Приливно взаимодействие на Земята и Луната
Приливите и отливите са едни от най-лесно наблюдаваните природни явления в крайбрежните райони: морското равнище се покачва за няколко часа, след което бавно спада и цикълът се повтаря ежедневно. Зад този привидно прост ритъм се крие сложно гравитационно взаимодействие между Земята и Луната (както и приносът на Слънцето), което оформя динамиката на океана, влияейки върху крайбрежните екосистеми, корабоплавателната дейност и дори върху дизайна на крайбрежната инфраструктура. Разбирането на приливното взаимодействие между Земята и Луната е не само въпрос на научно любопитство, но и на безопасност, икономика и екологични проблеми.
Гравитационна сила и произходът на приливите и отливите
Същността на приливите и отливите е силата на гравитацията. Луната има много по-малка маса от Земята, но относително близката ѝ близост прави гравитационното ѝ влияние върху Земята значително. Гравитационното привличане на Луната върху Земята и по-специално върху водната маса на океаните. Приливите и отливите обаче не са просто „морска вода, придърпвана към Луната“. Важното е разликата в гравитационното привличане на Луната в различните точки на Земята.
Страната на Земята, обърната към Луната, изпитва по-силно гравитационно привличане от противоположната страна. Тази разлика се нарича приливна сила. В резултат на това се образуват две приливни издатини: едната от страната, обърната към Луната, поради по-силното гравитационно привличане, а другата от противоположната страна, поради по-слабото гравитационно привличане. В рамките на системата Земя-Луна, наличието на далечната издатина често се обяснява с комбинация от диференциални гравитационни ефекти и споделеното орбитално движение на центъра на масата (барицентъра) на системата Земя-Луна.
С тези две издатини, докато Земята се върти, крайбрежната зона обикновено „преминава“ и двете издатини с едно завъртане, така че много места преживяват два прилива и два отлива за около ден. Тъй като обаче Луната също се движи около Земята, приливният цикъл не е точно 24 часа; средно той следва „лунен ден“ от около 24 часа и 50 минути. Ето защо времето на най-високия прилив се измества с около 50 минути по-късно всеки ден.
Ролята на Слънцето: пълнолуние и четвърт луна
Въпреки че Луната е основният двигател на приливите и отливите, Слънцето също играе роля. Гравитацията на Слънцето е много по-голяма, но то е толкова далеч, че приливната му сила е по-малка от тази на Луната (около наполовина). Когато Земята, Луната и Слънцето са подравнени – при новолуние (съвпад) или пълнолуние (опозиция) – приливните сили на Луната и Слънцето действат в една и съща посока. Това води до пролетни приливи (не свързани с пролетта, а по-скоро „вдигане“), които представляват по-голям от средния приливен диапазон (разликата в нивото на водата между прилив и отлив).
Обратно, когато Луната е във фаза първа или трета четвърт, нейното положение образува ъгъл от приблизително 90 градуса спрямо линията Земя-Слънце. В този момент приливните сили на Луната и Слънцето се „компенсират“ взаимно, стеснявайки диапазона на приливите и отливите. Това е пролетен прилив. За рибарите, пристанищните оператори и организаторите на крайбрежни дейности този пролетно-пролетен прилив е важен, защото определя кога приливните течения са склонни да бъдат по-силни и кога е по-вероятно да има екстремни нива на водата.
Защо височините на приливите варират от място на място?
Ако приливите и отливите зависеха единствено от гравитацията на Луната, всички брегови линии на Земята щяха да имат подобни модели. В действителност височините на приливите варират значително: някои места имат приливи само от десетки сантиметри, докато други могат да достигнат десетки метри, като например в залива Фънди (Канада). Тази разлика се дължи на няколко основни фактора:
1. Форма на океанския басейн и брегова линия
Стесняващата се форма на залива може да „фокусира“ водната маса, увеличавайки прилива. Топографията на морското дъно също влияе върху разпространението и отразяването на приливните вълни.
2. Резонанс
Всеки воден басейн има естествен период на трептене. Ако периодът на приливите и отливите се доближи до естествения период на басейна, амплитудата на приливите и отливите може да се увеличи като люлка, бутната в точното време.
3. Ефект на Кориолис и динамика на приливите и отливите
Океанските приливи и отливи са дълговълноподобни вълни, повлияни от въртенето на Земята. Това причинява въртяща се (амхидромична) система от течения в някои райони, което води до практически липса на приливи в някои точки (амплитуди около нулата), докато в други те са доста големи.
4. Триене и дълбочина на водата
Плитките води увеличават триенето на дъното, променяйки фазата и намалявайки или понякога увеличавайки амплитудата чрез сложни взаимодействия с формата на бреговата линия.
Поради тези фактори, някои места изпитват двойни дневни (полудневни) приливи, други - еднодневни (дневни), а много имат смесени приливи. Индонезия, например, има разнообразие от видове приливи и отливи, повлияни от сливането на океани, проливи и архипелажна топография.
Дългосрочни взаимодействия: забавянето на въртенето на Земята и отдалечаващата се орбита на Луната
Приливните взаимодействия не само движат океанската вода нагоре и надолу ежедневно; те също така пренасят енергия и ъглов момент между Земята и Луната. Приливната издатина не винаги съвпада точно с подравняването Земя-Луна, защото Земята се върти по-бързо от орбитата на Луната. Триенето в океана и взаимодействията с морското дъно карат приливната издатина да изостава или да изпреварва леко в зависимост от локалната динамика, но в световен мащаб издатината е склонна да бъде малко по-напред от подравняването на Луната. В резултат на това гравитационната сила между Луната и приливната издатина създава въртящ момент.
Този въртящ момент има две основни последици:
1. Въртенето на Земята се забавя
Ротационната енергия на Земята постепенно намалява поради разсейване на приливната енергия (главно като топлина чрез триене). В резултат на това продължителността на деня се увеличава много леко с течение на времето в геоложки мащаб.
2. Луната се отдалечава от Земята
Ъгловият момент, загубен от въртенето на Земята, се пренася върху орбитата на Луната, увеличавайки орбиталния радиус на Луната. Съвременните измервания, използващи лазерни отражатели, оставени от мисиите Аполо, показват, че Луната се отдалечава от Земята с няколко сантиметра годишно. В дългосрочен план това означава, че в много далечно бъдеще скоростта на приливите и отливите ще се променят и продължителността на земния ден ще продължи да се увеличава.
Този процес също така предоставя улики за миналото на Земята. От геоложкия запис и някои фосили, които регистрират дневни или месечни ритми (като например растеж на слоестата структура), учените могат да преценят, че преди стотици милиони години земните дни са били по-кратки, а Луната е била по-близо, което е позволило приливните модели да бъдат по-силни в някои региони.
Влиянието на приливите и отливите върху човешкия живот и дейности
Приливите и отливите влияят на много аспекти от крайбрежния живот. В екосистемите, междуприливната зона – област, която е ту потопена, ту изложена на въздуха – осигурява уникално местообитание за организми, които трябва да издържат на промени в температурата, солеността и сушата. Приливните течения също така помагат за транспортирането на хранителни вещества, разпределянето на ларвите и разбъркването на водите, като по този начин влияят върху продуктивността на рибарството.
От човешка страна, приливите и отливите определят разписанията на корабите, влизащи в плитки пристанища, влияят върху безопасността на преминаванията и информират планирането на насипи, кейове и дренажни системи в крайбрежните градове. В контекста на изменението на климата и покачването на морското равнище, разбирането на приливите и отливите е все по-важно, защото наводненията, причинени от приливите и отливите, често се случват, когато високите приливи съвпадат с бури, вълни и покачване на морското равнище.
Освен това, енергията на приливите и отливите е възобновяем енергиен източник. Приливните електроцентрали използват разликите в нивата на водата или приливните течения. Приложението им обаче изисква задълбочено проучване, за да се избегне увреждане на екосистемите, пътищата за миграция на организмите или динамиката на седиментите.
Затваряне
Приливното взаимодействие между Земята и Луната е ярък пример за това как космическите сили влияят на ежедневието. Гравитационното привличане на Луната – подпомогнато от Слънцето – създава приливни вълни, които се разпространяват по океана, оформяйки бреговите линии и морското дъно и създавайки различни модели в различни региони. В дългосрочен план приливите и отливите действат като механизъм за обмен на енергия, като постепенно забавят въртенето на Земята и отблъскват Луната. Това явление свързва небето и морето, демонстрирайки, че Земята не е отделна система, а по-скоро част от гравитационен танц, който продължава от милиарди години.
