Što uzrokuje plimu i oseku u oceanu?

Još od prapovijesti ljudi su intuitivno znali da su mjesec i plima i oseka povezani, ali za objašnjenje razloga bio je potreban genij poput Isaaca Newtona.

Ispada da je gravitacija, ta misteriozna temeljna sila koja uzrokuje rađanje i smrt zvijezda i nastanak galaksija, prvenstveno odgovorna. Sunce također vrši gravitacijsku privlačnost na zemlji i pridonosi oceanskim plimama i osekama. Zajedno, gravitacijski utjecaji sunca i mjeseca pomažu u određivanju vrsta plima i oseka koje se javljaju.

Iako je gravitacija glavni uzrok plima i oseka, Zemljina kretanja imaju ulogu. Zemlja se okreće oko svoje osi, a to okretanje stvara centrifugalnu silu koja pokušava potisnuti svu vodu s površine, baš kao što voda prska od vrteće se prskalice. Zemljina gravitacija sprječava odljev vode u svemir.

Ova centrifugalna sila djeluje s gravitacijskim privlačenjem mjeseca i sunca stvarajući plime i oseke i oseke, a to je glavni razlog što mnoga mjesta na Zemlji svakodnevno doživljavaju dvije oseke.

Prema Newtonov zakon gravitacije, gravitacijska sila između bilo koja dva tijela u svemiru izravno je proporcionalna masi svakog tijela (m₁ i m₂) i obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti (d) između njih. Matematički odnos je sljedeći:

F = Gm₁m₂/ d²

gdje G je univerzalna gravitacijska konstanta.

Ovaj zakon otkriva da sila ovisi više o udaljenosti nego o relativnim masama. Sunce je puno masivnije od Mjeseca - oko 27 milijuna puta masivnije - ali je i 400 puta dalje. Kad usporedite gravitacijske sile koje oni djeluju na zemlju, ispada da mjesec vuče otprilike dvostruko jače od sunca.

Sunčev utjecaj na plimu i oseku može biti manji od utjecaja Mjeseca, ali daleko je od zanemarivog. Najočitije je kada se sunce, zemlja i mjesec poredaju za vrijeme mladog i punog mjeseca. U punom mjesecu, sunce i mjesec nalaze se na suprotnim stranama zemlje, a najviša plima dana nije tako visoka kao normalno, iako je druga plima malo veća.

Za mladog mjeseca sunce i mjesec poredani su na istoj strani zemlje i njihovi gravitacijski potezi se međusobno ojačavaju. Neobično velika plima poznata je kao proljetna plima.

Centrifugalna sila uzrokovana rotacijom Zemlje na svojoj osi dobiva poticaj od Mjesečeve gravitacije, a to je zato što se Zemlja i Mjesec okreću jedni oko drugih.

Zemlja je toliko masivnija od mjeseca da se čini da se kreće samo mjesec, ali zapravo se oba tijela rotiraju oko zajedničke točke koja se naziva barycenter, što je 1068 (1.719 km) milja ispod Zemljine površine. To stvara dodatnu centrifugalnu silu, kao što bi doživjela lopta koja se vrti na vrlo kratkoj žici.

Neto učinak tih centrifugalnih sila je stvaranje trajnog ispupčenja u zemaljskim oceanima. Da nije bilo mjeseca, ispupčenje se nikad ne bi promijenilo i ne bi bilo plima i oseka. Ali postoji mjesec, i evo kako njegova gravitacija utječe na izbočenje u slučajnoj točki A na zemlji koja se vrti:

• Ponoć: Točka A je okrenut prema Mjesecu, a kombinacija Mjesečevog gravitacijskog privlačenja i centrifugalne izbočine kombiniraju se kako bi stvorili visoku plimu.

• 6:00 i 18:00: Točka A je okomita na liniju između zemlje i mjeseca. Normalna komponenta njegove gravitacijske sile djeluje protiv centrifugalne izbočine i uvlači je unutra. Točka A doživljava oseku.

• Podne: Točka A nalazi se na suprotnoj strani Zemlje od Mjeseca. Mjesečeva gravitacija je slabija jer je točka A sada je udaljen jedan promjer zemlje, što je gotovo 8.800 milja (12.875 km). Gravitacijska sila nije dovoljno jaka da neutralizira centrifugalnu izbočinu i točku A doživi drugu plimu, koja je manja od one prve koja se dogodila u ponoć.

Mjesec se kreće nebom prosječnom brzinom od 13,2 stupnja dnevno, što odgovara oko 50 minuta, pa se prva plima sljedećeg dana događa u 00:50, a ne u ponoć. Na taj način, vrijeme oseke u trenutku A prati kretanje mjeseca.

Sunce ima utjecaj na plimu i oseku analogno mjesečevoj, a iako je upola jače, svatko tko predviđa morsku plimu i oseku mora to uzeti u obzir.

Ako vizualizirate gravitacijske učinke na plimu i oseku kao izduženi mjehurići koji okružuju planet, mjesečev bi mjehur bio dvostruko izduženi od sunčevog. Rotira se oko Zemlje istom brzinom dok mjesec kruži oko planeta, dok sunčev mjehurić prati kretanje zemlje oko Sunca.

Ti mjehurići međusobno djeluju poput ometajućih valova, ponekad se pojačavajući, a ponekad poništavajući.

Plimni mjehur idealizacija je, jer zemlja nije potpuno prekrivena vodom. Ima kopnene mase koje tako ograničavaju vodu u bazene. Kao što možete zaključiti naginjanjem šalice vode naprijed-nazad, voda u spremniku ponaša se drugačije od vode koja nije ograničena granicama.

Pomaknite šalicu vode u jednom smjeru i sva voda zapljusne se u jednu stranu, a zatim pomaknite u drugu stranu i voda pljusne natrag. Okeanska voda u tri glavna oceanska bazena - Atlantskom, Tihom i Indijskom -, kao i u svim manjim, ponaša se na isti način zbog aksijalnog spinova Zemlje.

Pokret nije tako jednostavan, jer je također podložan vjetrovima, dubini vode, topografiji obale i Coriolisovoj sili. Neke obale na Zemlji, posebno one na obali Atlantika, imaju dvije plime i oseke dnevno, dok druge, poput mnogih mjesta na pacifičkoj obali, imaju samo jednu.

Redoviti plima i oseka duboko utječu na obale planeta, neprestano ih nagrizajući i mijenjajući njihova obilježja. Talog se prenosi tijekom plime koja se povlači prema moru i nanovo taloži na drugom mjestu kad se plima vrati.

Morske biljke i životinje u plimnim područjima evoluirale su kako bi se prilagodile i iskoristile ovo redovito kretanje, a ribari su tijekom vijeka morali vremenom prilagoditi svoje aktivnosti.

Kretanje plime i oseke stvara ogromnu količinu energije koja se može pretvoriti u električnu energiju. Jedan od načina za to je brana koja koristi kretanje vode za komprimiranje zraka za pogon turbine.

Drugi je način postavljanje turbina izravno u zoni plime i oseke, tako da ih voda u povlačenju i napredovanju može vrtjeti, slično kao što vjetar vrti zračne turbine. Budući da je voda puno gušća od zraka, plimna turbina može generirati znatno više energije od vjetroagregata.