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2018 | Buch

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Gezeiten und Wellen

In Küsteningenieurwesen und Ozeanographie

verfasst von: Prof. Dr. Andreas Malcherek

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage des Buches vermittelt die Grundlagen der Hydromechanik in Ozeanographie und Küsteningenieurwesen. Mit zahlreichen Übungen, Beispielen und Programmcode für MATLAB ® wendet sich das Buch an Studierende und Dozenten des Ingenieurswesens, der Physik sowie der Geowissenschaften und der Meteorologie. Es bietet eine einfache, umfangreiche aber angenehme Einarbeitung in die wissenschaftlichen Methoden. Durch Einblicke in die Wissenschaftshistorie, zu alltäglichen Phänomenen oder in praxisrelevante Aufgaben wird das jeweilige Thema interessant eingeführt. Anhand des enthaltenen Programmcodes lassen sich die Inhalte nachvollziehen, selbst bearbeiten oder es wird beispielsweise etappenweise ein Modell aufgebaut.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Die Anziehung der Massen

Zusammenfassung

In der Physik wird die Masse mit zwei grundlegenden Phänomenen verbunden. Das eine ist die Trägheit: Umso mehr Masse ein Körper hat, desto schwerer ist es, seinen aktuellen Bewegungszustand zu verändern, ihn also entweder zu beschleunigen oder zu bremsen. Das zweite Phänomen ist die gegenseitige Anziehung aller Körper.

Andreas Malcherek

Kapitel 2. Das Leben auf einem Karussell

Zusammenfassung

Als menschliches Individuum leben wir an irgendeinem Ort einer rotierenden Erdoberfläche. Versucht man in Gedanken, die Bewegung mit der Erde nachzuvollziehen, dann wird einem schwindelig. Neben dem Taumeln um den gemeinsamen Erde-Mond-Schwerpunkt kommt die Rotation um die Sonne und schließlich noch die tägliche Umdrehung der Erde um ihre eigene Achse hinzu.

Andreas Malcherek

Kapitel 3. Gezeitenkräfte

Zusammenfassung

Nach dem Sternenhimmel berichtet wohl kaum ein anderes Naturphänomen wie das Kommen und Gehen des Wassers an den Küsten so augenfällig darüber, dass die Erde unter dem Einfluss von Sonne und Mond steht.

Andreas Malcherek

Kapitel 4. Die Vorhersage des Tidewasserstands

Zusammenfassung

Eine zentrale Aufgabe des Küsteningenieurwesens ist die Vorhersage des Tidewasserstands. Wattwanderer an der deutschen Nordseeküste müssen sich auf diese Angaben verlassen können, um nicht von der einlaufenden Flut lebensgefährlich überrascht zu werden.

Andreas Malcherek

Kapitel 5. Schwerewellen

Zusammenfassung

Die Analyse der Gezeitenwasserstände hat ein Signal offenbart, welches aus verschiedenen Frequenzen zusammengesetzt ist, die man als Partialtiden bezeichnet. Woher kommen aber die Wassermassen, die dieses Auf und Ab bewirken?

Andreas Malcherek

Kapitel 6. Tidedynamik in Ästuaren

Zusammenfassung

Der Begriff Ästuar entstammt dem lateinischen Wort aestuare, was soviel wie ,,kochen“ im Sinne von ,,schäumen“ oder ,, brodeln“ bedeutet. Johannes Polenis 1717 erschienenes Werk ,, De Motu aquae mixto“ soll hauptsächlich von Ästuaren handeln, die er in der Einleitung folgendermaßen beschreibt.

Andreas Malcherek

Kapitel 7. Das vertikale Geschwindigkeitsprofil unter Gezeitenströmungen

Zusammenfassung

Neben den starken zeitlichen Variationen durch die Gezeiten sind die Strömungen in Küstengewässern nicht gleichförmig, sondern auch räumlichen Variationen unterworfen: So ist die ufernahe Geschwindigkeit kleiner als die in der Gewässermitte gemessene.

Andreas Malcherek

Kapitel 8. Das Eindringen der Salinität in die Ästuare

Zusammenfassung

In seiner Bedeutung für die Versorgung des Menschen mit Trinkwasser unterscheidet man zwischen dem Süß- oder Frischwasser in Flüssen und Grundwasserleitern und dem salzigen Meerwasser der Ozeane. Letzteres stellt den mit Abstand größten Wasservorrat der Erde dar, und ist für uns ungenießbar. Daher sollten wir tunlichst darauf achten, dass unsere Frischwasserreserven möglichst nachhaltig bewirtschaftet und vor allem nicht durch durch den Kontakt mit Meerwasser zerstört werden.

Andreas Malcherek

Kapitel 9. Die Wirkung des Windes

Zusammenfassung

Jedes Oberflächengewässer, egal ob es sich um einen Fluss, einen See oder ein Küstengewässer handelt wird einerseits durch die Sohle und andererseits durch den Wasserspiegel zur Atmosphäre begrenzt. Genau wie an der Sohle wirken auch hier Schubspannungen, die die Bewegung des Wassers bremsen können, womit ein Impulsaustausch mit der Atmosphäre verbunden ist. Im Unterschied zur Sohle können die als Winde bezeichneten Strömungen in der unteren Schicht der Atmosphäre aber auch Impuls an den Wasserkörper abgeben und diesen so antreiben.

Andreas Malcherek

Kapitel 10. Die Theorie idealer Wellen

Zusammenfassung

Denkt man an Wellen auf einem Gewässer (Abb. 10.1), so stechen einem zuerst die Oberflächenwellen des windinduzierten Seegangs mit Wellenlängen im Maßdes Meters ins geistige Auge, nicht aber die unüberblickbaren gezeiteninduzierten Schwerewellen mit Wellenlängen im Bereich von hunderten Kilometern.

Andreas Malcherek

Kapitel 11. Die Grenzschicht unter Wellen

Zusammenfassung

Während Seegangswellen in den offenen Ozeanen nur die oberste Schicht der Wassersäule durchmischen, bekommen sie in den flachen Bereichen der Küstengewässer zunehmend Grundberührung. Dort sollte aber auch die Orbitalgeschwindigkeit der Wellen nach der Stokes’schen Wandhaftbedingung null werden, was nach der Airy’schen Theorie nach Gl. 10.10 nicht der Fall ist. Daher besteht unser erstes Ziel darin, das Geschwindigkeitsprofil der Wellen an der Sohle zu verbessern.

Andreas Malcherek

Kapitel 12. Die Transformation der Welleneigenschaften

Zusammenfassung

Die Dispersionsbeziehung für ideale Wellen diktiert einen eindeutigen Zusammenhang zwischen ihrer Periode und Wellenläder von der Wassertiefe abhängt.

Andreas Malcherek

Kapitel 13. Seegang

Zusammenfassung

Obwohl die sehr unregelmäßige Bewegung der Wasseroberfläche auf Küsten- und großflächigen Binnengewässern auf den ersten Blick nur wenig mit harmonischen Airy-Wellen zu tun zu haben scheint, kann man dieses als Seegang bezeichnete Phänomen als eine Überlagerung solcher Wellen modellieren.

Andreas Malcherek

Kapitel 14. Morphodynamik der Buchten

Zusammenfassung

Im Verlauf unserer Reise durch die Strömungsmechanik der Meere und Küstengewässer haben wir viel über Gezeiten, Wind und Wellen gelernt, dabei aber nur die Tideästuare als Küstengewässer eingehender studiert. Neben der Elbe und Weser gibt es in Deutschland aber weitere Küstenstrukturen, wie Buchten, Strände, das Wattenmeer, die ostfriesischen und die nordfriesischen Inseln, die Ostseeküste und die dortigen Flussmündungen. Und auf der globalen Skala sind noch Lagunen und Deltas als auffällige Küstenformen zu nennen.

Andreas Malcherek

Kapitel 15. Wechselwirkungen von mittleren Strömungen, Wellen und Turbulenz

Zusammenfassung

Im Verlaufe dieses Buches haben wir verschiedene Bewegungsarten im Wasserkörper kennengelernt: Die turbulenten Fluktuationen schwanken sehr kurzfristig, sind chaotisch und daher nur statistisch modellierbar. Dabei haben wir die Theorie der Wirbelviskosität dazu verwendet, ihre Wirkung, d. h. die erhöhte Durchmischung des Wasserkörpers, zu modellieren.

Andreas Malcherek

Backmatter

Titel: Gezeiten und Wellen
verfasst von: Prof. Dr. Andreas Malcherek
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-19303-4
Print ISBN: 978-3-658-19302-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-19303-4