4.6: المد والجزر في المحيط والقمر
- Page ID
- 197554
أهداف التعلم
في نهاية القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف أسباب المد والجزر على الأرض
- اشرح سبب تغير سعة المد والجزر خلال الشهر
أي شخص يعيش بالقرب من البحر على دراية بارتفاع وهبوط المد والجزر مرتين يوميًا. في وقت مبكر من التاريخ، كان من الواضح أن المد والجزر يجب أن يكون مرتبطًا بالقمر لأن التأخير اليومي في ارتفاع المد هو نفس التأخير اليومي في ارتفاع القمر. لكن التفسير المرضي للمد والجزر انتظر نظرية الجاذبية التي قدمها نيوتن.
سحب القمر على الأرض
يوضح الشكل قوى الجاذبية التي يمارسها القمر في عدة نقاط على الأرض\(\PageIndex{1}\). تختلف هذه القوى قليلاً عن بعضها البعض لأن الأرض ليست نقطة، ولكن لها حجم معين: جميع الأجزاء ليست بعيدة بالتساوي عن القمر، كما أنها ليست جميعها في نفس الاتجاه تمامًا من القمر. علاوة على ذلك، فإن الأرض ليست صلبة تمامًا. ونتيجة لذلك، تؤدي الاختلافات بين قوى جاذبية القمر على أجزاء مختلفة من الأرض (تسمى القوى التفاضلية) إلى تشويه الأرض قليلاً. ينجذب جانب الأرض الأقرب للقمر نحو القمر بقوة أكبر من مركز الأرض، والذي بدوره ينجذب بقوة أكبر من الجانب المقابل للقمر. وبالتالي، تميل القوى التفاضلية إلى تمديد الأرض قليلاً إلى كرة كروية متموجة (شكل كرة قدم)، مع توجيه قطرها الطويل نحو القمر.
إذا كانت الأرض مصنوعة من الماء، فسوف تتشوه حتى تتوازن القوى التفاضلية للقمر على أجزاء مختلفة من سطحه مع قوى الجاذبية الأرضية التي تجمعها معًا. تظهر الحسابات أنه في هذه الحالة، ستتشوه الأرض من الكرة بكميات تصل إلى متر واحد تقريبًا. تُظهر قياسات التشوه الفعلي للأرض أن الأرض الصلبة تتشوه، ولكن فقط حوالي ثلث كمية الماء، بسبب الصلابة الأكبر للجزء الداخلي من الأرض.
نظرًا لأن التشوه المدي للأرض الصلبة يبلغ - في أقصى حالاته - حوالي 20 سنتيمترًا فقط، فإن الأرض لا تشوه بما يكفي لموازنة القوى التفاضلية للقمر مع جاذبيته الخاصة. ومن ثم، تتعرض الأجسام الموجودة على سطح الأرض إلى قاطرات أفقية صغيرة تميل إلى جعلها تنزلق. إن قوى رفع المد والجزر هذه ضئيلة للغاية بحيث لا تؤثر على الأجسام الصلبة مثل طلاب علم الفلك أو الصخور في القشرة الأرضية، ولكنها تؤثر على المياه في المحيطات.
تكوين المد والجزر
تنتج قوى رفع المد، التي تعمل على مدى عدة ساعات، حركات المياه التي تؤدي إلى انتفاخات المد والجزر القابلة للقياس في المحيطات. يتدفق الماء الموجود على جانب الأرض المواجه للقمر نحوه، حيث تصل الأعماق العظمى تقريبًا إلى النقطة الموجودة أسفل القمر. على جانب الأرض المقابل للقمر، يتدفق الماء أيضًا لإنتاج انتفاخ المد والجزر (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
يمكنك تشغيل هذه الرسوم المتحركة لعرض مرئي لانتفاخ المد والجزر.
لاحظ أن انتفاخات المد والجزر في المحيطات لا تنتج عن ضغط القمر أو توسيع المياه، ولا عن رفع القمر للماء «بعيدًا عن الأرض». بل إنها تنتج عن التدفق الفعلي للمياه فوق سطح الأرض نحو المنطقتين أسفل القمر ومقابلته، مما يتسبب في تراكم المياه إلى أعماق أكبر في تلك الأماكن (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
في النموذج المثالي (وكما سنرى، المبسط للغاية) الموصوف للتو، سيكون ارتفاع المد والجزر بضعة أقدام فقط. سيحمل دوران الأرض راصدًا في أي مكان بالتناوب في مناطق المياه العميقة والضحلة. أما الراصد الذي يُنقل إلى المناطق الواقعة تحت القمر أو في الجهة المقابلة له، حيث كانت المياه أعمق، فيقول: «المد قادم»؛ وعندما يُحمل بعيدًا عن تلك المناطق، سيقول الراصد: «المد آخذ في الخروج». خلال يوم واحد، سيتم نقل الراصد من خلال انتفاخات المد والجزر (واحدة على كل جانب من جوانب الأرض) وبالتالي سيواجه ارتفاعين في المد والجزر واثنين من المد المنخفض.
تنتج الشمس أيضًا المد والجزر على الأرض، على الرغم من أنها أقل من نصف فعالية القمر عند ارتفاع المد. إن المد الفعلي الذي نعيشه هو مزيج من التأثير الأكبر للقمر والتأثير الأصغر للشمس. عندما تصطف الشمس والقمر (عند القمر الجديد أو القمر الكامل)، فإن المد والجزر الناتج يعزز كل منهما الآخر وبالتالي يكون أكبر من المعتاد (الشكل\(\PageIndex{4}\)). يُطلق على هذه الظواهر اسم المد الربيعي (لا يرتبط الاسم بالموسم بل بفكرة أن المد العالي «ينبثق»). يتشابه المد الربيعي تقريبًا، سواء كانت الشمس والقمر على نفس الجانب أو على جانبي الأرض، لأن انتفاخات المد والجزر تحدث على كلا الجانبين. عندما يكون القمر في الربع الأول أو الربع الأخير (بزوايا قائمة لاتجاه الشمس)، فإن المد والجزر الناتج عن الشمس يلغي جزئيًا المد والجزر في القمر، مما يجعله أقل من المعتاد. هذه تسمى المد والجزر.
ستكون نظرية المد والجزر «البسيطة»، الموصوفة في الفقرات السابقة، كافية إذا كانت الأرض تدور ببطء شديد وكانت محاطة تمامًا بمحيطات عميقة جدًا. ومع ذلك، فإن وجود الكتل الأرضية التي توقف تدفق المياه، والاحتكاك في المحيطات وبين المحيطات وأرضيات المحيطات، ودوران الأرض، والرياح، والعمق المتغير للمحيط، وعوامل أخرى كلها تعقد الصورة. هذا هو السبب في أن بعض الأماكن في العالم الحقيقي بها موجات صغيرة جدًا بينما في أماكن أخرى تصبح المد والجزر الضخمة مناطق جذب سياحي. إذا كنت في مثل هذه الأماكن، فقد تعلم أنه يجب حساب «جداول المد والجزر» ونشرها لكل موقع؛ مجموعة واحدة من تنبؤات المد والجزر لا تعمل على الكوكب بأكمله. في هذا الفصل التمهيدي، لن نتعمق أكثر في هذه التعقيدات.
جورج داروين وتباطؤ الأرض
ينطوي فرك الماء على وجه الأرض على كمية هائلة من الطاقة. على مدى فترات طويلة من الزمن، يؤدي احتكاك المد والجزر إلى إبطاء دوران الأرض. يطول يومنا بحوالي 0.002 ثانية كل قرن. يبدو هذا صغيرًا جدًا، لكن مثل هذه التغييرات الصغيرة يمكن أن تصل إلى ملايين ومليارات السنين.
على الرغم من تباطؤ دوران الأرض، لا يمكن تغيير الزخم الزاوي (انظر المدارات والجاذبية) في نظام مثل نظام الأرض والقمر. وبالتالي، يجب تسريع بعض حركات الدوران الأخرى لأخذ الزخم الزاوي الإضافي. تم وضع تفاصيل ما يحدث منذ أكثر من قرن من قبل جورج داروين، ابن عالم الطبيعة تشارلز داروين. كان لدى جورج داروين (انظر الشكل) اهتمامًا قويًا بالعلوم ولكنه درس القانون لمدة ست سنوات وتم قبوله في نقابة المحامين. ومع ذلك، لم يمارس القانون مطلقًا، وعاد إلى العلوم بدلاً من ذلك وأصبح في النهاية أستاذًا في جامعة كامبريدج. كان حاميًا للورد كلفن، أحد علماء الفيزياء الكبار في القرن التاسع عشر، وأصبح مهتمًا بالتطور طويل المدى للنظام الشمسي. تخصص في إجراء حسابات رياضية مفصلة (وصعبة) لكيفية تغير المدارات والحركات على مر الزمن الجيولوجي.
ما حسبه داروين لنظام الأرض والقمر هو أن القمر سوف يتدفق ببطء إلى الخارج بعيدًا عن الأرض. عندما تتحرك بعيدًا، ستدور بسرعة أقل (تمامًا كما تتحرك الكواكب البعيدة عن الشمس بشكل أبطأ في مداراتها). وبالتالي، سيصبح الشهر أطول. أيضًا، نظرًا لأن القمر سيكون أكثر بعدًا، فلن يكون الكسوف الكلي للشمس مرئيًا من الأرض.
سيستمر كل من اليوم والشهر في الزيادة، على الرغم من مراعاة أن التأثيرات تدريجية جدًا. تم تأكيد حسابات داروين من خلال المرايا التي وضعها رواد فضاء أبولو 11 على القمر. يُظهر ذلك أن القمر يتحرك بعيدًا بمقدار 3.8 سم سنويًا، وأنه في النهاية - مليارات السنين في المستقبل - سيكون اليوم والشهر بنفس الطول (حوالي 47 من أيامنا الحالية). عند هذه النقطة سيكون القمر ثابتًا في السماء فوق نفس المكان على الأرض، مما يعني أن بعض أجزاء الأرض سترى القمر ومراحله وأجزاء أخرى لن تراها أبدًا. هذا النوع من المحاذاة صحيح بالفعل بالنسبة لقمر بلوتو شارون (من بين أمور أخرى). دورانه والفترة المدارية لهما نفس طول اليوم على بلوتو.
ملخص
يرجع المد والجزر في المحيط مرتين يوميًا بشكل أساسي إلى القوة التفاضلية للقمر على مادة القشرة الأرضية والمحيطات. تتسبب قوى المد والجزر هذه في تدفق مياه المحيط إلى انتفاخات المد والجزر على جانبي الأرض؛ كل يوم، تدور الأرض من خلال هذه الانتفاخات. تتعقد المد والجزر الفعلي في المحيط بسبب التأثيرات الإضافية للشمس وشكل السواحل وأحواض المحيطات.
مسرد المصطلحات
- المد والجزر
- ارتفاع وهبوط متناوب لمستوى سطح البحر بسبب الاختلاف في قوة الجاذبية للقمر على أجزاء مختلفة من الأرض