Hvad forårsager tidevand i havet?

Siden forhistorisk tid har folk intuitivt vidst, at månen og tidevandet er forbundet, men det krævede et geni som Isaac Newton for at forklare årsagen.

Det viser sig, at tyngdekraften, den mystiske grundlæggende kraft, der forårsager stjernernes fødsel og død og dannelsen af ​​galakser, er primært ansvarlig. Solen udøver også en tyngdekraftsattraktion på jorden, og den bidrager til havvande. Sammen hjælper gravitationelle påvirkninger fra solen og månen med at bestemme, hvilke tidevand der opstår.

Mens tyngdekraften er den førende årsag til tidevand, spiller jordens egne bevægelser en rolle. Jorden spinder på sin akse, og den spinding skaber en centrifugalkraft, der forsøger at skubbe alt vand fra overfladen, ligesom vand sprøjter væk fra et spredende sprinklerhoved. Jordens egen tyngdekraft forhindrer vandet i at flyve ud i rummet.

Denne centrifugalkraft interagerer med månens og solens tyngdekraft for at skabe højvande og lavvande, og det er hovedårsagen til, at mange steder på Jorden oplever to højvande hver dag.

Ifølge Newtons Gravitation Law, tyngdekraften mellem to legemer i universet er direkte proportional med massen af ​​hver krop (m₁ og m₂) og omvendt proportional med kvadratet for afstanden (d) mellem dem. Det matematiske forhold er som følger:

F = Gm₁m₂/ d²

hvor G er den universelle tyngdekonstant.

Denne lov afslører, at kraften afhænger mere af afstand, end den gør af relative masser. Solen er meget mere massiv end månen - omkring 27 millioner gange så massiv - men den er også 400 gange længere væk. Når man sammenligner tyngdekræfterne, de udøver på jorden, viser det sig, at månen trækker omkring dobbelt så hårdt som solen.

Solens indflydelse på tidevand kan være mindre end månens, men det er langt fra ubetydeligt. Det er mest tydeligt, når solen, jorden og månen stiller op under nymåne og fuldmåne. Ved fuldmåne er solen og månen på modsatte sider af jorden, og dagens højeste tidevand er ikke så højt som normalt, selvom det andet højvande er lidt højere.

Ved nymåne står solen og månen i kø på samme side af jorden, og deres tyngdekraft styrker hinanden. Den usædvanlige højvande er kendt som foråret tidevand.

Centrifugalkraften forårsaget af jordens rotation på sin akse får et løft fra månens tyngdekraft, og det er fordi jorden og månen roterer omkring hinanden.

Jorden er så meget mere massiv end månen, at det ser ud til, at kun månen bevæger sig, men faktisk roterer begge kroppe omkring et fælles punkt kaldet barycenter, som er 1.068 (1.719 km) miles under jordens overflade. Dette skaber en yderligere centrifugalkraft, ligesom en kugle, der drejer på en meget kort streng, ville opleve.

Nettovirkningen af ​​disse centrifugalkræfter er at skabe en permanent bule i jordens have. Hvis der ikke var nogen måne, ville udbulingen aldrig ændre sig, og der ville ikke være tidevand. Men der er en måne, og her er hvordan dens tyngdekraft påvirker buen på et tilfældigt punkt EN på den spindende jord:

• Midnat: Punkt EN står over for månen, og kombinationen af ​​månens tyngdekraft og centrifugaludbulingen kombinerer for at skabe højvande.

• 06.00 og 18.00: Punkt EN er vinkelret på en linje mellem jorden og månen. Den normale komponent af dens tyngdekraft modvirker centrifugalbuen og trækker den ind. Punkt EN oplever lavvande.

• Middag: Punkt EN er på den modsatte side af jorden fra månen. Månens tyngdekraft er svagere fordi punkt EN er nu en jorddiameter væk, som er næsten 8.000 miles (12.875 km). Gravitationskraften er ikke stærk nok til at neutralisere centrifugalbuen og pege EN oplever et andet højvande, som er mindre end det første, der fandt sted ved midnat.

Månen bevæger sig gennem himlen med en gennemsnitlig hastighed på 13,2 grader om dagen, hvilket svarer til ca. 50 minutter, så den første højvande den følgende dag finder sted klokken 00.50, ikke midnat. På denne måde timing af tidevand ved punktet EN følger månens bevægelse.

Solen har en effekt på tidevand, der er analog med månens, og selvom det er halvt så stærkt, skal enhver, der forudsiger havvande, tage det i betragtning.

Hvis du visualiserer tyngdevirkningerne på tidevand som aflange bobler, der omgiver planeten, ville månens boble være dobbelt så langstrakt som solens. Den roterer rundt om jorden med samme hastighed som månen kredser om planeten, mens solens boble følger jordens bevægelse omkring solen.

Disse bobler interagerer som interfererende bølger, undertiden forstærker hinanden og undertiden annullerer hinanden.

Tidevandsboblen er en idealisering, fordi jorden ikke er helt dækket af vand. Det har landmasser, der så at sige begrænser vandet til bassiner. Som du kan se ved at vippe en kop vand frem og tilbage, opfører vand i en beholder sig anderledes end vand, der ikke er begrænset af grænser.

Flyt koppen vand en vej, og alle vandet skrubber til den ene side, flyt det derefter en anden vej, og vandet glider tilbage. Havvand i de tre vigtigste havbassiner - Atlanterhavet, Stillehavet og det indiske ocean - såvel som i alle de mindre, opfører sig på samme måde på grund af jordens aksiale spin.

Bevægelsen er ikke så enkel som denne, fordi den også er underlagt vind, vanddybde, kystlinjetopografi og Coriolis-styrken. Nogle kystlinjer på Jorden, især de ved Atlanterhavskysten, har to højvande om dagen, mens andre, som mange steder på Stillehavskysten, kun har en.

Tidevandets regelmæssige eb og strøm har en dybtgående indvirkning på planetens kystlinjer, ved konstant at udhule dem og ændre deres funktioner. Sediment bæres på det tilbagetogende tidevand til havet og deponeres på ny et andet sted, når tidevandet kommer tilbage.

Havplanter og dyr i tidevandsområder har udviklet sig til at tilpasse sig og udnytte denne regelmæssige bevægelse, og fiskere gennem tiderne har været nødt til at tid deres aktiviteter for at tilpasse sig det.

Tidevandets bevægelse genererer en enorm mængde energi, der kan konverteres til elektricitet. En måde at gøre dette på er med en dæmning, der bruger vandets bevægelse til at komprimere luft til at drive en turbine.

En anden måde er at oprette møller direkte i tidevandszonen, så det tilbagetogende og fremadgående vand kan dreje dem, ligesom vinden drejer luftmøller. Fordi vand er så meget tættere end luft, kan en tidevandsmølle generere betydeligt mere energi end en vindmølle.