Bild: Deutsches Museum | Konrad Rainer
Highlight aus der Sammlung
Gezeitenrechenmaschine
Für die Schifffahrt war verlässliches Wissen über Hoch- und Niedrigwasser lebenswichtig. Seit dem 19. Jahrhundert entstanden dafür besondere Rechenmaschinen. Dieses außergewöhnliche Exemplar ist die größte ihrer Art.
Die Vorhersage der Tide – eine ingenieurtechnische Meisterleistung
Flut und Ebbe entstehen durch physikalische Kräfte, die auf die Wassermassen der Erde einwirken. Sie äußern sich im periodischen Steigen und Fallen des Meeresspiegels und in Strömungen, die durch die unterschiedlich geformten Küsten, Inseln und Meerestiefen entstehen. Die Gezeiten haben einen großen Einfluss auf die Schifffahrt, deswegen wurden bereits seit 1872 Maschinen konstruiert, um die physikalischen Kräfte vorauszusagen und die Gezeiten eines Hafens zu berechnen. Die größte Gezeitenrechenmaschine der Welt stammt von Dr. Heinrich Rauschelbach aus dem Jahr 1938, und gehört seit 1976 zur Sammlung des Deutschen Museums.
Was macht den Wechsel der Gezeiten so schwer vorherzusagen?
Unter Gezeiten versteht man das periodische Steigen und Fallen des Meeresspiegels. Dafür sind die sogenannten Gezeitenkräfte verantwortlich. Zum einen sind das die Anziehungskräfte von Mond und Sonne auf die beweglichen Wassermassen der Erde. Diese werden durch die Anziehungskräfte angehoben, während die Erde darunter stetig um ihre eigene Achse rotiert. Der Mond als unser nächster Himmelskörper besitzt dabei den größten Einfluss. Er kreist um die Erde auf einer nahezu elliptischen Bahn, und somit verändert sich sein Abstand zur Erde im Monatsverlauf. Zum anderen sind es die Fliehkräfte, die durch die Kreisbewegung von Erde und Mond um einen gemeinsamen Schwerpunkt entstehen, sowie durch das Kreisen von Erde und Mond um die Sonne im Jahresverlauf. Diese von Mond und Sonne verursachten Gezeitenkräfte addieren sich. Die einzelnen Faktoren, die die Tide, also den Wechsel von Ebbe und Flut, beeinflussen, nennt man Partialtide.
Von der Ostsee zur Bay of Fundy
Keine Küste der Erde ist ohne Gezeiten. Allerdings gibt es starke Unterschiede, was den Tidenhub, die Differenz zwischen Ebbe und Flut, betrifft: von wenigen Zentimetern an der finnischen Ostseeküste bis zu 21 Metern in der kanadischen Bay of Fundy. Denn Gezeitenwellen äußern sich nicht nur in der wechselnden Meereshöhe, sondern auch in einem horizontalen Gezeitenstrom, dessen Ausmaß von der jeweiligen Küste abhängt. Wäre die Erde eine vollkommen mit Wasser gleicher Tiefe bedeckte Kugel, ließen sich die Gezeitenkräfte seit den Erkenntnissen von Isaac Newton (1642–1727) und Pierre-Simon Laplace (1749–1827) vollständig berechnen. Durch Kontinente, Inseln und unterschiedliche Wassertiefen allerdings werden die astronomisch bedingten Gezeiten stark umgebildet. Eine allgemeine Formel, die nur astronomische Angaben enthält, gibt es also, aber kein allgemeiner mathematischer Ausdruck kann alle ortsabhängigen Faktoren berücksichtigen. Die Gezeiten des Meeres zählen deshalb zu den kompliziertesten Phänomenen der Geophysik.
Im Auftrag der Kriegsmarine
Im Jahr 1935 hatte das Oberkommando der Kriegsmarine den Rechner bei der Deutschen Seewarte in Hamburg und der Firma Mechanoptik bei Potsdam für 195 000 Reichsmark in Auftrag gegeben. Zwar gab es einen ersten deutschen Gezeitenrechner aus dem Jahr 1916 (heute im Deutschen Schifffahrtsmuseum Bremerhaven), allerdings waren seine Ergebnisse nicht präzise genug. Angesichts eines möglichen Kriegs benötigte die Kriegsmarine eine präzise und verlässliche Maschine, denn die genaue Kenntnis über Ebbe und Flut vor allem an Küsten mit stark wechselndem Tidenhub war militärisch von entscheidendem Vorteil.
Rauschelbach steht vor seiner Gezeitenrechenmaschine und stellt das Druckwerk ein. Bild: Deutsches Museum
Heinrich Rauschelbach und sein Rechen-Koloss
1935 begann der Astronom und Gezeitenforscher Heinrich Rauschelbach (1888-1978) mit der Entwicklung einer neuen Gezeitenrechenmaschine. Unter seiner Leitung entstand ein 7,5 Meter langer und 2 Meter hoher Koloss mit der stolzen Anzahl von 62 Partialtiden. Die Hälfte davon repräsentierte astronomische Tiden, wie die halbtägige Hauptmondtide oder die halbtägige Hauptsonnentide. Mit der anderen Hälfte konnten sogenannte Seichtwassertiden berücksichtigt werden, die besonders in flachen Küstengebieten einen beträchtlichen Einfluss auf die Gesamtgezeitenwelle haben. Sie setzen sich aus einer oder mehreren astronomischen Tiden zusammen und müssen für jeden Ort über einen längeren Zeitraum aus stündlichen Pegelmessungen bestimmt werden.
Pro Tidengetriebe wurde eine Teilwelle aus der gesamten Gezeitenwelle berechnet. Dazu ließen sich Phase und Amplitude jeder Wellenbewegung mit Mikrometerschrauben einstellen. Um die Wellenbewegungen aller Tidengetriebe zu einer Gesamtwelle aufzusummieren, wurden sie durch ein künstlich gealtertes Stahlband verbunden. Im Druckwerk des Rechners zeichnete dann ein Stift die mechanisch summierte Welle auf ein Papier. Auf der Rückseite wurde jede Tide mit einem Versatz der Phase von 90° eingestellt, sodass die Rückseite des Rechners die erste Ableitung der Vorderseite berechnete. Dies half beim Auswerten der Gezeitenkurve, um die Zeitpunkte der Extremwerte Ebbe und Flut schnell abzulesen. Nachdem die größte Gezeitenrechenmaschine der Welt ins Deutschen Museum transportiert worden war, konnte man sie noch wenige Jahre in Aktion bewundern. Doch bereits 1980 musste ihr wartungsintensiver Betrieb eingestellt werden.
Für heutige Generationen ist diese Meisterleistung an analoger Präzisionstechnik kaum fassbar: Für trigonometrische Funktionen stehen uns kleine Taschenrechner zur Verfügung, und komplexe Aufgaben wie die harmonische Analyse lassen sich mit dem Allzweckgerät Computer modellieren. Die Zeit der großen Spezialrechner ist längst vorbei.
Video zum Gezeitenrechner
Wie funktioniert die Berechnung der Gezeiten?
Carola Dahlke, Kuratorin für Informatik und Kryptologie am Deutschen Museum erklärt die größte Gezeitenrechenmaschine der Welt, mit der sich Ebbe und Flut vorhersagen lassen.
Gezeitenrechenmaschine – Kennzahlen
- Maße (H × B × T): 200 × 750 × 110 cm
- Masse: 11 t
- Partialtiden: 62
- Berechnungsdauer für 1 Jahr: 20 Std.
