Vad orsakar tidvatten i havet?

Sedan förhistorisk tid har människor intuitivt känt att månen och tidvattnet är kopplade, men det tog ett geni som Isaac Newton för att förklara orsaken.

Det visar sig att tyngdkraften, den mystiska grundläggande kraften som orsakar stjärnornas födelse och död och bildandet av galaxer, är främst ansvarig. Solen utövar också en gravitationell attraktion på jorden, och den bidrar till havsvatten. Tillsammans hjälper gravitationens påverkan från solen och månen till att bestämma vilka typer av tidvatten som uppstår.

Medan tyngdkraften är den främsta orsaken till tidvatten, spelar jordens egna rörelser en roll. Jorden snurrar på sin axel, och den snurringen skapar en centrifugalkraft som försöker skjuta allt vattnet från ytan, precis som vatten sprutar bort från ett snurrande sprinklerhuvud. Jordens egen gravitation förhindrar att vattnet flyger ut i rymden.

Denna centrifugalkraft samverkar med gravitationsdraget från månen och solen för att skapa högvatten och lågvatten, och det är huvudorsaken till att många platser på jorden upplever två högvatten varje dag.

Enligt Newtons gravitationslag, är gravitationskraften mellan två kroppar i universum direkt proportionell mot varje kropps massa (m₁ och m₂) och omvänt proportionellt mot avståndets kvadrat (d) mellan dem. Det matematiska förhållandet är som följer:

F = Gm₁m₂/ d²

var G är den universella gravitationskonstanten.

Denna lag avslöjar att kraften beror mer på avstånd än på relativa massor. Solen är mycket mer massiv än månen - cirka 27 miljoner gånger så massiv - men den är också 400 gånger längre bort. När man jämför gravitationskrafterna som de utövar på jorden visar det sig att månen drar ungefär dubbelt så hårt som solen.

Solens inflytande på tidvatten kan vara mindre än månens, men det är långt ifrån försumbart. Det är tydligast när solen, jorden och månen står i linje under nymånen och fullmånen. Vid fullmåne är solen och månen på motsatta sidor av jorden, och dagens högsta tidvatten är inte så högt som normalt, även om det andra högvatten är lite högre.

Vid nymånen är solen och månen uppradade på samma sida av jorden och deras gravitation drar varandra. Det ovanligt högvatten kallas vårflod.

Centrifugalkraften som orsakas av jordens rotation på dess axel får en boost från månens gravitation, och det beror på att jorden och månen roterar runt varandra.

Jorden är så mycket massivare än månen att det verkar som att bara månen rör sig, men faktiskt roterar båda kropparna runt en gemensam punkt som kallas barycenter, vilket är 1 068 (1 719 km) under jordens yta. Detta skapar en ytterligare centrifugalkraft, mycket som en boll som snurrar på en mycket kort sträng skulle uppleva.

Nettoeffekten av dessa centrifugalkrafter är att skapa en permanent utbuktning i jordens hav. Om det inte fanns någon måne, skulle utbuktningen aldrig förändras och det skulle inte finnas några tidvatten. Men det finns en måne, och här är hur gravitationen påverkar utbuktningen vid en slumpmässig punkt A på den snurrande jorden:

• Midnatt: Punkt A vetter mot månen, och kombinationen av månens gravitation och centrifugalbulten kombinerar för att skapa högvatten.

• 06.00 och 18.00: Punkt A är vinkelrätt mot en linje mellan jorden och månen. Den normala komponenten i dess gravitationskraft motverkar centrifugalbulten och drar in den. Punkt A upplever lågvatten.

• Middag: Punkt A är på motsatt sida av jorden från månen. Månens gravitation är svagare på grund av punkt A är nu en jorddiameter bort, som är nästan 8000 miles (12,875 km). Gravitationskraften är inte tillräckligt stark för att neutralisera centrifugalbulten och peka A upplever en andra högvatten, som är mindre än den första som inträffade vid midnatt.

Månen rör sig genom himlen med en genomsnittlig hastighet på 13,2 grader per dag, vilket motsvarar cirka 50 minuter, så första högvatten nästa dag inträffar klockan 00.50, inte midnatt. På detta sätt, tidpunkten för högvatten vid tidpunkten A följer månens rörelse.

Solen har en effekt på tidvatten som är analog med månens och även om den är hälften så stark, måste alla som förutsäger tidvatten ta hänsyn till den.

Om du visualiserar gravitationseffekterna på tidvatten som långsträckta bubblor som omger planeten, skulle månens bubbla vara dubbelt så långsträckt som solens. Den roterar runt jorden i samma hastighet som månen kretsar kring planeten medan solens bubbla följer jordens rörelse runt solen.

Dessa bubblor interagerar som störande vågor, förstärker ibland varandra och ibland avbryter varandra.

Tidvattenbubblan är en idealisering, eftersom jorden inte är helt täckt av vatten. Den har landmassor som så att säga begränsar vattnet till bassänger. Som du kan se genom att luta en kopp vatten fram och tillbaka, beter sig vatten i en behållare annorlunda än vatten som inte är begränsat av gränserna.

Flytta vattenskålen en väg och alla vattensnabbar åt sidan och flytta den sedan åt andra hållet och vattnet snubblar tillbaka. Havsvatten i de tre huvudsakliga havsbassängerna - Atlanten, Stilla havet och Indiska oceanen - liksom i alla de mindre, beter sig på samma sätt på grund av jordens axiella snurr.

Rörelsen är inte så enkel som denna, för den är också utsatt för vindar, vattendjup, kusttopografi och Coriolis-kraften. Vissa kustlinjer på jorden, särskilt de vid Atlantkusten, har två höga tidvatten per dag medan andra, såsom många platser på Stillahavskusten, bara har en.

Tidvattnets regelbundna ebb och flöde har en djupgående inverkan på planetens kustlinjer, kontinuerligt urholkar dem och ändrar deras egenskaper. Sediment transporteras på det tillbakadragande tidvattnet till havs och deponeras på nytt på en annan plats när tidvattnet kommer in igen.

Marinväxter och djur i tidvattenområden har utvecklats för att anpassa sig till och dra nytta av denna regelbundna rörelse, och fiskare har genom tiderna haft tid att göra sina aktiviteter för att anpassa sig till den.

Tidvattenrörelsen genererar en enorm mängd energi som kan omvandlas till el. Ett sätt att göra detta är med en damm som använder rörelsen av vatten för att komprimera luft för att driva en turbin.

Ett annat sätt är att ställa in turbiner direkt i tidvattenszonen så att det retirerande och framåtgående vattnet kan snurra dem, ungefär som vinden snurrar luftturbiner. Eftersom vatten är så mycket tätare än luft kan en tidvattenturbin generera betydligt mer energi än en vindturbin.