Hva er årsaken til tidevann i havet?

Siden forhistorisk tid har folk intuitivt visst at månen og tidevannet henger sammen, men det tok et geni som Isaac Newton å forklare årsaken.

Det viser seg at tyngdekraften, den mystiske grunnleggende kraften som forårsaker fødsel og død av stjerner og dannelsen av galakser, først og fremst er ansvarlig. Solen utøver også en gravitasjonsattraksjon på jorden, og den bidrar til havvann. Sammen hjelper gravitasjonspåvirkningen fra solen og månen til å bestemme hvilke tidevann som oppstår.

Mens tyngdekraften er den viktigste årsaken til tidevann, spiller jordens egne bevegelser en rolle. Jorden snurrer på sin akse, og den spinningen skaper en sentrifugalkraft som prøver å presse alt vannet av overflaten, akkurat som vann spruter bort fra et spinnende sprinklerhode. Jordens egen tyngdekraft forhindrer vannet i å fly ut i verdensrommet.

Denne sentrifugalkraften samhandler med gravitasjonstrekningen til månen og solen for å skape høyvann og tidevann, og det er hovedårsaken til at mange steder på jorden opplever to høyvann hver dag.

I følge Newtons Gravitasjonslov, gravitasjonskraften mellom to legemer i universet er direkte proporsjonal med massen til hver kropp (m₁ og m₂) og omvendt proporsjonal med kvadratet til avstanden (d) mellom dem. Det matematiske forholdet er som følger:

F = Gm₁m₂/ d²

hvor G er den universelle gravitasjonskonstanten.

Denne loven avslører at kraften avhenger mer av avstand enn den gjør av relative masser. Solen er mye mer massiv enn månen - omtrent 27 millioner ganger så massiv - men den er også 400 ganger lenger unna. Når du sammenligner gravitasjonskreftene de utøver på jorden, viser det seg at månen trekker omtrent dobbelt så hardt som solen.

Solens innflytelse på tidevann kan være mindre enn månens, men det er langt fra ubetydelig. Det er mest tydelig når solen, jorden og månen stiller opp under nymåne og fullmåne. Ved fullmåne er solen og månen på hver sin side av jorden, og dagens høyeste tidevann er ikke så høyt som normalt, selv om det andre høyvannet er litt høyere.

Ved nymåne står solen og månen i kø på samme side av jorden, og deres tyngdekraft forsterker hverandre. Den uvanlig høyvann er kjent som springflo.

Sentrifugalkraften forårsaket av jordens rotasjon på sin akse får et løft fra månens tyngdekraft, og det er fordi jorden og månen roterer rundt hverandre.

Jorden er så mye mer massiv enn månen at det ser ut til at bare månen beveger seg, men faktisk roterer begge kroppene rundt et felles punkt kalt barycenter, som er 1.068 (1.719 km) miles under jordoverflaten. Dette skaper en ekstra sentrifugalkraft, omtrent som en ball som snurrer på en veldig kort streng vil oppleve.

Nettoeffekten av disse sentrifugalkreftene er å skape en permanent bule i jordens hav. Hvis det ikke var noen måne, ville buen aldri endres, og det ville ikke være tidevann. Men det er en måne, og her er hvordan gravitasjonen påvirker buen på et tilfeldig punkt EN på den snurrende jorden:

• Midnatt: Punkt EN vender mot månen, og kombinasjonen av månens tyngdekraft og sentrifugalbulen kombinerer for å skape høyvann.

• 06.00 og 18.00: Punkt EN er vinkelrett på en linje mellom jorden og månen. Den normale komponenten av gravitasjonskraften motvirker sentrifugalbulen og trekker den inn. Punkt EN opplever lavvann.

• Middagstid: Punkt EN er på motsatt side av jorden fra månen. Månens tyngdekraft er svakere fordi punkt EN er nå en jorddiameter unna, som er nesten 8.875 mil (12.875 km). Gravitasjonskraften er ikke sterk nok til å nøytralisere sentrifugalbulen og peke EN opplever et andre høyvann, som er mindre enn det første som skjedde ved midnatt.

Månen beveger seg gjennom himmelen med en gjennomsnittlig hastighet på 13,2 grader per dag, noe som tilsvarer omtrent 50 minutter, så første høyvann neste dag inntreffer klokka 00.50, ikke midnatt. På denne måten tidspunktet for høyvann på punktet EN følger bevegelsen til månen.

Solen har en effekt på tidevann som er analogt med månens, og selv om den er halvparten så sterk, må alle som forutsier tidevann ta hensyn til det.

Hvis du visualiserer gravitasjonseffektene på tidevann som langstrakte bobler som omgir planeten, ville månens boble være dobbelt så langstrakt som solens. Den roterer rundt jorden i samme hastighet som månen kretser rundt planeten mens solens boble følger jordens bevegelse rundt solen.

Disse boblene samhandler som forstyrrende bølger, noen ganger forsterker hverandre og noen ganger avbryter hverandre.

Tidevannsboblen er en idealisering, fordi jorden ikke er helt dekket av vann. Den har landmasser som begrenser vannet til bassenger, for å si det sånn. Som du kan se ved å vippe en kopp vann frem og tilbake, oppfører vann i en beholder seg annerledes enn vann som ikke er begrenset av grenser.

Flytt vannkoppen en vei, og alt vannet skrur til den ene siden, flytt det deretter den andre veien, og vannet glir tilbake. Havvann i de tre viktigste havbassengene - Atlanterhavet, Stillehavet og det indiske hav - så vel som i alle de mindre, oppfører seg på samme måte på grunn av jordens aksiale spinn.

Bevegelsen er ikke så enkel som dette, fordi den også er utsatt for vind, vanndyp, kystlinjetopografi og Coriolis-styrken. Noen kystlinjer på jorden, spesielt de på Atlanterhavskysten, har to tidevann per dag, mens andre, som mange steder på Stillehavskysten, bare har en.

Tidevannets regelmessige avgang og strømning har en dyp effekt på kystlinjene på planeten, og eroderer dem kontinuerlig og endrer funksjonene. Sediment blir ført på det tilbaketrekkende tidevannet til sjøen og deponert på nytt på et annet sted når tidevannet kommer inn igjen.

Marine planter og dyr i tidevannsområder har utviklet seg for å tilpasse seg og dra nytte av denne vanlige bevegelsen, og fiskere gjennom tidene har måttet sette sine aktiviteter i tid for å tilpasse seg den.

Tidevannets bevegelse genererer en enorm mengde energi som kan konverteres til strøm. En måte å gjøre dette på er med en demning som bruker bevegelsen av vann til å komprimere luft for å drive en turbin.

En annen måte er å sette opp turbiner direkte i tidevannssonen slik at det tilbaketrekkende og fremrykkende vannet kan spinne dem, omtrent som vinden snurrer luftturbiner. Fordi vann er så mye tettere enn luft, kan en tidevannsturbin generere betydelig mer energi enn en vindturbin.