ปฏิสัมพันธ์ของแรงดึงดูดระหว่างโลกและดวงจันทร์
ปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ธรรมชาติที่สังเกตได้ง่ายที่สุดในพื้นที่ชายฝั่ง: ระดับน้ำทะเลจะสูงขึ้นเป็นเวลาสองสามชั่วโมง จากนั้นจะค่อยๆ ลดลง และวงจรนี้จะเกิดขึ้นซ้ำทุกวัน เบื้องหลังจังหวะที่ดูเรียบง่ายนี้คือปฏิสัมพันธ์เชิงแรงโน้มถ่วงที่ซับซ้อนระหว่างโลกและดวงจันทร์ (รวมถึงอิทธิพลของดวงอาทิตย์) ที่เปลี่ยนแปลงพลวัตของมหาสมุทร ส่งผลต่อระบบนิเวศชายฝั่ง กิจกรรมการเดินเรือ และแม้แต่การออกแบบโครงสร้างพื้นฐานชายฝั่ง การทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของน้ำขึ้นน้ำลงระหว่างโลกและดวงจันทร์จึงไม่ใช่แค่เรื่องของความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับความปลอดภัย เศรษฐกิจ และสิ่งแวดล้อมด้วย
แรงโน้มถ่วงและต้นกำเนิดของปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง
แก่นแท้ของปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงคือแรงโน้มถ่วง ดวงจันทร์มีมวลน้อยกว่าโลกมาก แต่เนื่องจากอยู่ใกล้โลกมาก แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์จึงมีอิทธิพลต่อโลกอย่างมาก แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ดึงดูดโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งมวลน้ำในมหาสมุทร อย่างไรก็ตาม น้ำขึ้นน้ำลงไม่ได้เป็นเพียงแค่ "น้ำทะเลถูกดึงดูดเข้าหาดวงจันทร์" สิ่งสำคัญคือความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ ณ จุดต่างๆ บนโลก
ด้านของโลกที่หันเข้าหาดวงจันทร์จะได้รับแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วงที่แรงกว่าด้านตรงข้าม ความแตกต่างนี้เรียกว่าแรงน้ำขึ้นน้ำลง ผลที่ได้คือเกิดเป็นเนินน้ำขึ้นน้ำลงสองแห่ง แห่งหนึ่งอยู่ด้านที่หันเข้าหาดวงจันทร์เนื่องจากแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วงที่แรงกว่า และอีกแห่งหนึ่งอยู่ด้านตรงข้ามเนื่องจากแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วงที่อ่อนกว่า ภายในกรอบของระบบโลก-ดวงจันทร์ การปรากฏของเนินน้ำขึ้นน้ำลงด้านไกลมักอธิบายได้ด้วยการรวมกันของผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกันและการเคลื่อนที่ในวงโคจรเดียวกันของจุดศูนย์กลางมวล (barycenter) ของระบบโลก-ดวงจันทร์
ด้วยส่วนที่นูนออกมาสองส่วนนี้ เมื่อโลกหมุนรอบตัวเอง พื้นที่ชายฝั่งโดยทั่วไปจะ "ผ่าน" ส่วนที่นูนออกมาทั้งสองส่วนในการหมุนรอบตัวเองหนึ่งรอบ ดังนั้นหลายพื้นที่จึงประสบกับน้ำขึ้นสองครั้งและน้ำลงสองครั้งในเวลาประมาณหนึ่งวัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากดวงจันทร์ก็โคจรรอบโลกเช่นกัน วงจรน้ำขึ้นน้ำลงจึงไม่ตรงกับ 24 ชั่วโมงเป๊ะๆ โดยเฉลี่ยแล้วจะตาม "วันจันทรคติ" ประมาณ 24 ชั่วโมง 50 นาที นี่คือเหตุผลที่เวลาน้ำขึ้นสูงสุดเลื่อนไปประมาณ 50 นาทีในแต่ละวัน
บทบาทของดวงอาทิตย์: พระจันทร์เต็มดวงและพระจันทร์เสี้ยว
แม้ว่าดวงจันทร์จะเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลง แต่ดวงอาทิตย์ก็มีบทบาทเช่นกัน แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์นั้นมากกว่ามาก แต่เนื่องจากอยู่ไกลมาก แรงดึงดูดของดวงอาทิตย์จึงน้อยกว่าแรงดึงดูดของดวงจันทร์ (ประมาณครึ่งหนึ่ง) เมื่อโลก ดวงจันทร์ และดวงอาทิตย์เรียงตัวกัน—ในช่วงข้างขึ้นใหม่ (การรวมตัวกัน) หรือข้างแรม (การตรงข้าม)—แรงดึงดูดของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์จะกระทำไปในทิศทางเดียวกัน ส่งผลให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลงสูงสุด (ไม่เกี่ยวข้องกับฤดูใบไม้ผลิ แต่หมายถึง "การเพิ่มขึ้นของระดับน้ำ") ซึ่งเป็นช่วงน้ำขึ้นน้ำลงที่มากกว่าค่าเฉลี่ย (ความแตกต่างของระดับน้ำระหว่างน้ำขึ้นและน้ำลง)
ในทางกลับกัน เมื่อดวงจันทร์อยู่ในช่วงข้างขึ้นหรือข้างแรม ตำแหน่งของดวงจันทร์จะทำมุมประมาณ 90 องศา กับเส้นตรงระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ ณ จุดนี้ แรงดึงดูดของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์จะ "หักล้าง" กัน ทำให้ช่วงน้ำขึ้นน้ำลงแคบลง นี่คือช่วงน้ำลงน้อย สำหรับชาวประมง ผู้ประกอบการท่าเรือ และผู้วางแผนกิจกรรมชายฝั่ง รูปแบบน้ำขึ้นน้ำลงน้อยและมากนี้มีความสำคัญ เพราะเป็นตัวกำหนดว่าเมื่อใดที่กระแสน้ำจะแรงขึ้นและระดับน้ำจะสูงขึ้นอย่างมาก
เหตุใดระดับน้ำขึ้นน้ำลงจึงแตกต่างกันไปในแต่ละพื้นที่?
หากน้ำขึ้นน้ำลงขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เพียงอย่างเดียว ชายฝั่งทั้งหมดของโลกก็จะประสบกับรูปแบบที่คล้ายคลึงกัน แต่ในความเป็นจริง ระดับน้ำขึ้นน้ำลงแตกต่างกันอย่างมาก บางแห่งมีน้ำขึ้นน้ำลงเพียงไม่กี่สิบเซนติเมตร ในขณะที่บางแห่งอาจสูงถึงหลายสิบเมตร เช่น ในอ่าวฟันดี (แคนาดา) ความแตกต่างนี้เกิดจากปัจจัยหลักหลายประการ:
1. รูปร่างของแอ่งมหาสมุทรและแนวชายฝั่ง
รูปทรงที่แคบลงของอ่าวสามารถ "รวม" มวลน้ำ ทำให้ระดับน้ำขึ้นน้ำลงสูงขึ้น นอกจากนี้ ลักษณะภูมิประเทศของพื้นทะเลยังมีผลต่อการแพร่กระจายและการสะท้อนของคลื่นน้ำขึ้นน้ำลงด้วย
2. การสั่นพ้อง
แหล่งน้ำทุกแห่งมีคาบการแกว่งตัวตามธรรมชาติ หากคาบการขึ้นลงของน้ำเข้าใกล้คาบการแกว่งตัวตามธรรมชาติของแหล่งน้ำนั้น ความสูงของน้ำขึ้นลงก็จะเพิ่มขึ้นได้ เหมือนกับชิงช้าที่ถูกผลักในจังหวะที่เหมาะสม
3. ผลกระทบโคริโอลิสและพลศาสตร์ของน้ำขึ้นน้ำลง
น้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทรเป็นคลื่นยาวที่ได้รับอิทธิพลจากการหมุนของโลก ทำให้เกิดระบบกระแสน้ำหมุนวน (แอมฟิโดรมิก) ในบางพื้นที่ ส่งผลให้บางจุดแทบไม่มีน้ำขึ้นน้ำลงเลย (แอมพลิจูดใกล้ศูนย์) ในขณะที่บางจุดน้ำขึ้นน้ำลงค่อนข้างสูง
4. แรงเสียดทานและความลึกของน้ำ
บริเวณน้ำตื้นจะเพิ่มแรงเสียดทานที่พื้นทะเล ส่งผลให้เฟสเปลี่ยนแปลง และลดหรือบางครั้งอาจเพิ่มแอมพลิจูดผ่านปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนกับลักษณะของแนวชายฝั่ง
เนื่องจากปัจจัยเหล่านี้ บางพื้นที่จึงมีน้ำขึ้นน้ำลงสองครั้งต่อวัน (แบบกึ่งรายวัน) บางพื้นที่มีน้ำขึ้นน้ำลงวันละครั้งเดียว (แบบรายวัน) และหลายแห่งมีน้ำขึ้นน้ำลงแบบผสมผสาน ตัวอย่างเช่น อินโดนีเซียมีน้ำขึ้นน้ำลงหลายประเภทที่ได้รับอิทธิพลจากการบรรจบกันของมหาสมุทร ช่องแคบ และลักษณะภูมิประเทศที่เป็นหมู่เกาะ
ปฏิสัมพันธ์ระยะยาว: การหมุนของโลกที่ช้าลงและการโคจรของดวงจันทร์ที่ถอยห่างออกไป
ปฏิสัมพันธ์ของกระแสน้ำขึ้นลงไม่ได้เพียงแค่ทำให้ระดับน้ำในมหาสมุทรเคลื่อนที่ขึ้นลงทุกวันเท่านั้น แต่ยังถ่ายโอนพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมระหว่างโลกและดวงจันทร์ด้วย ส่วนโค้งของกระแสน้ำขึ้นลงไม่ได้เรียงตัวตรงกับแนวการโคจรของโลกและดวงจันทร์เสมอไป เพราะโลกหมุนเร็วกว่าการโคจรของดวงจันทร์ แรงเสียดทานในมหาสมุทรและปฏิสัมพันธ์กับพื้นทะเลทำให้ส่วนโค้งของกระแสน้ำขึ้นลงอาจตามหลังหรือนำหน้าเล็กน้อยขึ้นอยู่กับพลวัตในท้องถิ่น แต่โดยรวมแล้ว ส่วนโค้งของกระแสน้ำขึ้นลงมักจะนำหน้าแนวการโคจรของดวงจันทร์เล็กน้อย ผลที่ตามมาคือ แรงโน้มถ่วงระหว่างดวงจันทร์และส่วนโค้งของกระแสน้ำขึ้นลงก่อให้เกิดแรงบิด
แรงบิดนี้ส่งผลกระทบสำคัญสองประการ:
1. การหมุนของโลกกำลังช้าลง
พลังงานการหมุนของโลกค่อยๆ ลดลงเนื่องจากการสูญเสียพลังงานจากกระแสน้ำขึ้นลง (ส่วนใหญ่เปลี่ยนเป็นความร้อนผ่านแรงเสียดทาน) ส่งผลให้ความยาวของวันเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปในระดับทางธรณีวิทยา
2. ดวงจันทร์กำลังเคลื่อนตัวออกห่างจากโลก
โมเมนตัมเชิงมุมที่สูญเสียไปจากการหมุนของโลกจะถูกถ่ายโอนไปยังวงโคจรของดวงจันทร์ ทำให้รัศมีวงโคจรของดวงจันทร์เพิ่มขึ้น การวัดสมัยใหม่โดยใช้ตัวสะท้อนแสงเลเซอร์ที่ทิ้งไว้โดยภารกิจอะพอลโลแสดงให้เห็นว่าดวงจันทร์กำลังเคลื่อนตัวออกห่างจากโลกปีละไม่กี่เซนติเมตร ในระยะยาว นั่นหมายความว่าในอนาคตอันไกลโพ้น อัตราน้ำขึ้นน้ำลงจะเปลี่ยนแปลงไป และความยาวของวันบนโลกจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
กระบวนการนี้ยังให้เบาะแสเกี่ยวกับอดีตของโลกอีกด้วย จากบันทึกทางธรณีวิทยาและฟอสซิลบางชนิดที่บันทึกจังหวะรายวันหรือรายเดือน (เช่น การเติบโตของชั้นหิน) นักวิทยาศาสตร์สามารถประมาณได้ว่าเมื่อหลายร้อยล้านปีก่อน วันของโลกสั้นกว่าและดวงจันทร์อยู่ใกล้โลกมากกว่า ทำให้รูปแบบน้ำขึ้นน้ำลงมีความรุนแรงมากขึ้นในบางภูมิภาค
ผลกระทบของน้ำขึ้นน้ำลงต่อชีวิตและกิจกรรมของมนุษย์
กระแสน้ำขึ้นน้ำลงส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตชายฝั่งหลายด้าน ในระบบนิเวศน์ บริเวณน้ำขึ้นน้ำลงซึ่งเป็นพื้นที่ที่สลับกันระหว่างจมอยู่ใต้น้ำและโผล่พ้นน้ำนั้น เป็นแหล่งที่อยู่อาศัยที่พิเศษสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความเค็ม และความแห้งแล้ง กระแสน้ำขึ้นน้ำลงยังช่วยขนส่งสารอาหาร กระจายตัวอ่อน และกวนน้ำ ซึ่งส่งผลต่อผลผลิตทางการประมงด้วย
ในด้านมนุษย์ น้ำขึ้นน้ำลงกำหนดตารางเวลาของเรือที่เข้าสู่ท่าเรือน้ำตื้น ส่งผลต่อความปลอดภัยในการข้ามฟาก และเป็นข้อมูลสำคัญในการวางแผนการสร้างเขื่อน ท่าเทียบเรือ และระบบระบายน้ำในเมืองชายฝั่ง ในบริบทของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเล การทำความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำขึ้นน้ำลงจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เพราะน้ำท่วมจากน้ำขึ้นน้ำลงมักเกิดขึ้นเมื่อน้ำขึ้นสูงพร้อมกับพายุ คลื่น และระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้น
นอกจากนี้ พลังงานน้ำขึ้นน้ำลงยังเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำขึ้นน้ำลงใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของระดับน้ำหรือกระแสน้ำขึ้นน้ำลง อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้จำเป็นต้องมีการศึกษาอย่างละเอียดเพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายระบบนิเวศ เส้นทางการอพยพของสิ่งมีชีวิต หรือพลวัตของตะกอน
ปิด
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโลกและดวงจันทร์ในเรื่องน้ำขึ้นน้ำลงเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่าพลังจักรวาลส่งผลกระทบต่อชีวิตประจำวันอย่างไร แรงดึงดูดของดวงจันทร์—โดยได้รับการเสริมด้วยดวงอาทิตย์—สร้างคลื่นน้ำขึ้นน้ำลงที่แผ่กระจายไปทั่วมหาสมุทร ปั้นแต่งรูปร่างของชายฝั่งและพื้นทะเล และสร้างรูปแบบที่แตกต่างกันในแต่ละภูมิภาค ในระยะยาว น้ำขึ้นน้ำลงทำหน้าที่เป็นกลไกในการแลกเปลี่ยนพลังงาน ค่อยๆ ชะลอการหมุนของโลกและผลักดวงจันทร์ออกไป ปรากฏการณ์นี้เชื่อมโยงท้องฟ้าและทะเล แสดงให้เห็นว่าโลกไม่ใช่ระบบที่แยกจากกัน แต่เป็นส่วนหนึ่งของการเต้นรำแห่งแรงโน้มถ่วงที่ดำเนินมาอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายพันล้านปี
