Ebbe und Flut

Ebbe und Flut (Gezeiten), das Steigen und Fallen der Wasserfläche, das von der Anziehung des Mondes und der Sonne herrührt. (Das Wort Ebbe ist erst im 17. Jahrh. aus dem Niederdeutschen ins Hochdeutsche aufgenommen worden und bedeutet wahrscheinlich »Rückzug«.) Die Anziehung des Gestirns wirkt in einem ihm zugewendeten Punkte der Erdoberfläche stärker, in einem diametral entgegengesetzten Punkte derselben geringer als im Erdmittelpunkt. In beiden Fällen aber ist die Differenz der Anziehungen auf Mittelpunkt und Oberfläche der irdischen Schwerkraft entgegen gerichtet, vermindert diese also an beiden Punkten. Unter der Annahme eines ganz von Wasser überdeckten Erdballes findet deshalb dem Gestirn zu- und abgewendet je eine Erhebung der Wasserfläche statt, die infolge der 24stündigen Rotation der Erde diese umkreist und an einem Punkte täglich zweimal eine Erhebung und zweimal eine Senkung des Wasserspiegels hervorruft. Die von der Sonne und dem Mond gemeinsam herrührende Gezeitenwelle tritt stärker oder schwächer auf, je nachdem beide Gestirne in gemeinsamer oder entgegengesetzter Richtung wirksam sind. Ersteres ist der Fall zur Zeit des Voll- und Neumondes, und die dann erregten höchsten Fluten sind die Springfluten, letzteres zur Zeit des ersten und letzten Viertels, in der die niedrigsten, die Nippfluten, auftreten. Dieser in jedem Monat sich zweimal vollziehende Wechsel in der Höhe (und, wie leicht ersichtlich, auch in der Zeit) der Flutgröße wird als die halbmonatliche Ungleichheit bezeichnet. Wenn Sonne und Mond nicht im Äquator stehen, so befinden sich die diametral gegenüberliegenden Punkte größter Erhebung zu verschiedenen Seiten des Äquators. Die Erdrotation hat daher für einen und denselben Punkt eines Breitenparallels zur Folge, daß zwei Hochwasser von ungleicher Höhe im Laufe eines Tages beobachtet werden. Diese tägliche Ungleichheit kann bis zum Erlöschen des einen Hochwassers anwachsen, so daß dann Eintagsfluten entstehen wie im ganzen Indischen Ozean und in den chinesischen Gewässern; die tägliche Ungleichheit ist ferner sehr groß an der pacifischen Küste der Vereinigten Staaten von Nordamerika, im Golfe von Mexiko und auf den Inseln des Stillen Ozeans.

Das theoretische Verhältnis zwischen Mond- und Sonnenflut ergibt sich aus folgender Betrachtung. Die Anziehungskraft eines Gestirns ist proportional seiner Masse und umgekehrt proportional der dritten Potenz seiner Entfernung. Da nun die Sonnenmasse zwar 26,864,293,9mal größer ist als die Mondmasse, jedoch auch die Sonnenentfernung 388,5mal größer ist als die Mondentfernung, so ergibt sich das Verhältnis der fluterregenden Kraft der Sonne zu der des Mondes aus dem Quotienten 26864293,9/(388,5)³ = 0,4581, d.h. die theoretische Mondflut ist 2,2mal größer als die theoretische Sonnenflut. Der Theorie nach muß dann das Verhältnis von Springflut zur Nippflut sein (1+2,2):(2,2–1) oder 3,2:1,2 oder rund 100:40.

An den Küsten gelangen die Gezeiten nicht so zur Beobachtung, wie sie nach der eben angedeuteten statischen, hauptsächlich von Newton ausgebildeten Theorie in einem ununterbrochenen Weltmeer auftreten würden; es zeigt sich eine außerordentliche Mannigfaltigkeit der Erscheinungen, deren geographische Bedingtheit dann am ehesten klar wird, wenn man die Gezeiten als ein hydrodynamisches Problem, d.h. ein Problem von Wasserbewegungen, nach den Gesetzen der fortschreitenden Wellen untersucht. Die Vertreter dieser Wellentheorie Airys, unter denen in Deutschland Börgen hervorragt, nehmen natürlich als erste Ursache auch die Anziehung der Gestirne an, gehen aber von dem tatsächlichen, sozusagen terrestrischen Beobachtungsmaterial über Eintrittszeit und Höhe der Gezeiten aus und suchen zu ermitteln, wie groß die Länge (L), die Periode (T) und die Geschwindigkeit (C) einer fortschreitenden Gezeitenwelle sein müsse, um mit den Tatsachen vergleichweise am besten vereinigt zu werden. Man gelangt dabei unter einigen vereinfachenden Voraussetzungen über die dimensionale Gestaltung der Meeresbecken zu freien Wellen mit halb-, ganz-, 14tägiger Periode etc., deren Länge und Geschwindigkeit der Quadratwurzel aus der Tiefe (P) proportional ist. Bedeutet g die Schwerekonstante 9,8, so hat man L = T√(gP) und C = √(gP). Da gleichzeitig nicht bloß ein Wellensystem, sondern vielleicht mehrere sich nach den Gesetzen der Interferenz kreuzende Wellensysteme vorhanden sein können, so ist es für einige Meeresgebiete, z. B. Nordsee und Englischen Kanal, bereits gelungen, fast alle auffälligen Eigenheiten der E. u. F., wie sie daselbst wirklich auftritt, auf Grund dieser Wellentheorie als notwendig zu erklären und sichere Linien gleicher Hochwasserzeit (Isorachien, engl. Cotidal lines) zu ziehen. Einer der wichtigsten Vorzüge der neuern Wellentheorie ist die Möglichkeit, die später zu erwähnenden Gezeitenströmungen leicht abzuleiten.

Für den Seemann ist die Kenntnis der Eintrittszeit und der Höhe von E. u. F. bei dem Verkehr an den Küsten und in den Seehäfen von hervorragender Wichtigkeit, und man hat sich daher bemüht, die beiden Elemente für die einzelnen Orte voraus zu berechnen. Das Zeitintervall zwischen der Kulmination des Mondes am Tage von Neu- und Vollmond und dem darauf folgenden Hochwasser, die Hafenzeit des Ortes, ist als identisch zu betrachten mit der Eintrittszeit des Hochwassers am Nachmittag jener beiden Tage. Um dann für einen andern Tag die Hochwasserzeit zu finden, fügt man der Kulminationszeit des Mondes die Hafenzeit hinzu. Für einige wichtige Orte des östlichen Atlantischen Ozeans sind (nach Greenwicher Zeit) die Hafenzeiten folgende: Kapstadt 1^h27^m, Kongomündung 3^h41^m, Monrovia 6^h43^m; Madeira 1^h56^m, Ouessant (Bretagne) 3^h52^m, Valentia (Irland) 4^h23^m, Hebriden 6^h4^m. Orte also, die etwa 50–65 Breitengrade voneinander entfernt liegen, haben gleichzeitig Hochwasser, woraus man auf Grund der erwähnten Wellentheorie auf die Existenz zweier Wellen schließen kann, die sich nach N. fortpflanzen. An der westlichen Seite des Atlantischen Ozeans tritt diese Erscheinung nicht mit derselben Regelmäßigkeit hervor, sondern wird an der Küste der Vereinigten Staaten infolge ihrer Erstreckung in einem Bogen verdeckt; ein großer Teil der Küste hat nämlich gleichzeitig Hochwasser, ja dasselbe tritt weiter im N. früher an den östlich gelegenen Punkten als an den südlicher, aber westlicher liegenden ein.

Für die Vorausbestimmung des zweiten, fast ebenso wichtigen Elements, nämlich der Höhe von E. u. F., muß die Flutgröße, d.h. der Unterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasser, für Spring- und Nippflut bekannt sein, oder wenigstens die mittlere Flutgröße. Im allgemeinen wächst die Höhe der Gezeitenwelle (wie auch diejenige der Brandungswelle) mit abnehmender Tiefe; daher steigt in flachem Wasser, zumal in schlauchartig sich verengenden Meerbusen und Flußmündungen, die Gezeitenhöhe viel bedeutender an als dort, wo eine frei am Meere gelegene Küste steil zu großen Tiefen abfällt. Die höchsten Fluten an der europäischen Küste beobachtet man im Bristolschen Kanal. In Bristol selbst (Cumberland Dock) beträgt der Flutwechsel 9,6 m, bei Portishead sogar 12,2 m. Nicht minder bemerkenswert ist der Flutwechsel im Golf von St.-Malo (Flutwechsel bei Springzeit St.-Malo 10,7, Granville 12 m). Die höchsten Fluten sind in der Fundybai (Neuschottland) beobachtet zu 15,4 m und an der Ostküste von Patagonien (Puerto Gallegos 14,0, Eingang der Magalhãesstraße bis 13,4 m). Dem gegenüber finden sich an den Inseln inmitten des Ozeans überall geringe Fluthöhen, die nur sehr vereinzelt 2 m erreichen oder um ein Geringes übersteigen; auf dem offenen Ozean kann der Seefahrer selbstverständlich nicht merken, ob er auf dem jedenfalls sehr niedrigen Wellenberg oder in dem Wellental der Gezeit sich befindet.

Auch in der Ostsee, von Kiel bis Memel, ist das Vorhandensein wirklicher E. u. F. nachgewiesen. Hagen fand die Springflutgröße von Rügen bis Memel von 7–1 cm abnehmend und die Hafenzeiten von W. nach O. sich verspätend. Die Flutgröße beträgt in Kiel 70 mm, bei Fehmarn 60 mm, bei Arkona auf Rügen 20 mm und bei Swinemünde 18 mm.

Im Mittelländischen Meer betragen E. u. F. an einzelnen Orten über 1 m. Im Adriatischen Meer steigt die Flutgröße von 6 cm bei Korfu bis 60 am bei Triest an.

Von besonderer Wichtigkeit für die Schiffahrt sind auch die infolge der Gezeiten entstehenden horizontalen Gezeitenströmungen. Diejenige Strömung, die Hochwasser bringt, wird Flutströmung, diejenige, die Niedrigwasser bringt, Ebbeströmung genannt. Zwischen dem Wechsel beider Strömungen, dem Kentern des Stromes, tritt Still- oder Stauwasser ein, in welcher Zeit keine Strömung stattfindet. Die Gezeitenströmungen werden sofort erklärlich, wenn man E. u. F. als Wellenbewegungen auffaßt; die Flut ist der Wellenberg, die Ebbe das Wellental. Natürlich ist die Wellenhöhe im Vergleich zur Wellenlänge verschwindend klein. Nach der Natur der Wellenbewegung findet Stillwasser in der Mitte zwischen Hoch- und Niedrigwasser statt, während zur Zeit des höchsten und niedrigsten Wasserstandes die horizontalen Strömungen ihre größte Geschwindigkeit erreichen. Dies widerspricht der landläufigen Vorstellung, wonach man oft meint, gerade zur Zeit des Hoch- und Niedrigwassers trete auch Stauwasser ein. Aber diese landläufige Vorstellung hat nur für die gewissermaßen abnormen Verhältnisse an den flachen Küstengebieten Geltung. Im freien Meer über tiefem Wasser erfolgt der Wechsel der Stromrichtung bei halber Flut und halber Ebbe; mit der Annäherung an die Küste verschiebt sich der Stromwechsel allerdings immer mehr gegen die Zeiten des Hoch- und Niedrigwassers, so daß er oft ganz mit denselben zusammenfällt. Die Stärke der Gezeitenströmung hängt von der Höhe der Gezeiten und der Tiefe des Wassers ab. Auf hoher See ist sie kaum bemerkbar; bei einer mittlern Tiefe von 3700 m beträgt sie nur 85 m in der Stunde. Auf flachem Wasser dagegen und besonders in engen Straßen erreicht der Gezeitenstrom eine Geschwindigkeit bis zu 8 Seemeilen in der Stunde. Für den Englischen Kanal kann man an der Hand verschiedener neuer Gezeitenstromkarten klar verfolgen, wie von Stunde zu Stunde die von W., vom offenen Ozean hereinkommende Gezeitenwelle ostwärts fortschreitet. Wenn z. B. Dover Hochwasser hat, so herrscht im östlichen Teil des Kanals Flutstrom (1), in der Mitte Stauwasser, im westlichen Teil Ebbestrom (2), und ganz in der südlichsten Ecke bei Ouessant ist der Beginn eines neuen Flutstroms (3) bemerkbar. Sechs Stunden später, wenn Dover Niedrigwasser hat, ist von dem alten Flutstrom (1) nichts mehr zu sehen, er ist zur Nordsee übergetreten, der Ebbestrom (2) herrscht jetzt im östlichen Teil, und im westlichen Teil ist der neue Flutstrom (3) bereits bis fast zur Mitte des Kanals vorgedrungen.

Eine merkwürdige, mit den Gezeitenströmungen in einigen Flußmündungen verknüpfte Erscheinung ist die der brandenden Flutwelle, die am bekanntesten ist unter dem englischen Namen Bore oder dem französischen Mascaret, Bezeichnungen, die speziell von den Anwohnern des Severn, bez. der Gironde für die in diesen Flüssen auftretenden Erscheinungen dieser Art herrühren. Im Bristolschen Kanal, in der Seinemündung, in der Mündung des Amazonenstroms und in besonders großartigem Maß in dem Mündungstrichter des Tsien-tang-kiang bei Haining an der Küste des mittlern China und anderwärts beobachtet man, daß die Flutwelle, sobald sie ein starkes Gefälle zu überwinden hat und sehr schnell auf flaches Wasser gelangt, wo die Tiefe ihrer Geschwindigkeit nicht mehr entspricht, sehr schnell bis zum Hochwasser anschwillt, mit großer Geschwindigkeit in den Fluß eindringt und sich stark brandend über die die Stromrinne einschließenden Bänke ergießt. In dem genannten chinesischen Fluß entsteht dadurch eine regelrechte, fast senkrechte und dabei schnell fortschreitende Wassermauer von 3,5–4, ja manchmal 7 m Höhe, die alle im Wege stehenden Hindernisse, wie Boote etc., zerstört.

Einen regen Aufschwung hat die Untersuchung der E. u. F. in neuester Zeit genommen durch die Bearbeitung der mittels selbstregistrierender Pegel (Mareographen) erhaltenen Wasserstandskurven nach einer von Sir William Thomson angegebenen Methode. Diese Methode, die sogen. harmonische Analyse, ist von Börgen mit Zugrundelegung der Airyschen Wellentheorie umgearbeitet worden. Die Flutkurven denkt man sich nämlich zusammengesetzt aus vielen Einzelwellen von verschiedener Periode und Amplitude, die in Interferenzen übereinanderliegen, also aus 1) den halbtägigen Gezeiten des Mondes und der Sonne, 2) den eintägigen Gezeiten, 3) den halbmonatlichen, einmonatlichen und einjährigen Gezeiten. Dazu kann man noch die Wirkung der Ungleichheiten als Wellen von entsprechender Periode und Amplitude in Betracht ziehen. Thomsons harmonische Analyse hat nun den Zweck, aus der komplizierten Flutkurve den Wert der zahlreichen Einzelwellen abzuleiten; man gewinnt damit die Möglichkeit, durch eine jeweils verschiedene Kombination dieser Einzelwerte das Hochwasser nach Zeit und Höhe für einen bestimmten Hafen vorausberechnen zu können. W. Thomson und E. Roberts haben sogar eine Maschine, den Tide predictor, konstruiert, die graphisch die in die Gezeitentafeln aufzunehmenden Zahlen darstellt. Zur Analyse der Kurven von registrierenden Flutmessern hat Thomson gleichfalls eine Maschine, den Harmonic analyzer, herstellen lassen.

Der Reaktion der E. u. F. schreibt man auch die Verzögerung der Umdrehungsgeschwindigkeit, also das langsame Wachsen der Tageslänge, zu, die aus Vergleichung astronomischer Beobachtungen neuester Zeit mit ältern konstatiert ist. Die Flutwelle bleibt mit ihrem Scheitel hinter dem Meridian des fluterregenden Gestirns wegen der Reibung zurück. Auf dieser Seite des Meridians ist also mehr Masse vorhanden, und indem der störende Körper dort infolgedessen kräftiger wirkt, übt er einen verzögernden Einfluß auf die Erdrotation aus. Die Erde rotiert sozusagen wie in einem Friktionshemmschuh. Die Rechnungen freilich, welche die absolute Tageslänge vor vielleicht Millionen Jahren auf Grund dieser Überlegung ergeben sollen, stehen auf durchaus unsicherer Grundlage.

Die Aufmerisamkeit der alten Völker ward durch das Phänomen der E. u. F., da es im Mittelmeer, auf das sich ihre Schiffahrt lange Zeit beschränkte, nicht in auffallender Mächtigkeit aufzutreten pflegt, wenig angezogen. Herodot und Diodor von Sizilien erwähnen indes schon eine im Roten Meer stattfindende »große und heftige Flut«. Strabon erklärt sich das regelmäßige Steigen und Sinken der Charybdis durch die Erscheinung der E. u. F. Als die Römer ihre Eroberungen bis an den Atlantischen Ozean und den Kanal ausdehnten, wurden sie auf die Erscheinung und auf ihre Ursache aufmerksamer. Cäsar bemerkt schon, daß zur Zeit des Vollmondes die Flut besonders stark sei, und Plinius leitet das Phänomen mit Bestimmtheit von der Anziehung der Sonne und des Mondes ab. Die neuern Naturforscher versuchten zuerst durch künstliche Hypothesen die Natur des Vorganges aufzuklären; Galilei leitete die Erscheinung aus det doppelten Bewegung der Erde her; Descartes wandte sein Wirbelsystem auch auf dieses Phänomen an. Kepler hebt wieder die Anziehung des Mondes als Ursache hervor. Newton brachte die Lehre von E. u. F. in innigste Verbindung mit den Gravitationsgesetzen und legte dadurch die wissenschaftliche Basis für die Erklärung dieses Phänomens. Besonders hat sich Laplace um die Ausbildung der Theorie der E. u. F. verdient gemacht. Im vorigen Jahrhundert haben Whewell, Lubbock, Airy, Germar, Börgen u.a. die Theorie der E. u. F. wesentlich gefördert. Vgl. Lentz, Die Flut und Ebbe des Meeres (Hamb. 1873); Derselbe, Flut und Ebbe und die Wirkungen des Windes auf den Meeresspiegel (das. 1879); Börgen, Die harmonische Analyse der Gezeitenbeobachtungen (Berl. 1885, und in den Segelhandbüchern der Seewarte, 1892, 1897, 1899); v. Boguslawski und Krümmel, Handbuch der Ozeanographie, Bd. 2 (Stuttg. 1887); G. H. Darwin, E. u. F. sowie verwandte Erscheinungen (deutsch, Leipz. 1902); »Handbuch der Navigation« (hrsg. vom Hydrogr. Amte des Reichsmarineamts, Berl. 1891); Seemann, Zwölf Stromkarten für den Englischen Kanal etc. (1896). Jährlich erscheinen »Gezeitentafeln« für die ganze Erde, herausgegeben vom Reichsmarineamt. Vgl. auch Art. »Atmosphärische Ebbe und Flut«. Über technische Ausnutzung der in den Gezeiten sich darbietenden Kraft s. Flutmaschinen.