Co powoduje pływy w oceanie?

Od czasów prehistorycznych ludzie intuicyjnie wiedzieli, że Księżyc i pływy są ze sobą powiązane, ale wyjaśnienie tego wymagało geniuszu, takiego jak Isaac Newton.

Okazuje się, że odpowiedzialna jest przede wszystkim grawitacja, ta tajemnicza fundamentalna siła, która powoduje narodziny i śmierć gwiazd oraz powstawanie galaktyk. Słońce przyciąga również Ziemię grawitacyjnie i przyczynia się do pływów oceanicznych. Razem wpływy grawitacyjne Słońca i Księżyca pomagają określić rodzaje występujących pływów.

Podczas gdy grawitacja jest główną przyczyną pływów, ruchy Ziemi odgrywają tu pewną rolę. Ziemia obraca się wokół własnej osi, a wirowanie wytwarza siłę odśrodkową, która próbuje wypchnąć całą wodę z powierzchni, podobnie jak woda rozpryskuje się z wirującej głowicy zraszacza. Własna grawitacja Ziemi uniemożliwia wodzie odlecieć w kosmos.

Ta siła odśrodkowa oddziałuje z przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca i Słońca, tworząc przypływy i odpływy, i to jest główny powód, dla którego wiele miejsc na Ziemi doświadcza codziennie dwóch przypływów.

Według Prawo ciążenia Newtona, siła grawitacyjna między dowolnymi dwoma ciałami we wszechświecie jest wprost proporcjonalna do masy każdego ciała (mi₁ i mi₂) i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości (re) między nimi. Zależność matematyczna wygląda następująco:

F = Gm₁mi₂/ d²

gdzie sol jest uniwersalną stałą grawitacyjną.

To prawo pokazuje, że siła zależy bardziej od odległości niż od mas względnych. Słońce jest znacznie masywniejsze niż Księżyc – około 27 milionów razy masywniejsze – ale jest też 400 razy dalej. Porównując siły grawitacyjne, jakie wywierają na Ziemię, okazuje się, że Księżyc ciągnie około dwa razy mocniej niż Słońce.

Wpływ słońca na pływy może być mniejszy niż księżyca, ale nie jest bez znaczenia. Jest to najbardziej widoczne, gdy słońce, ziemia i księżyc ustawiają się w jednej linii podczas nowiu i pełni. W pełni księżyca słońce i księżyc znajdują się po przeciwnych stronach ziemi, a najwyższy przypływ dnia nie jest tak wysoki jak zwykle, chociaż drugi przypływ jest nieco wyższy.

W nowiu słońce i księżyc są ustawione po tej samej stronie ziemi, a ich przyciąganie grawitacyjne wzmacnia się nawzajem. Niezwykle wysoki przypływ jest znany jako wiosenny prąd.

Siła odśrodkowa spowodowana obrotem Ziemi wokół własnej osi jest wzmacniana przez grawitację księżyca, a to dlatego, że Ziemia i Księżyc obracają się wokół siebie.

Ziemia jest o tyle masywniejsza niż Księżyc, że wydaje się, że porusza się tylko Księżyc, ale w rzeczywistości oba ciała obracają się wokół wspólnego punktu zwanego barycentrum, czyli 1068 (1719 km) mil pod powierzchnią Ziemi. Stwarza to dodatkową siłę odśrodkową, podobną do tej, jakiej doświadcza kulka wirująca na bardzo krótkiej strunie.

Efektem netto tych sił odśrodkowych jest stworzenie trwałego wybrzuszenia ziemskich oceanów. Gdyby nie było księżyca, wybrzuszenie nigdy by się nie zmieniło i nie byłoby pływów. Ale jest księżyc, a oto jak jego grawitacja wpływa na wybrzuszenie w przypadkowym punkcie ZA na wirującej ziemi:

• Północ: Punkt ZA jest zwrócony w stronę księżyca, a połączenie grawitacyjnego przyciągania księżyca i wybrzuszenia odśrodkowego tworzy przypływ.

• 6:00 i 18:00: Punkt ZA jest prostopadła do linii między ziemią a księżycem. Normalna składowa jego siły grawitacyjnej przeciwdziała wybrzuszeniu odśrodkowemu i wciąga je. Punkt ZA doświadcza odpływu.

• Południe: Punkt ZA znajduje się po przeciwnej stronie Ziemi od Księżyca. Grawitacja księżyca jest słabsza, ponieważ punkt ZA znajduje się teraz w odległości jednej średnicy Ziemi, czyli prawie 8000 mil (12 875 km). Siła grawitacyjna nie jest wystarczająco silna, aby zneutralizować wybrzuszenie odśrodkowe i punkt ZA doświadcza drugiego przypływu, który jest mniejszy niż pierwszy, który miał miejsce o północy.

Księżyc porusza się po niebie ze średnią prędkością 13,2 stopnia dziennie, co odpowiada około 50 minutom, więc pierwszy przypływ następnego dnia następuje o godzinie 12:50, a nie o północy. W ten sposób czas przypływów w punkcie ZA podąża za ruchem księżyca.

Słońce ma wpływ na pływy analogicznie do Księżyca i chociaż jest o połowę słabsze, każdy, kto przewiduje pływy morskie, musi to wziąć pod uwagę.

Jeśli zwizualizujesz wpływ grawitacji na pływy jako wydłużone bąbelki otaczające planetę, bąbel księżycowy byłby dwa razy dłuższy niż słoneczny. Obraca się wokół Ziemi z taką samą prędkością, z jaką księżyc okrąża planetę, podczas gdy bańka słoneczna podąża za ruchem Ziemi wokół Słońca.

Te bąbelki oddziałują jak zakłócające się fale, czasami wzmacniając się nawzajem, a czasami znosząc się nawzajem.

Bańka pływowa to idealizacja, ponieważ ziemia nie jest całkowicie pokryta wodą. Ma masy lądowe, które ograniczają wodę do basenów, że tak powiem. Jak można się przekonać, przechylając kubek z wodą do przodu i do tyłu, woda w pojemniku zachowuje się inaczej niż woda nieograniczona granicami.

Przesuń kubek z wodą w jedną stronę, a cała woda chlupocze na jedną stronę, a potem w drugą stronę, a woda chlupocze z powrotem. Woda oceaniczna w trzech głównych basenach oceanicznych – Oceanie Atlantyckim, Pacyfiku i Oceanie Indyjskim – jak również we wszystkich mniejszych, zachowuje się w ten sam sposób z powodu obrotu osiowego Ziemi.

Ruch nie jest tak prosty, ponieważ jest również zależny od wiatrów, głębokości wody, topografii linii brzegowej i siły Coriolisa. Niektóre linie brzegowe na Ziemi, szczególnie te na wybrzeżu Atlantyku, mają dwa przypływy dziennie, podczas gdy inne, takie jak wiele miejsc na wybrzeżu Pacyfiku, mają tylko jeden.

Regularne przypływy i odpływy mają ogromny wpływ na linie brzegowe planety, nieustannie je erodując i zmieniając ich cechy. Osad jest przenoszony wraz z cofającym się przypływem do morza i ponownie osadzany w innym miejscu po powrocie przypływu.

Rośliny i zwierzęta morskie na obszarach pływowych ewoluowały, aby przystosować się do tego regularnego ruchu i czerpać z niego korzyści, a rybacy na przestrzeni wieków musieli dostosowywać swoje działania w odpowiednim czasie.

Ruch pływów generuje ogromną ilość energii, którą można zamienić na energię elektryczną. Jednym ze sposobów jest zastosowanie tamy, która wykorzystuje ruch wody do sprężania powietrza do napędzania turbiny.

Innym sposobem jest ustawienie turbin bezpośrednio w strefie pływów, tak aby cofająca się i napływająca woda mogła nimi kręcić, podobnie jak wiatr kręci turbinami powietrznymi. Ponieważ woda jest o wiele gęstsza niż powietrze, turbina pływowa może generować znacznie więcej energii niż turbina wiatrowa.