Още в праисторическите времена хората интуитивно са знаели, че Луната и приливите и отливите са свързани, но гений като Исак Нютон е трябвало да обясни причината.
Оказва се, че гравитацията, онази мистериозна основна сила, която причинява раждането и смъртта на звездите и образуването на галактики, е отговорна преди всичко. Слънцето също упражнява гравитационно привличане на земята и допринася за океанските приливи и отливи. Заедно гравитационните влияния на слънцето и луната помагат да се определят видовете приливи и отливи.
Докато гравитацията е причина за приливите номер едно, земните движения играят роля. Земята се върти по оста си и това въртене създава центробежна сила, която се опитва да изтласка цялата вода от повърхността, колкото водата се пръска от въртящата се пръскаща глава. Собствената гравитация на земята предотвратява излитането на водата в космоса.
Тази центробежна сила взаимодейства с гравитационното привличане на Луната и Слънцето, за да създаде приливи и отливи и отливите и това е основната причина много места на Земята да изпитват два прилива всеки ден.
Луната влияе на приливите и отливите повече от слънцето
Според Законът за гравитацията на Нютон, гравитационната сила между всеки две тела във Вселената е право пропорционална на масата на всяко тяло (м1 и м2) и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието (д) между тях. Математическата връзка е както следва:
F = Gm1м2/ д2
където G е универсалната гравитационна константа.
Този закон разкрива, че силата зависи повече от разстоянието, отколкото от относителните маси. Слънцето е много по-масивно от Луната - около 27 милиона пъти по-масивно - но е и 400 пъти по-далеч. Когато сравните гравитационните сили, които те упражняват върху земята, се оказва, че Луната дърпа около два пъти по-силно от слънцето.
Влиянието на слънцето върху приливите и отливите може да е по-малко от това на луната, но далеч не е незначително. Най-очевидно е, когато слънцето, земята и луната се подредят по време на новолунието и пълнолунието. При пълнолуние слънцето и луната са от противоположните страни на земята и най-високият прилив за деня не е толкова висок, колкото обикновено, въпреки че вторият прилив е малко по-висок.
При новолуние слънцето и луната са подредени от една и съща страна на земята и техните гравитационни привличания се подсилват взаимно. Необичайно приливът е известен като пролетен прилив.
Гравитацията на Луната в комбинация с центробежната сила
Центробежната сила, причинена от въртенето на Земята по оста си, получава тласък от гравитацията на Луната и това е така, защото Земята и Луната се въртят една около друга.
Земята е толкова по-масивна от Луната, че изглежда, че само Луната се движи, но всъщност и двете тела се въртят около обща точка, наречена барицентър, което е на 1068 (1,719 км) мили под повърхността на Земята. Това създава допълнителна центробежна сила, точно колкото би изпитала топка, въртяща се на много къса струна.
Нетният ефект на тези центробежни сили е да създадат постоянна издутина в земните океани. Ако нямаше луна, изпъкналостта никога нямаше да се промени и нямаше да има приливи и отливи. Но има луна и ето как нейната гравитация влияе на изпъкналостта в произволна точка A на въртящата се земя:
- Полунощ: Точка A е обърната към Луната, а комбинацията от гравитационното привличане на Луната и центробежната издутина се комбинират, за да създадат прилива.
- 6 сутринта и 18 часа: Точка A е перпендикулярна на линия между Земята и Луната. Нормалният компонент на неговата гравитационна сила противодейства на центробежната издутина и я привлича. Точка A изпитва отлив.
- По обяд: Точка A е на противоположната страна на Земята от Луната. Гравитацията на Луната е по-слаба, тъй като точка A сега е на един диаметър на земята, което е на 12 875 км. Гравитационната сила не е достатъчно силна, за да неутрализира центробежната издутина и точка A преживява втори прилив, който е по-малък от първия, настъпил в полунощ.
Луната се движи през небето със средна скорост от 13,2 градуса на ден, което съответства на около 50 минути, така че първият прилив на следващия ден настъпва в 12:50 сутринта, а не в полунощ. По този начин, времето на приливите и отливите в момента A следва движението на луната.
Ефектът на Слънцето върху океанските приливи и отливи
Слънцето има ефект върху приливите и отливите, аналогично на това на Луната, и въпреки че е наполовина по-силно, всеки, който предсказва морски приливи и отливи, трябва да го вземе предвид.
Ако визуализирате гравитационните ефекти върху приливите и отливите като удължени мехурчета, заобикалящи планетата, лунният балон би бил два пъти по-удължен от този на слънцето. Той се върти около Земята със същата скорост, както Луната обикаля около планетата, докато балонът на Слънцето следва движението на Земята около Слънцето.
Тези мехурчета си взаимодействат като пречещи вълни, понякога се усилват, а понякога се анулират.
Структурата на Земята също влияе на приливите и отливите на океана
Приливният балон е идеализация, защото земята не е напълно покрита с вода. Той има земни маси, които ограничават водата в басейни, така да се каже. Както можете да разберете, като накланяте чаша вода напред-назад, водата в контейнер се държи по различен начин от водата, която не е ограничена от граници.
Преместете чашата с водата в едната посока и цялата вода се плиска на една страна, след това я преместете в другата посока и водата се плиска обратно. Океанската вода в трите основни океански басейна - Атлантическия, Тихия и Индийския океан, както и във всички по-малки, се държи по същия начин поради аксиалното въртене на Земята.
Движението не е толкова просто като това, тъй като то също зависи от ветровете, дълбочината на водата, топографията на бреговата линия и силата на Кориолис. Някои крайбрежни ивици на Земята, особено тези на Атлантическия бряг, имат два прилива на ден, докато други, като много места на тихоокеанското крайбрежие, имат само едно.
Ефектите на приливите и отливите
Редовните приливи и отливи оказват дълбоко въздействие върху бреговите линии на планетата, като непрекъснато ги ерозират и променят характеристиките им. Утайката се пренася при оттеглящия се прилив в морето и се отлага отново на различно място, когато приливът отново се появи.
Морските растения и животни в приливните райони са еволюирали, за да се адаптират и да се възползват от това редовно движение, а рибарите през вековете са трябвали да определят времето на своите дейности, за да се съобразят с него.
Движението на приливите и отливите генерира огромно количество енергия, която може да бъде превърната в електричество. Един от начините да направите това е с язовир, който използва движението на водата за компресиране на въздух за задвижване на турбина.
Друг начин е да се поставят турбини директно в приливната зона, така че оттеглящата се и настъпваща вода да може да ги върти, подобно на вятъра, който върти въздушни турбини. Тъй като водата е много по-плътна от въздуха, приливната турбина може да генерира значително повече енергия от вятърната турбина.