Ebbe

Strähnen im Sand

Das Foto zeigt eine Momentaufnahme eines scheinbar bewegten Vorgangs. Aber die wirbelnde Strömung wurde nicht erst durch die Fotografie stillgelegt. Sie war es schon vorher. Man blickt nämlich auf die letzten Spuren des durch anbrandende und am Sandstrand auslaufende Wellen in ein quasigeordnetes Bündel von Sandsträhnen überführten Ensembles.
Die Strähnen sind nämlich schon lange getrocknet, das Wasser ist mit der Ebbe schon weit entfernt und dennoch sieht es so aus, als habe sich das Geschehen in dem aus hellem und dunklem Sand gestalteten Muster verewigt. Wer schafft es das nachzumachen?

Volcanes diminutos en la playa

H. Joachim Schlichting. Investigación y Ciencia 6 (2019) Curiosidades de la física

Las mareas pueden provocar la formación de agujeros y pequeños montículos en la superficie de la playa. El fenómeno obedece al flujo del aire a través del sistema capilar que esconde la arena.
Cuando baja la marea y el agua se retira, la zona más alejada de la orilla queda repleta de agujeros y pequeñas protuberancias cónicas. El fenómeno se debe al flujo del aire por los capilares que forma la arena bajo la superficie.
En algunas playas, cuando caminamos sobre la zona del terreno que durante la bajamar se encuentra alejada del agua, a veces parecerá que estemos andando sobre algodones. Nuestros pies se hundirán profundamente en la arena y podremos comprobar que, al contrario de lo que suele ocurrir mucho más cerca de la orilla, allí no se ha creado una superficie firme.
Más aún, en esas partes blandas del terreno podremos ver con frecuencia un buen número de agujeros, así como verdaderas protuberancias, como si se tratase de pequeños volcanes. Y si tomamos del suelo un puñado de arena, con cuidado para no aplastarla, nos encontraremos con una especie de «espuma»: una estructura salpicada de cavidades de distintos tamaños. ¿A qué se debe este fenómeno?

Capilares subterráneos
Si observamos el fenómeno durante varios días, podremos comprobar que la responsable de esta filtración de aire a través de la arena es la marea. La arena consta de granos de forma irregular que solo se tocan en algunos puntos, por lo que dejan entre medias un sistema de capilares interconectados. Cuando el agua se filtra desde arriba, desplaza con su peso el aire contenido en esos capilares. Sin embargo, este no podrá escapar indefinidamente hacia abajo, ya que antes o después se encontrará con el nivel freático del agua subterránea, la cual ya habrá llenado los espacios vacíos inferiores. Así pues, cuando sube la marea, el agua empuja el aire y lo dirige hacia arriba (véase la ilustración).
Lo anterior hace que aumente la presión del gas, ya que los estrechos capilares oponen resistencia a la circulación. Se trata de un fenómeno parecido al que tiene lugar cuando intentamos expulsar el agua de una jeringuilla que contiene en su interior una burbuja de aire: el pistón comprimirá la burbuja de manera considerable. Expuestas a una presión semejante, las delgadas corrientes de aire que circulan bajo el suelo se unirán tan pronto como entren en contacto y, antes o después, prorrumpirán en la superficie.
Cuando eso ocurre, aparecen agujeros en algunos sitios del suelo y, en otros, pequeños abultamientos cónicos, los cuales se formarán siempre que la capa superior posea partes herméticas (y que, por tanto, impidan el paso del aire). Ambas estructuras dan lugar a la «espuma de arena» que mencionábamos al principio, y cuando baje la marea podremos verla con claridad. Si seccionamos cuidadosamente los conos con un cuchillo, nos convenceremos de que realmente existen cavidades bajo las protuberancias.
Cuando sube el nivel del mar, a veces es posible apreciar la manera en que el rítmico ir y venir de las olas inunda los agujeros y los deja libres de nuevo. Justo en el borde del agua, donde la profundidad es de tan solo unos pocos centímetros, pueden verse cómo salen burbujas de los agujeros anegados. La bajada de la marea vuelve a drenar el sistema capilar, ahora lleno, y las grandes cavidades. Ello reduce la presión y hace que se absorba aire; entretanto, a veces aparecen nuevos agujeros.

Geheimnisvolle Minivulkane am Strand

Der aus hellen und dunklen Körnern bestehende Sand des Strands von Maspalomas (Gran Canaria) wird durch die Einwirkungen von Wind und Wasser ständig gemischt und auch wieder entmischt. Eine Entmischung in  getrennte Schichten hellen und dunklen Sands  wird beispielsweise durch Winde bewirkt, die über einen längeren Zeitraum aus einer bestimmten Richtung wehen. Dabei spielen die unterschiedliche Dichte der Sandarten eine wesentliche Rolle.
Wenn sich die Windrichtung ändert oder der geschichtete Sand den Wirkungen von Ebbe und Flut ausgesetzt ist, entstehen wieder andere Muster, bei deren individueller Ausgestaltung zufällige Einflüsse von Bedeutung sind und unter dem menschlichen Blick zu Pareidolien führen.
Wenn man aber auf einfach geometrische Gebilde stößt, wie etwa die in dem Foto zu sehenden Kreis- und Ringgebilde, fällt es schwer darin rein zufällige Hervorbringungen zu sehen. In der Tat liegt ihnen ein komplexes Geschehen zugrunde. Wie bereits an anderer Stelle ausfühlicher beschrieben, handelt es sich um waagereche Schnitte durch kleine wenige Zentimeter hohe abgerundete Sandkegel, die von der letzten Flut zurückgeblieben sind. Der durch das auflaufende Wasser ansteigende Grundwasserspiegel hat dazu geführt, dass die in den Kapillarsystemen des trockenen Sands enthaltene Luft ausgetrieben und durch Wasser ersetzt wurde. Dabei ist eine Art unterirdisches Flussnetzwerk entstanden, allerdings in drei Dimensionen, in dem sich die winzigen Wasserströme vereinigen und schließlich zur Oberfläche vordringen. Durch die nach oben hin verdrängte Luft wird an bestimmten Stellen die oberste Sandschicht zu Sandkegeln aufgeblasen. Sie bleiben aufgrund ihrer gewölbeartigen Bauweise in den meisten Fällen auch dann erhalten, wenn der Druck nachlässt und das Wasser sich bei Ebbe wieder zurückzieht. Das trockengelegte Kapillarsystem wird dabei wieder weitgehend durch Luft gefüllt.
Sofern diese minivulkanartigen Kegelbauten, die oft an Hervorbringungen von kleinen Tieren erinnern, bis zur nächsten Flut überleben, werden sie durch das auf- und ablaufende Wasser abgetragen, sodass wie bei einem Kegelschnitt die Sandschichtung in Form von Ringen sichtbar wird (Foto). Man findet diese Ringsysteme vorwiegend am äußersten Wassersaum des Hochwassers.
Wenn das nächste Hochwasser nicht so weit reicht, bleiben oft ganze Felder derartiger Sandpusteln erhalten. Wie stark dieser Bereich mit Luft „aufgeblasen“ wurde, merkt man daran, dass es sich in diesen Gebieten anfühlt, wie auf Watte zu laufen. Man sinkt mit den Füßen relativ tief in den luftdurchwirkten Sand ein. Das vermittelt den Strandwanderern, denen nicht an ein schnelles Vorankommen gelegen ist, ein angenehmes Gefühl der Leichtigkeit und Luftigkeit unter den Füßen. Schnelleres Laufen wird allerdings anstrengend im krassen Unterschied zum ansonsten festen sandigen Untergrund in der Nähe des Wassers.

Bei Flut sinkt der Wasserspiegel im Brunnen

Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 48/6 (2017), S.307

Kürzlich wies der englische Wissenschafts-journalist Marcus Chown auf ein schon in der Antike diskutiertes geophysikalisches Rätsel hin [1]. Demnach hat der griechische Philosoph Poseidonius um etwa 100 v. Chr. an der Atlantikküste von Spanien in der Nähe des heutigen Cadiz bemerkt, dass der Wasserstand in einem Brunnen immer dann sinkt, wenn aufgrund der Gezeiten die Flut kommt und umgekehrt. Weiterlesen →

Rotationsenergie und Gezeitenreibung

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften- Physik 35/2 (1986) 21.

Spätestens seit dem man beginnt, an geeigneten Küstenabschnitten der Erde die Gezeiten (das pro Tag etwa zweimalige Auftreten von Ebbe und Flut) für die menschliche Energieversorgung zu nutzen ist klar geworden, daß die sich in den Gezeiten manifestierende Energie einem fast unerschöpflichen Reservoir entstammen muß: Wie man der Literatur entnehmen kann, entspricht den  Gezeiten ein ständiger Energiestrom von 3 mal 10 hoch 12 Watt Das ist rein rechnerisch etwa das 8fache des Primärenergieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland. Woher stammt diese Energie? Aus der Sicht des Gezeiten erzeugenden Mondes werden – grob gesprochen – auf der dem Mond zugewandten und abgewandten Seite ortsfeste Aufwulstungen hervorgerufen, unter denen sich die Erde mit  einer Periode von einem Tag hinwegdreht. Dies ist natürlich nicht ohne Reibung möglich. Es drängt sich geradezu die Vorstellung auf, daß die Gezeitenwulste wie zwei riesige Bremsbacken die Erde zum Stillstand zu bringen trachten. Die Gezeitenenergie entstammt nach dieser Vorstellung der Rotationsenergie der  Erde. Eine Abnahme dieser Energie müßte also in einer Verlängerung des (Erd-)Tages zu beobachten sein. In der Tat hat man festgestellt, daß der Tag vor 100 Jahren 0,00164 s länger war als heute. Wieviel Rotationsenergie hat die Erde in dieser Zeit verloren?

PDF: Rotationsenergie und Gezeitenreibung