- Die Gezeiten auf der Erde werden üblicherweise so erklärt, dass es auf gegenüberliegenden Seiten der Erde zwei Flutberge gibt
- Dieses Phänomen wird durch die Anziehungskraft des Mondes und die Zentrifugalkraft erklärt
- Ein Flutberg entsteht durch die Anziehungskraft des Mondes, der gegenüberliegende Flutberg durch die Zentrifugalkraft
- Diese beiden Flutberge sind die Hauptursache für die Gezeiten (Ebbe und Flut) der Meere
- Tatsächlich werden die Muster von Flut und Ebbe durch komplexe Faktoren wie Topografie und Meerestiefe beeinflusst
Does Earth have two high-tide bulges on opposite sides?
Überblick über die Frage
- Es geht um die Frage, ob sich auf der Erde zwei Flutberge über dem Meeresspiegel bilden
- Ein Flutberg entsteht in der Richtung, in der der Mond an der Erde zieht, der andere auf der gegenüberliegenden Seite
- Gefragt ist nach der physikalischen Erklärung dieses Phänomens
Grundprinzip der Gezeiten
- Die Anziehungskraft des Mondes zieht einen Teil des Meerwassers auf der Erde zu sich hin, während gleichzeitig auch auf der gegenüberliegenden Seite Flut auftritt
- Auf der dem Mond zugewandten Seite wird das Meerwasser durch die Schwerkraft des Mondes zu einem Flutberg angehoben
- Auf der gegenüberliegenden Seite wirkt die Zentrifugalkraft um den gemeinsamen Schwerpunkt des Erde-Mond-Systems und bildet einen weiteren Flutberg
Mathematische und physikalische Erklärung
- Dieses Phänomen lässt sich unter Berücksichtigung von Gravitation, Zentrifugalkraft und der Bewegung des Erde-Mond-Systems erklären
- In der Realität gibt es durch komplexe Ursachen wie Meerestiefe, Meeresboden-Topografie und die Erdrotation Unterschiede gegenüber dem theoretischen Ideal von zwei perfekten Flutbergen
Praktische Anwendung auf die Realität
- Die obige Erklärung ist ein theoretisch vereinfachtes Modell
- Die tatsächlichen Gezeitenmuster auf der Erde zeigen aufgrund komplexer ozeanografischer und Umweltfaktoren vielfältige Ausprägungen
- Grundsätzlich existiert jedoch das Phänomen von zwei Flutbergen
Fazit
- Auf der Meeresoberfläche der Erde bilden sich durch die Anziehungskraft des Mondes und die Zentrifugalkraft nahezu gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen zwei wesentliche Flutberge
- Das tatsächliche Geschehen wird durch Meeresgeografie, Wind und andere Faktoren beeinflusst, doch zwei Hochwasserberge sind eine physikalisch erklärbare Grundstruktur
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Es wird betont, dass die Vorhersage von Gezeiten ein sehr wichtiges Thema war, auf das sich in der Vergangenheit große Physiker und Mathematiker konzentriert haben. Man kann sich vorstellen, wie wichtig Gezeitenvorhersagen auch bei der D-Day-Landung gewesen sein müssen. In den 1860er Jahren entwarf Lord Kelvin auf Basis von Fourier-Reihen und harmonischer Analyse einen analogen Spezialcomputer (eine mit Zahnrädern und Nocken betriebene Maschine), was historisch ein sehr interessantes Artefakt ist. Siehe Wikipedia zum Tide-predicting machine. Es ist auch ein frühes Beispiel dafür, dass das Wort „Machine“ in „Machine Learning“ großgeschrieben wurde. Die Maschine übernahm aktuelle Gezeitenbeobachtungen und bezog sie in die Vorhersage ein. Sinuswellen erfüllen für viele verschiedene Funktionen die Rolle einer universellen Approximation, das ist kein Privileg tiefer neuronaler Netze. Vorgestellt wird auch George Darwin, der Sohn von Charles Darwin, der wesentlich zum Entwurf und zur Verbesserung dieser Maschine beigetragen hat. Siehe Wikipedia zu George Darwin. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass weitere bekannte Persönlichkeiten wie Thomas Young und Sir George Airy an der Gezeitenvorhersage beteiligt waren
Erwähnt wird der Fall der Schlacht von Clontarf (Irland) am 23. April 1014. Damals herrschte um 5:30 Uhr morgens eine für die Wikinger günstige Flut, doch in der den ganzen Tag andauernden Schlacht setzte um 17:55 Uhr erneut Flut ein, schnitt den Wikingern den Fluchtweg ab und viele wurden von den Gezeiten fortgerissen. Diese Gezeitenzeiten wurden 1860 von Samuel Haughton berechnet. Dazu wird die BBC-In-Our-Time-Folge mit Link genannt
Frage, ob jemand das physikalische Modell der Bucht von San Francisco (SF Bay) gesehen hat. Empfohlen wird dieses YouTube-Video
Empfohlen wird auch das Video, das Veritasium zu diesem Thema gemacht hat und das vor zwei Jahren veröffentlicht wurde: YouTube-Video
In Bezug auf D-Day wird gefragt, ob die Formulierung „Man kann sich vorstellen, wie wichtig Gezeitenvorhersagen gewesen sein müssen“ positiv oder negativ gemeint sei. Es wird erwähnt, dass schon Menschen der Antike Gezeiten vorhersagten, und provokativ die Ansicht geäußert, das moderne Narrativ könne auch „Hybris“ sein. Wer Hacker News benutze, wisse, dass „Downvotes = schlechte Stimmung und keine Lust mehr, auf Fragen zu antworten“ bedeute. Das Konzept einer demokratischen Nachrichtenaggregation wird kritisiert
Physikalisch gesehen sind Gezeiten einfach komplexe Wasserbewegungen, die durch die Bahn des Mondes <i>angeregt</i> werden. Es handelt sich nicht um eine einfache Welle. Auch die Erde selbst hat zwei Ausbuchtungen, aber das Wasser an der Oberfläche zeigt eine viel komplexere Bewegung
Es wird eine Anekdote aus der Graduiertenzeit geschildert: Ein Astronomieprofessor habe gesagt, dass wegen der Gezeiten viele brillante junge Forscher karrieremäßig stranden. Das unterstreicht, wie schwierig die Mathematik der Gezeiten ist. Selbst in homogenen und gezeitengebundenen Systemen (bei denen immer dieselbe Seite zugewandt ist) werde es sehr schnell komplex. Ergänzend wird betont, wie wichtig Gezeiten sind. Wenn sich zwei Himmelskörper nahe kommen, können Gezeiteneffekte so stark werden, dass einer davon zerstört wird. Geteilt wird der Link zu Wikipedia über Tidal disruption event
In der Astrophysik wird derzeit erneut diskutiert, ob gezeitengebundene Planeten dennoch eine Atmosphäre behalten und bewohnbar sein können. Der Trend bei Atmosphärenmodellen geht von „unmöglich“ zu „vielleicht doch möglich“
Verwandte Konzepte werden verlinkt: Wikipedia zum Roche-Limit, Wikipedia zum Roche-Lobe. Da heute angenommen wird, dass die meisten schweren Elemente in Typ-1a-Massentransfer-Supernovae entstanden sind, kommt der Gedanke auf, dass Gesteinsplaneten oder sogar die Existenz des Menschen letztlich ebenfalls Gezeitenphänomenen zu verdanken sind
Erwähnt wird, dass in einigen SF-Kurzgeschichten von Larry Niven die Zerstörung (oder beinahe Zerstörung) von Himmelskörpern durch Gezeitenmechanismen als Motiv auftaucht
Schilderung, dass jemand zwar eine Graduiertenveranstaltung in physikalischer Ozeanographie besucht hat, dort aber die Geschichte der Gezeitenausbuchtung nicht gelernt hatte und bis heute an dieses Modell geglaubt habe. Rückblickend habe sich der Kurs eher auf Meeresströmungen als auf Gezeiten konzentriert. Die in diesem Artikel gelernte Erklärung sei sehr hilfreich gewesen
Eindruck, dass diese Erklärung erstaunlich gut ist und besonders die Höhen-Heatmap sehr geholfen hat, intuitiv zu verstehen, was passiert. Zusätzlich wird die Frage gestellt, warum im Unterricht immer wieder Grafiken der Gezeitenausbuchtung gezeigt werden, insbesondere der auf der gegenüberliegenden Seite. Gerade die „ferne Ausbuchtung“ sei am wenigsten intuitiv zu verstehen, und angesichts der Komplexität dieses Systems sollte sie fast bedeutungslos sein. Für den Einstieg wäre ein Modell mit „Ausbuchtung nur auf der Mondseite“ wohl genauer. Zwar sei auch das nicht realistisch, aber vielleicht zumindest ein nützlicheres und realitätsnäheres erstes Modell
Die Ansicht, dass man ohne die Ausbuchtung auf der gegenüberliegenden Seite die 12-Stunden-Gezeiten nicht erklären könne. Mit nur einer Ausbuchtung ließen sich nur 24-Stunden-Gezeiten erklären. Tatsächlich passe das Modell mit zwei Ausbuchtungen zur beobachteten Periodizität, und das sei vermutlich alles, was die meisten Menschen wissen wollten. Warum das in einem Ozeanographie-Kurs auf Graduiertenniveau gelehrt wird, verstehe man selbst nicht
Erklärung, dass dies ein ideales Modell ist. Es ist nur dann korrekt, wenn die gesamte Erde von einem einzigen Ozean (mit großer Tiefe) bedeckt ist. Pädagogisch seien solche einfachen Modelle aber nützliche Werkzeuge, um ein Grundgerüst zu vermitteln und danach die Korrekturen der Realität zu lernen. Das sei ähnlich wie die Beschreibung einer Kanonenkugel mit einer parabolischen Bahn
Nach dem Lob für die wirklich großartige Animation wurde auch die Person dahinter gefunden: die Vorstellungsseite von Svetlana Erofeevas Labor, außerdem wird die offizielle TPXO-Website mit ähnlichen Animationen geteilt
Analyse, dass Gezeitenausbuchtungen eher als forcing function denn als displacement zu verstehen seien. Ob Newton tatsächlich Kraft und Auslenkung verwechselt habe, erscheine fraglich. Es wird gefragt, was man übersehe
Eine Anekdote von vor sechs Monaten: Jemand verbrachte eine Woche bei Vollmond am Strand und erlebte ungefähr alle 12 Stunden Wasser bis zu den Knöcheln. Ein StackExchange-Beitrag wurde ebenfalls gelesen, wirke aber zu sehr auf Analyse fixiert. Wie bei idealisierten Modellen aus der Schulphysik, etwa reibungslose Ebenen oder Punktmassen, scheint der Gedanke auf, dass man nie eine Rakete bauen würde, wenn man alles zu kompliziert macht. Also unter welchen vereinfachenden Annahmen ist das Phänomen analysierbar? Wenn die Erde eine glatte starre Kugel mit einer dünnen Wasserschicht wäre, was würde dann passieren? Das Massenzentrum von Erde und Mond liege ungefähr bei drei Vierteln des Erdradius vom Erdmittelpunkt entfernt, und beide kreisten um diesen Punkt. Es wird gefragt, ob sich mit diesem Modell erklären lässt, dass an vielen Orten Gezeitenperioden von mehr als 12 Stunden auftreten
Tatsächlich sind es nicht exakt 12 Stunden pro Tag. Der Zeitpunkt der Gezeiten verschiebt sich jeden Tag um etwa 30 Minuten nach hinten (oft auch nicht genau 30 Minuten), und es gibt auch Orte ohne halbtägige Periode. Ein starker Einfluss ist außerdem, dass Wasser nicht durch Kontinente hindurch kann. Im idealen Modell (ohne jegliche Kontinente auf der Erde) passt die Erwartung, in der Realität aber unterscheiden sich die Gezeitenmuster sogar an Orten, die nur wenige Kilometer voneinander entfernt sind, etwa in Neuseeland, vollständig; ebenso gibt es große Unterschiede zwischen Pazifik und Karibik etwa in Panama. Hinzu kommt die Schwerkraft der Sonne. Oberhalb von 50 Grad gibt es im Winter tagsüber keine sehr niedrigen Gezeiten, im Sommer dagegen das Gegenteil. Die Perioden der Gezeitenströmung an einem bestimmten Ort sind vorhersagbar, aber die Wasserstände variieren stark
Anhand der Karte aus der StackExchange-Antwort wird erklärt: Dort, wo sich die weißen Linien treffen, gibt es Punkte ohne Pegeländerung; Blau steht für geringe Gezeitenamplitude, Rot für hohe Amplitude, und die weißen Linien sind Kotidal-Linien, also Regionen mit gleichem Zeitpunkt des Hochwassers. Insgesamt sind Gezeitenänderungen stark von Kontinenten und Meeresbodenstruktur beeinflusst und deshalb sehr komplex. Im Vergleich zum einfachen Modell ist die Realität deutlich komplizierter
Mit Verweis auf die akzeptierte StackExchange-Antwort wird angedeutet, dass selbst das einfache Modell möglicherweise noch nicht ausreicht. Wenn die Erde eine ideale Kugel wäre, müsste der Ozean realistisch gesehen tief genug sein, damit sich das Wasser mit der Rotationsgeschwindigkeit der Erde (etwa 22 km/h) mitbewegen kann
Beobachtung, dass das Gezeitenphänomen um Neuseeland in der Animation ungewöhnlich aussah: Steigendes und fallendes Wasser schien die Insel gegen den Uhrzeigersinn zu umrunden
Lob dafür, dass dieser feine Punkt bemerkt wurde
Hinweis, dass Erde und Gezeitenausbuchtungen kein 2D-, sondern ein 3D-Phänomen sind. Daraus entstehe ein Teil der begrifflichen Verwirrung. Und ein Tesserakt sei in diesem Zusammenhang bedeutungslos
TL;DR: Newton verstand die Richtung der Kraft korrekt, aber das reale Gezeitenphänomen lässt sich nicht allein durch Kräfte vollständig erklären. Gründe: 1) Die Ozeane sind nicht tief genug, daher breiten sich Gezeitenwellen langsam aus. 2) Die Lösung auf Basis von Differentialgleichungen, also die realen Randbedingungen der Erde wie Kontinente und andere Grenzen, macht die Realität weit komplexer als F=ma. Es wird empfohlen, unbedingt auch die zweite Antwort auf StackExchange zu lesen