Diurnal Tidal Currents in the Gulf of Tonkin and the Qiongzhou Strait: Regime Characterization with Implications for Navigation and Tidal-Stream Energy

Stellen Sie sich den Ozean nicht als eine flache, blaue Fläche vor, sondern als eine riesige, atmende Trommel. Wenn der Mond und die Sonne an dieser Trommel ziehen, steigt und fällt das Wasser nicht einfach nur; es schwappt vor und zurück und erzeugt Wasserwellen, die sich horizontal bewegen. Diese bewegten Strömungen werden als Gezeitenströmungen bezeichnet. An den meisten Orten der Erde schwappt das Wasser zweimal am Tag, wie ein Pendel, das vor und zurück schwingt. Aber in einigen speziellen Gebieten wirken die Form des Meeresbodens und die Küstenlinie wie eine Stimmgabel, die das Wasser dazu bringt, nur einmal am Tag zu schwappen. Dies wird als diurnales (tägliches) Regime bezeichnet.

Warum ist das wichtig? Weil bewegtes Wasser Energie überträgt. Wenn wir diese Energie einfangen können, können wir Turbinen antreiben, um Strom für unsere Häuser zu erzeugen. Um diese Turbinen jedoch zu bauen, müssen Ingenieure genau wissen, wie schnell das Wasser fließt und wo. Sie müssen dies auch für Schiffe wissen; eine schnelle Strömung kann ein riesiges Frachtschiff vom Kurs abbringen oder es unmöglich machen, einen flachen Hafen zu befahren. Die große Frage, die Wissenschaftler bisher gestellt haben, lautet: „Wie stark sind die Strömungen im Golf von Tonkin, einer riesigen Bucht in Südostasien, und können wir den aktuellen Karten vertrauen, um die besten Stellen für Energie zu finden?“

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Der eintägige Zyklus des Ozeans

Im Golf von Tonkin hat der Ozean eine sehr eigenwillige Persönlichkeit. Während die meisten Weltmeere zweimal am Tag steigen und fallen, tut dies diese Bucht meistens nur einmal. Die Autoren dieser Studie, Manh Hung Nguyen und Gia Huy Dinh, beschlossen, diesen „einmal-am-Tag“-Rhythmus über die gesamte Bucht hinweg zu kartieren, um zu sehen, was dies für Schiffe und für saubere Energie bedeutet.

Stellen Sie sich den Golf von Tonkin wie eine riesige, flache Badewanne vor, die an einem Ende offen ist. Wenn das Wasser hineinschwappt, trifft es auf das ferne Ende (den „Kopf“ der Bucht) und prallt zurück. Weil die Badewanne genau die richtige Größe und Tiefe hat, resoniert das Wasser – wie ein Sänger, der den perfekten Ton trifft, um ein Glas zum Zerspringen zu bringen. Diese Resonanz lässt das Wasser am fernen Ende mit enormer Kraft steigen und fallen, aber das Wasser bewegt sich dort nicht sehr schnell. Stattdessen schießt das Wasser am Eingang und durch enge Kanäle am schnellsten ein und aus, obwohl sich der Wasserstand dort kaum verändert. Es ist ein wenig wie eine Wippe: Wenn ein Ende hochgeht, bewegt sich das andere Ende schnell, aber nicht sehr hoch.

Das große Kartenrätsel

Die Forscher wollten die erste vollständige Karte dieses „einmal-am-Tag“-Rhythmus erstellen. Sie nutzten eine Mischung aus Satellitendaten, Computermodellen und realen Messungen von Gezeitengeständen (die wie Lineale sind, die in das Wasser gesteckt werden, um die Höhe zu messen).

Sie fanden heraus, dass das „einmal-am-Tag“-Muster nicht nur ein kleiner Trick in der Nähe der Küste ist; es dominiert fast die gesamte nördliche Hälfte der Bucht. Sie zogen eine Linie über die Karte bei etwa 19°N Breitengrad. Nördlich dieser Linie ist der Ozean rein diurnal. Im inneren Norden ist der Rhythmus so stark, dass der „Formfaktor“ (eine Zahl, die Wissenschaftler verwenden, um zu messen, wie dominant die tägliche Gezeit ist) einen massiven Wert von 12,7 erreicht. Um das einzuordnen: Eine Zahl unter 0,25 bedeutet „zweimal am Tag“, und alles über 3 bedeutet „einmal am Tag“. 12.7 ist also ein sehr lautes, sehr klares „einmal am Tag“-Signal.

Die „falschen“ Strömungen und die echten

Hier wird die Studie besonders interessant. Wissenschaftler haben zwei Hauptmethoden, um zu schätzen, wie schnell das Wasser fließt:

1. Die „Gezeitenmodell“-Methode: Diese Methode betrachtet, wie hoch das Wasser steigt, und nutzt eine einfache mathematische Formel (wie ein Rezept), um die Geschwindigkeit zu schätzen. Sie geht davon aus, dass sich das Wasser wie eine frei wandernde Welle bewegt.
2. Die „Reanalyse“-Methode: Diese nutzt riesige Computersimulationen des Ozeans, die Wind, Temperatur und Strömungen berücksichtigen, liefert uns aber oft nur eine „tägliche Durchschnittsgeschwindigkeit“.

Als die Forscher diese beiden Methoden verglichen, fanden sie einen schockierenden Unterschied. Die „Gezeitenmodell“-Methode deutete darauf hin, dass das Wasser eine durchschnittliche Leistung von 121,35 W/m² (Watt pro Quadratmeter) hatte. Die „Reanalyse“-Methode deutete auf nur 2,86 W/m² hin. Das ist ein Unterschied von etwa 42 Mal!

Zuerast könnte man denken, das Computermodell sei falsch oder die einfache Mathematik sei zu optimistisch. Aber die Autoren gruben tiefer und fanden die Wahrheit: Beide hatten recht, aber sie maßen unterschiedliche Dinge.

Die „Reanalyse“-Daten waren so, als würde man ein Video eines Läufers ansehen und nur einmal alle 24 Stunden prüfen, wo er sich befindet. Wenn man nur einmal am Tag prüft, wo ein Läufer ist, verpasst man all das schnelle Laufen dazwischen! Da der Tagesdurchschnitt das schnelle Fließen der Gezeiten glättet, lässt es die Energie winzig erscheinen. Die einfache Mathematik der „Gezeitenmodell“-Methode hingegen versuchte, die Geschwindigkeit basstierend auf der Wasserhöhe zu erraten. Aber in dieser „Badewannen“-Bucht sind Wasserhöhe und Wassergeschwindigkeit jedoch nicht synchron. Dort, wo das Wasser am höchsten ist (am fernen Ende), bewegt es sich langsam. Dort, wo das Wasser am niedrigsten ist (am Eingang), bewegt es sich schnell. Die einfache mathematische Formel wusste das nicht, also rät sie an einigen Stellen falsch und an anderen richtig.

Der ideale Ort für Energie und Schiffe

Wo also verbirgt sich die wahre Energie? Die Studie fand heraus, dass die stärksten Strömungen nicht dort sind, wo das Wasser am höchsten steht, sondern dort, wo das Wasser durch enge Lücken gepresst wird.

Der Spitzenreiter-Standort ist die Qiongzhou-Straße, ein schmaler Kanal zwischen der Insel Hainan und dem Festland. Hier schießt das Wasser mit Geschwindigkeiten von annähernd 1,3 m/s (etwa 2,5 Knoten) hindurch. Dies ist der einzige Ort in der gesamten Bucht, an dem das Wasser schnell genug fließt, um als guter Kandidat für Gezeitenenergieturbinen zu gelten.

Es gibt jedoch einen Haken. Da dies eine „einmal-am-Tag“-Gezeit ist, schießt das Wasser nur einmal alle 24 Stunden ein und aus. An den meisten Orten haben Schiffe zweimal am Tag die Chance, in einen Hafen einzufahren (zweimal Hochwasser). Hier haben sie nur einmal. Wenn ein Schiff dieses einzige Zeitfenster verpasst, muss es einen ganzen Tag warten. Dies macht die Planung für Schiffe viel schwieriger.

Was dies für die Zukunft bedeutet

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass man, wenn man Gezeitenenergie in diesem Teil der Welt finden will, nicht einfach nur tägliche Wetterberichte oder durchschnittliche Ozeankarten heranziehen kann; man benötigt Daten, die den stündlichen Ansturm der Gezeiten erfassen. Sie warnen auch davor, dass die Verwendung einfacher Mathematik, um Strömungsgeschwindigkeiten aus der Wasserhöhe zu berechnen, an Orten wie diesem gefährlich sein kann, da der „Badewannen“-Effekt die Regeln verändert.

Die Qiongzhou-Straße ist der einzige Ort, der den ersten Test für Gezeitenenergie besteht, aber er kommt mit einem einzigartigen Zeitplan: einem großen Ansturm pro Tag, nicht zwei. Für die Menschen, die im Golf leben und arbeiten, ist das Verständnis dieses Rhythmus der Schlüssel dazu, Schiffe sicher zu führen und vielleicht eines Tages den täglichen Atem des Ozeans in Elektrizität zu verwandeln.