längsrichtung und in Breitenrichtung. Obwohl sie für die meisten menschlichen Unternehmungen im Allgemeinen unbedeutend ist, kann die halbtägige Amplitude terrestrischer Gezeiten am Äquator etwa 55 Zentimeter (22 Zoll) erreichen, wobei 15 Zentimeter (5,9 Zoll) auf den Einfluss der Sonne zurückzuführen sind. Dieses Phänomen ist von erheblicher Bedeutung für die Kalibrierung von Global Positioning Systems (GPS) und Very Long Baseline Interferometry (VLBI)-Messungen. Genaue astronomische Winkelmessungen erfordern genaue Daten über die Rotationsgeschwindigkeit und die Polarbewegung der Erde, die beide durch die Gezeiten der Erde moduliert werden. Die halbtägigen M₂-Gezeiten auf der Erde weisen eine nahezu synchrone Phase mit dem Mond auf und weisen eine Verzögerung der primären halbtägigen Mondflut der Erde von 0,204° ± 0,047° auf, was einer ungefähren Zeitverzögerung von 25 Sekunden entspricht. Folglich wird geschätzt, dass diese starke Flut mindestens 110 GW (150.000.000 PS) Gezeitenenergie verbraucht, was etwa 5 % der Energie entspricht, die durch die Gezeiten des Ozeans verloren geht.

Galactic Tides

Galaktische Gezeiten beziehen sich auf die Gravitationskräfte, die Galaxien auf ihre Sterne und auf Satellitengalaxien im Orbit um sie herum ausüben. Im Sonnensystem wird angenommen, dass der Einfluss galaktischer Gezeiten auf die Oortsche Wolke für die Entstehung von 90 Prozent der langperiodischen Kometen verantwortlich ist.

Fehlbezeichnungen

Tsunamis, bei denen es sich um erhebliche Wellen handelt, die durch seismische Aktivitäten erzeugt werden, werden gelegentlich fälschlicherweise als Flutwellen bezeichnet. Diese Nomenklatur ergibt sich jedoch eher aus ihrer Ähnlichkeit mit Gezeitenphänomenen als aus einem direkten Kausalzusammenhang. Zu den weiteren Phänomenen, bei denen der Begriff Gezeiten verwendet wird, die jedoch nichts mit Gravitationsgezeiten zu tun haben, gehören Flut, Sturmflut, Hurrikanflut sowie schwarze oder rote Flut. Viele dieser Anwendungen haben historische Wurzeln und spiegeln eine ältere Definition von „Gezeiten“ als „ein Zeitabschnitt, eine Jahreszeit“ oder „eine Strömung, ein Bach oder eine Überschwemmung“ wider.

Kulturelle Bedeutung

Über ihre wissenschaftlichen Implikationen hinaus hatten Gezeiten historisch eine tiefgreifende kulturelle Bedeutung und beeinflussten mythologische Erzählungen, literarische Werke, sprachliche Ausdrücke und menschliche Sichtweisen auf die Welt. Wissenschaftler und Historiker beobachten, dass das rhythmische Auf und Ab des Ozeans in verschiedenen kulturellen Traditionen als allgegenwärtige Metapher für Konzepte wie Zeit, Transformation und den menschlichen Zustand gedient hat. Gleichzeitig haben Kulturhistoriker die komplexe Art und Weise, wie Gezeitenphänomene mit Folklore und literarischem Diskurs verknüpft sind, akribisch dokumentiert.

Vor dem Aufkommen wissenschaftlicher Aufklärung interpretierten zahlreiche antike Gesellschaften Gezeitenbewegungen häufig anhand kosmologischer Rahmen oder führten sie auf göttliche Eingriffe zurück. Dieser Ansatz unterstrich sowohl ein Gefühl der Ehrfurcht als auch ein Element des Mysteriums im menschlichen Verständnis der ozeanischen Rhythmen.

Im Laufe der Geschichte haben Künstler und Dichter immer wieder Gezeitenbilder verwendet, um Themen wie Metamorphose und Selbstbeobachtung zu untersuchen. Gezeiten kommen häufig in folkloristischen und literarischen Metaphern vor und symbolisieren Lebenszyklen, Schicksal und die schwankende Natur von Emotionen. Darüber hinaus ist der gravitative Einfluss des Mondes in zeremoniellen Praktiken an der Küste und maritimen Traditionen offensichtlich und unterstreicht die komplexe Beziehung zwischen natürlichen Periodizitäten und kulturellen Erzählungen.

Notizen

Notizen

Referenzen

• Geschichte der Gezeitenvorhersage, archiviert am 09.05.2015 bei der Wayback Machine
• UK Admiralty Easytide
• Gezeitenvorhersagen für Australien, den Südpazifik und andere Regionen. Antarktis
• Gezeiten- und Strömungsvorhersage für Stationen auf der ganzen Welt