מה גורם לגאות באוקיאנוס?

מאז תקופות פרהיסטוריות, אנשים ידעו באופן אינטואיטיבי שהירח והגאות קשורים זה לזה, אך נדרש גאון כמו אייזיק ניוטון כדי להסביר את הסיבה.

מתברר שכוח הכבידה, אותו כוח יסודי מסתורי שגורם ללידה ולמוות של כוכבים והיווצרות גלקסיות, הוא האחראי העיקרי. השמש מפעילה משיכה כבידתית גם על כדור הארץ והיא תורמת לגאות האוקיאנוס. יחד, השפעות הכבידה של השמש והירח עוזרות לקבוע את סוגי הגאות והשפל המתרחשים.

בעוד שכוח המשיכה הוא הגורם מספר אחד לגאות, התנועות של כדור הארץ עצמו ממלאות חלק. כדור הארץ מסתובב על צירו, והסיבוב הזה יוצר כוח צנטריפוגלי שמנסה לדחוק את כל המים מעל פני השטח, כמו שמים מתזזים מראש מתזים מסתובבים. כוח המשיכה של כדור הארץ עצמו מונע מהמים להתעופף לחלל.

כוח צנטריפוגלי זה מתקשר עם משיכת הכבידה של הירח והשמש כדי ליצור גאות ושפל ושפל, וזה הסיבה העיקרית שמקומות רבים בכדור הארץ חווים שני גאות בכל יום.

לפי חוק הכבידה של ניוטון, כוח הכבידה בין שני גופים ביקום עומד ביחס ישר למסה של כל גוף (M₁ ו M₂) וביחס הפוך לריבוע המרחק (ד) ביניהם. הקשר המתמטי הוא כדלקמן:

F = Gm₁M₂/ ד²

איפה ז הוא קבוע הכבידה האוניברסלי.

חוק זה מגלה שהכוח תלוי יותר מרחק מאשר במסות יחסית. השמש מסיבית הרבה יותר מהירח - בערך פי 27 מיליון מסיבית - אבל היא גם רחוקה פי 400. כאשר משווים את כוחות הכבידה שהם מפעילים על כדור הארץ, מתברר שהירח מושך כפליים מהשמש.

השפעת השמש על הגאות יכולה להיות פחותה מזו של הירח, אך היא רחוקה מלהיות זניחה. זה בולט ביותר כאשר השמש, האדמה והירח מסתדרים במהלך הירח החדש והירח המלא. בירח מלא השמש והירח נמצאים משני צידי כדור הארץ, והגאות הגבוהה ביותר של היום אינה גבוהה מהרגיל, אם כי הגאות השנייה היא מעט גבוהה יותר.

בירח חדש, השמש והירח מסודרים באותו צד של כדור הארץ ומשיכות הכבידה שלהם מחזקות זו את זו. הגאות הגבוהה במיוחד מכונה גאות אביב.

הכוח הצנטריפוגלי שנגרם על ידי סיבוב כדור הארץ על צירו מקבל דחיפה מכוח המשיכה של הירח, וזה בגלל שכדור הארץ והירח מסתובבים זה סביב זה.

כדור הארץ מסיבי כל כך הרבה יותר מהירח שנראה כי רק הירח נע, אך למעשה שני הגופים מסתובבים סביב נקודה משותפת הנקראת barycenter, שנמצא 1,068 (1,719 ק"מ) משטח כדור הארץ. זה יוצר כוח צנטריפוגלי נוסף, כמו שקורה בכדור שמסתובב בחוט קצר מאוד.

ההשפעה נטו של כוחות צנטריפוגלים אלה היא יצירת בליטה קבועה באוקיינוסים של כדור הארץ. אם לא היה ירח, הבליטה לעולם לא תשתנה, ולא היו גאות ושפל. אבל יש ירח, וכאן משפיע הגרביטציה שלו על הבליטה בנקודה אקראית א על האדמה המסתובבת:

• חצות: נְקוּדָה א פונה לירח, והשילוב בין משיכת הכבידה של הירח לבין הבליטה הצנטריפוגלית משתלבים ויוצרים את הגאות.

• 6 בבוקר ובשעה 18:00: נְקוּדָה א מאונך לקו בין כדור הארץ לירח. המרכיב הרגיל של כוח הכבידה שלו נוגד את הבליטה הצנטריפוגלית ומושך אותה פנימה. נְקוּדָה א חווה שפל.

• צָהֳרַיִים: נְקוּדָה א נמצא בצד הנגדי של כדור הארץ מהירח. כוח המשיכה של הירח חלש יותר בגלל נקודה א נמצא כעת בקוטר כדור הארץ אחד משם, שהוא כמעט 8,000 מיילים (12,875 ק"מ). כוח הכבידה אינו מספיק חזק כדי לנטרל את הבליטה הצנטריפוגלית ולהצביע א חווה גאות שנייה, שהיא קטנה מזו הראשונה שהתרחשה בחצות.

הירח נע בשמים בקצב ממוצע של 13.2 מעלות ליום, המקביל לכ- 50 דקות, כך שהגאות הראשונה ביום שלמחרת מתרחשת בשעה 12:50, ולא בחצות. באופן זה, עיתוי הגאות והשפל בנקודה א עוקב אחר תנועת הירח.

לשמש יש השפעה על גאות ושפל אנלוגית לזו של הירח, ולמרות שהיא חזקה למחצה, כל מי שחוזה גאות ים צריך לקחת אותה בחשבון.

אם תדמיין את ההשפעות הכבידתיות על גאות ושפל כבועות מוארכות המקיפות את כדור הארץ, בועת הירח תהיה מוארכת פי שניים מזו של השמש. הוא מסתובב סביב כדור הארץ באותה המהירות בה הירח מקיף את כדור הארץ בעוד בועת השמש עוקבת אחר תנועת כדור הארץ סביב השמש.

בועות אלו מתקשרות כמו גלים מפריעים, לעיתים מגבירות זו את זו ולעיתים מבטלות זו את זו.

בועת הגאות היא אידיאליזציה מכיוון שכדור הארץ אינו מכוסה לחלוטין במים. יש בה המוני יבשה המגבילים את המים לאגנים, כביכול. כפי שניתן לדעת על ידי הטיית כוס מים קדימה ואחורה, מים במיכל מתנהגים בצורה שונה ממים שאינם מוגבלים על ידי גבולות.

הזז את כוס המים לכיוון אחד, וכל שקעי המים בצד אחד, ואז הזז אותו בדרך אחרת, והמים שקעים בחזרה. מי האוקיאנוס בשלושת אגני האוקיאנוס העיקריים - האוקיאנוס האטלנטי, האוקיאנוס השקט וההודי - כמו גם בכל הקטנים יותר, מתנהגים באותה צורה בגלל הסיבוב הצירי של כדור הארץ.

התנועה לא פשוטה כמו זו, מכיוון שהיא גם נתונה לרוחות, לעומק מים, לטופוגרפיה של קו החוף ולכוח הקוריאליס. לחלק מקווי החוף על כדור הארץ, במיוחד לחופי האוקיינוס ​​האטלנטי, יש שני גאות ושפל ביום, בעוד שאחרים, כמו מקומות רבים בחוף האוקיאנוס השקט, כוללים רק אחד.

לשפל ולזרימה השוטפת של הגאות והשפל יש השפעה עמוקה על קווי החוף של כדור הארץ, ושוחקים אותם ללא הרף ומשנים את תכונותיהם. משקעים מועברים על הגאות הנסוגה אל הים ומופקדים מחדש במקום אחר כאשר הגאות חוזרת פנימה.

צמחים ימיים ובעלי חיים באזורי הגאות התפתחו כדי להסתגל ולנצל תנועה קבועה זו, והדייגים לאורך הדורות נאלצו לתזמן את פעילותם כדי להתאים לה.

תנועת הגאות והשפל מייצרת כמות עצומה של אנרגיה הניתנת להמרה לחשמל. אחת הדרכים לעשות זאת היא באמצעות סכר המשתמש בתנועת מים כדי לדחוס אוויר להנעת טורבינה.

דרך אחרת היא להקים טורבינות ישירות באזור הגאות כך שהמים הנסוגים והמתקדמים יוכלו לסובב אותם, ממש כמו שהרוח מסובבת טורבינות אוויר. מכיוון שהמים כל כך הרבה יותר צפופים מאוויר, טורבינת גאות יכולה לייצר אנרגיה משמעותית יותר מטורבינת רוח.