Was sind interne Wellen (Gezeiten) und wie man die Energie der internen Wellen nutzen kann

Interne Wellen (Gezeiten) sind Wellen, die in verschiedenen Tiefen im Ozean und Meer entstehen. Der erste Forscher, der sich mit internen Wellen beschäftigt hat, war Fridtjof Nansen. Während seiner Expedition im Arktischen Ozean auf dem Schiff „Fram“ („Vorwärts“) hat er zyklische Schwankungen des Salzgehaltes und der Temperatur in der gleichen Wassertiefe entdeckt.

Es ist ziemlich schwierig, interne Gezeiten direkt zu beobachten. Eine der Methoden zur Erforschung der internen Wellen ist akustisches Monitoring der Tiefe. Große interne Wellen können mit Hilfe von Bathyskaphen  und Mesoskaphen entdeckt  werden.

Wie entstehen interne Gezeiten?

Diese Art von Wellen wird durch äußere Kräfte oder Wechselwirkung zwischen Oberflächenwellen und eigenen Schwingungen in den dichten Wasserschichten erzeugt.

Flutwellen sind die stabilsten und meistverbreiteten Wellen dieser Art. Die Wellenperioden können von 6 Stunden bis 14 Tagen variieren, aber die meisten Wellen  haben eine tägliche oder halbtägige Periode.

Wind und Luftdruck wirken auf die Wasseroberfläche mit ungleicher Kraft und unterschiedlicher Dauer und erzeugen eine breite Palette von internen Wellen meteorologischen Ursprungs.

Im Ozean kann man fast immer interne Wellen beobachten, die mit freien Schwingungen verbunden sind. Interne Wellen entstehen durch äußere Kräfte, z.B. starke Winde. Nach dem Abflauen des Windes strömt das Wasser in seine Ruhelage zurück, dabei entstehen Schwingungen um die Gleichgewichtslage.

Die Strömungen mit hohen Geschwindigkeitsgradienten tragen zur Entstehung interner Wellen bei.

Was ist totes Wasser?

Interne Wellen führen zu einem interessanten Phänomen, das unter dem Namen „totes Wasser“ bekannt ist. Zuerst wurde dieses Phänomen von dem oben erwähnten norwegischen Ozeanograph Fr. Nansen  beschrieben. Fährt ein Schiff in die Totwasser-Zone ein, verliert es deutlich an Fahrt, ohne dass an der Wasseroberfläche Wasserwellen zu erkennen sind. Dies entsteht dort, wo leichteres Süßwasser sich über das schwere Salzwasser des Meeres schiebt. An der Grenzfläche der beiden Wasserschichten entstehen Wellenbewegungen, die ein Schiff abbremsen können.

Welche Eigenschaften (Geschwindigkeit, Höhe, Länge, usw.) haben interne Wellen?

Interne Wellen breiten sich viel langsamer aus, als die durch Wind erzeugten Oberflächenwellen. Die Phasengeschwindigkeit von internen Wellen beträgt nur einige Meter pro Sekunde. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der internen Wellen ist 7-10 mal niedriger im Vergleich zu der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen gleicher Länge.

Die Höhe der inneren Wellen ist größer als die von Oberflächenwellen. Für Erzeugung von inneren Wellen wird weniger Energie benötigt. Die interne Wellen können 20 bis zu 30 Metern Höhe erreichen. Fr. Nansen beschrieb die Wellen von 100 Metern Höhe.

Die Frequenzen von internen Wellen sind in der Regel viel niedriger und die Amplituden sind höher im Vergleich zu Oberflächenwellen, weil der Unterschied in der Dichte innerhalb einer Flüssigkeit sehr viel geringer ist als der zwischen Wasser und Luft. Die Wellenlänge variiert von einigen Zentimetern bis zu vielen Kilometern.

Wie kann Wellenenergie verwendet werden?

Die Energie der internen Wellen breitet sich horizontal und gleichzeitig vertikal aus, im Gegensatz zu Oberflächenwellen, die sich nur horizontal ausbreiten. Dieser Unterschied kann durch die Wasserschichtung erklärt werden. Die Wellenbildung erfolgt wegen des großen Dichteunterschieds von Wasser und Luft. Deswegen breiten sich die Oberflächenwellen nur horizontal aus. Interne Wellen entstehen zwischen unterschiedlichen Wasserschichten. Die internen Wellen bedecken das tiefe Wasser von Meeren und Ozeanen, weil tiefes Wasser eine höhere Dichte als das Wasser über ihm hat.  Diese Wellen breiten sich vertikal und horizontal aus.

Um Energie der internen Wellen einzufangen braucht man spezielle Technik. Unter dem Wasser müssen Turbinen platziert werden, die Energie der Wellen in mechanische Energie umwandeln. Interne Wellen sind eine saubere, sichere und kraftvolle Energiequelle.

Das Potential der Wellenenergie ist enorm. Energie der internen Wellen kann zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Eine Reihe von Faktoren macht die Nutzung dieser erneuerbaren Energiequelle sehr attraktiv:

  • Vorhersagbarkeit
  • geringe Auswirkungen auf die Umwelt
  • praktische Umsetzbarkeit
  • geringe Schaden am Equipment

Obwohl zurzeit diese Technik nicht weit verbreitet ist, ist das Potential der Nutzung der Energie der internen Wellen zur Stromerzeugung riesig. Diese Energiequelle ist viel vorhersagbarer als Solar- oder Windenergie, obwohl sie mehr Investitionen erfordert und nicht überall genutzt werden kann. Aber moderne Technologien und Fortschritte im Turbinenbau  können die Kosten der Energiegewinnung senken.