Kaj povzroča plimovanje v oceanu?

Že od prazgodovine so ljudje intuitivno vedeli, da sta luna in plimo in oseka povezani, vendar je za razlago razloga potreboval genija, kot je Isaac Newton.

Izkazalo se je, da je za to odgovorna predvsem gravitacija, tista skrivnostna temeljna sila, ki povzroča rojstvo in smrt zvezd ter nastanek galaksij. Sonce ima tudi gravitacijsko privlačnost na zemlji in prispeva k morskim plimam. Skupaj gravitacijski vplivi sonca in lune pomagajo določiti vrste plimovanja.

Medtem ko je gravitacija največji vzrok za plimo in oseko, igrajo vlogo lastna gibanja Zemlje. Zemlja se vrti na svoji osi in to predenje ustvari centrifugalno silo, ki poskuša potisniti vso vodo s površine, tako kot voda prši stran od vrteče se brizgalne glave. Zemljina gravitacija preprečuje, da bi voda odletela v vesolje.

Ta centrifugalna sila deluje z gravitacijskim vlekom lune in sonca, da ustvari plimovanje in oseke, in to je glavni razlog, da mnogi kraji na Zemlji vsak dan doživijo dve oseki.

Po navedbah Newtonov zakon gravitacije, gravitacijska sila med katerima koli telesoma v vesolju je sorazmerna masi vsakega telesa (m₁ in m₂) in obratno sorazmerna kvadratu razdalje (d) med njimi. Matematični odnos je naslednji:

F = Gm₁m₂/ d²

kje G je univerzalna gravitacijska konstanta.

Ta zakon razkriva, da je sila bolj odvisna od razdalje kot od relativnih mas. Sonce je veliko bolj masivno kot luna - približno 27 milijonov krat toliko masivno - vendar je tudi 400-krat dlje. Ko primerjate gravitacijske sile, ki jih izvajajo na zemljo, se izkaže, da luna vleče približno dvakrat močneje kot sonce.

Vpliv sonca na plimo in oseko je morda manjši kot vpliv lune, vendar še zdaleč ni zanemarljiv. Najbolj očitno je, ko se sonce, zemlja in luna poravnajo med novo in polno luno. Ob polni luni sta sonce in luna na nasprotnih straneh zemlje in najvišja plima dneva ni tako visoka kot običajno, čeprav je druga plima nekoliko višja.

Ob novi luni se sonce in luna poravnata na isti strani zemlje in njuni gravitacijski vleki se medsebojno krepijo. Nenavadno visoka plima je znana kot spomladanska plima.

Centrifugalna sila, ki jo povzroči zemeljsko vrtenje na svoji osi, se poveča zaradi gravitacije lune in to zato, ker se zemlja in luna vrtita drug okoli drugega.

Zemlja je toliko bolj masivna kot luna, da se zdi, da se premika le luna, vendar se dejansko obe telesi vrtita okoli skupne točke, imenovane barycenter, kar je 1068 (1.719 km) milj pod zemeljskim površjem. To ustvarja dodatno centrifugalno silo, podobno kot bi doživela kroglica, ki se vrti na zelo kratki vrvici.

Neto učinek teh centrifugalnih sil je ustvariti trajno izboklino v zemeljskih oceanih. Če ne bi bilo lune, se izboklina ne bi nikoli spremenila in tudi plimovanja ne bi bilo. Obstaja pa luna in evo, kako njena gravitacija vpliva na izboklino v naključni točki A na predilni zemlji:

• Polnoč: Točka A je obrnjen proti Luni, kombinacija luninega gravitacijskega vleka in centrifugalne izbokline pa ustvari oseko.

• 6.00 in 18.00: Točka A je pravokotna na črto med zemljo in luno. Normalna komponenta njene gravitacijske sile deluje proti centrifugalni izboklini in jo potegne vase. Točka A doživlja oseko.

• Opoldne: Točka A je na nasprotni strani Zemlje od Lune. Lunina gravitacija je šibkejša, ker je točka A je zdaj oddaljen en premer zemlje, kar je 12.875 km. Gravitacijska sila ni dovolj močna, da bi nevtralizirala centrifugalno izboklino in točko A doživi drugo plimo, ki je manjša od prve, ki se je zgodila ob polnoči.

Luna se po nebu giblje s povprečno hitrostjo 13,2 stopinje na dan, kar ustreza približno 50 minutam, zato se prva plimovanje naslednji dan zgodi ob 12.50, ne polnoči. Na ta način, čas plime na točki A sledi gibanju lune.

Sonce vpliva na plimo in oseko, podobno kot na luni, in čeprav je pol močnejše, jo mora upoštevati vsak, ki napoveduje morsko plimo.

Če si gravitacijske učinke na plimo in vodo predstavite kot podolgovate mehurčke, ki obkrožajo planet, bi bil lunin mehur dvakrat daljši od sončnega. Vrti se okoli Zemlje z enako hitrostjo, kot luna kroži okoli planeta, medtem ko sončni mehurček sledi gibanju zemlje okoli sonca.

Ti mehurčki medsebojno delujejo kot moteči valovi, včasih se medsebojno ojačajo in včasih odpovedo.

Plimski mehurček je idealizacija, ker zemlja ni popolnoma prekrita z vodo. Ima kopne mase, ki tako rekoč omejijo vodo v kotline. Kot lahko ugotovite z nagibanjem skodelice vode naprej in nazaj, se voda v posodi obnaša drugače kot voda, ki ni omejena z mejami.

Premaknite skodelico vode v eno smer in vsa voda se zalomi na eno stran, nato pa v drugo smer, voda pa pade nazaj. Oceanska voda v treh glavnih oceanskih bazenih - Atlantskem, Tihem in Indijskem -, pa tudi v vseh manjših, se zaradi osnega vrtenja Zemlje obnaša enako.

Gibanje ni tako preprosto, ker je podvrženo vetrom, globini vode, topografiji obale in Coriolisovi sili. Nekatere obale na Zemlji, zlasti tiste na atlantski obali, imajo dve plimi na dan, druge, na primer številna mesta na pacifiški obali, pa le eno.

Reden odtok in plima in oseka močno vplivata na obale planeta, jih nenehno izničuje in spreminja njihove značilnosti. Sediment se odnaša ob plimi, ki se umika, v morje in na novo odlaga na drugem mestu, ko se plima vrne.

Morske rastline in živali na območjih plimovanja so se razvile, da se prilagodijo in izkoristijo to redno gibanje, ribiči pa so morali skozi vse svoje čase določiti čas, da so mu prilagojeni.

Gibanje plime in oseke ustvarja ogromno energije, ki jo je mogoče pretvoriti v električno energijo. Eden od načinov za to je jez, ki uporablja gibanje vode za stiskanje zraka za pogon turbine.

Drug način je postavitev turbin neposredno v plimovanju, tako da jih voda, ki se umika in napreduje, lahko zavrti, podobno kot veter vrti zračne turbine. Ker je voda toliko bolj gosta kot zrak, lahko plimovanje povzroči znatno več energije kot vetrna turbina.