4.6: Maji ya Bahari na Mwezi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hiyo, utaweza:

• Eleza nini husababisha mawimbi duniani
• Eleza kwa nini amplitude ya mawimbi hubadilika wakati wa mwezi.

Mtu yeyote anayeishi karibu na bahari anajulikana na kupanda kwa mara mbili kila siku na kuanguka kwa mawimbi. Mapema katika historia, ilikuwa wazi kwamba mawimbi yanapaswa kuhusiana na Mwezi kwa sababu kuchelewa kila siku katika wimbi kubwa ni sawa na kuchelewa kila siku katika kupanda kwa Mwezi. Maelezo ya kuridhisha ya mawimbi, hata hivyo, walisubiri nadharia ya mvuto, iliyotolewa na Newton.

Pull ya Mwezi Duniani

Vikosi vya mvuto vinavyotumiwa na Mwezi kwa pointi kadhaa duniani vinaonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1}\). Majeshi haya yanatofautiana kidogo kutoka kwa kila mmoja kwa sababu Dunia si hatua, lakini ina ukubwa fulani: sehemu zote si sawa mbali na Mwezi, wala wote hawako katika mwelekeo sawa na Mwezi. Aidha, Dunia sio ngumu kabisa. Matokeo yake, tofauti kati ya nguvu za mvuto wa Mwezi kwenye sehemu tofauti za Dunia (inayoitwa vikosi tofauti) husababisha Dunia kupotosha kidogo. Upande wa Dunia karibu na Mwezi unavutiwa kuelekea Mwezi kwa nguvu zaidi kuliko ilivyo katikati ya Dunia, ambayo kwa upande wake inavutiwa sana kuliko upande unaoelekea Mwezi. Kwa hiyo, vikosi tofauti huwa na kunyoosha Dunia kidogo kwenye spheroid ya prolate (sura ya mpira wa miguu), na kipenyo chake cha muda mrefu kinaelekea Mwezi.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Pull ya Mwezi. Mvuto tofauti wa Mwezi unaonyeshwa kwenye sehemu tofauti za Dunia. (Kumbuka kuwa tofauti zimehifadhiwa kwa madhumuni ya elimu.)

Ikiwa Dunia ingekuwa imetengenezwa kwa maji, ingeweza kupotosha mpaka vikosi tofauti vya Mwezi juu ya sehemu mbalimbali za uso wake vilikuwa sawa na vikosi vya mvuto vya Dunia vinavyounganisha pamoja. Mahesabu yanaonyesha kuwa katika kesi hii, Dunia ingeweza kupotosha kutoka kwenye nyanja kwa kiasi cha hadi karibu mita 1. Mipangilio ya deformation halisi ya Dunia inaonyesha kwamba Dunia imara haina kupotosha, lakini tu juu ya theluthi moja kama maji ingekuwa, kwa sababu ya rigidity kubwa ya mambo ya ndani ya dunia.

Kwa sababu upotovu wa mawimbi wa Dunia imara hukada—kwa kiwango chake kikubwa—hadi sentimita 20 tu, Dunia haina kupotosha kutosha kusawazisha majeshi tofauti ya Mwezi na mvuto wake mwenyewe. Kwa hiyo, vitu vilivyo kwenye uso wa Dunia vinapata tugs vidogo vya usawa, vinavyotaka kuwafanya vifungue. Vikosi hivi vya kuinua mawimbi ni muhimu sana kuathiri vitu imara kama wanafunzi wa astronomia au miamba katika ukanda wa Dunia, lakini huathiri maji baharini.

Uundaji wa Mawimbi

Vikosi vya kuinua mawimbi, kutenda zaidi ya masaa kadhaa, huzalisha mwendo wa maji ambayo husababisha bulges inayoweza kupimwa katika bahari. Maji upande wa Dunia inakabiliwa na Mwezi hutembea kuelekea, na kina kirefu karibu na hatua chini ya Mwezi. Kwenye upande wa Dunia kinyume na Mwezi, maji pia hutoka ili kuzalisha bulge ya mawimbi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Tofauti katika mvuto husababisha vikosi vya mawimbi ambavyo vinasubu maji katika mwelekeo wa bulges za mawimbi duniani.

Unaweza kukimbia uhuishaji huu kwa maonyesho ya kuona ya bulge ya mawimbi.

Kumbuka kwamba bulges ya mawimbi katika bahari hayatokei kwa kuimarisha au kupanua maji, wala kutoka kwa Mwezi wa kuinua maji “mbali na Dunia.” Badala yake, wao kutokana na mtiririko halisi wa maji juu ya uso wa dunia kuelekea mikoa miwili chini na kinyume Moon, na kusababisha maji rundo hadi kina zaidi katika maeneo hayo (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Juu na Chini Maji. Hii ni kulinganisha upande kwa upande wa Bay ya Fundy nchini Canada kwenye mawimbi ya juu na ya chini. (mikopo a, b: mabadiliko ya kazi na Dylan Kereluk)

Katika idealized (na, kama tutakavyoona, overkilichorahisishwa) mfano tu ilivyoelezwa, urefu wa mawimbi itakuwa miguu michache tu. Mzunguko wa Dunia ungeweza kubeba mwangalizi mahali popote pengine katika mikoa ya maji ya kina na ya kina. Mtazamaji anayechukuliwa kuelekea maeneo yaliyo chini au kinyume cha Mwezi, ambako maji yalikuwa ndani kabisa, angeweza kusema, “Wimbi linaingia”; linapochukuliwa kutoka maeneo hayo, mwangalizi angesema, “Wimbi linatoka.” Wakati wa mchana, mwangalizi angefanywa kupitia bulges mbili za mawimbi (moja kwa kila upande wa Dunia) na hivyo angekuwa na uzoefu wa mawimbi mawili ya juu na mawimbi mawili ya chini.

Jua pia linazalisha mawimbi duniani, ingawa ni chini ya nusu yenye ufanisi kama Mwezi wakati wa kuinua mawimbi. Maji halisi tunayopata ni mchanganyiko wa athari kubwa ya Mwezi na athari ndogo ya Jua. Wakati Jua na Mwezi zimewekwa (mwezi mpya au mwezi kamili), mawimbi yanayotengenezwa yanaimarisha na hivyo ni kubwa kuliko kawaida (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Hizi huitwa mawimbi ya spring (jina haliunganishwa na msimu lakini kwa wazo kwamba mawimbi ya juu “yanaongezeka”). Maji ya spring ni takriban sawa, kama Jua na Mwezi ni pande moja au kinyume cha Dunia, kwa sababu bulges za mawimbi hutokea pande zote mbili. Wakati Mwezi ulipo katika robo ya kwanza au robo ya mwisho (kwenye pembe za kulia kwa mwelekeo wa Jua), mawimbi yanayotokana na Jua hufuta sehemu ya mawimbi ya Mwezi, na kuifanya kuwa chini kuliko kawaida. Hizi huitwa mawimbi mazuri.

\(\PageIndex{4}\)Kielelezo Maji yanayosababishwa na Alignments tofauti ya Sun na Mwezi. (a) Katika mawimbi ya spring, pulls ya jua na Mwezi huimarisha. (b) Katika mawimbi mazuri, Jua na Mwezi huvuta pembe za kulia kwa kila mmoja na mawimbi yanayotokana ni ya chini kuliko kawaida.

Nadharia “rahisi” ya mawimbi, iliyoelezwa katika aya iliyotangulia, ingekuwa ya kutosha kama Dunia ikizungushwa polepole sana na ikazungukwa kabisa na bahari za kina sana. Hata hivyo, kuwepo kwa raia wa ardhi kuacha mtiririko wa maji, msuguano katika bahari na kati ya bahari na sakafu ya bahari, mzunguko wa Dunia, upepo, kina cha kutofautiana cha bahari, na mambo mengine yote magumu picha. Ndiyo sababu, katika ulimwengu wa kweli, maeneo mengine yana mawimbi madogo sana wakati katika maeneo mengine mawimbi makubwa huwa vivutio vya utalii. Ikiwa umekuwa katika maeneo hayo, unaweza kujua kwamba “meza za wimbi” zinahitaji kuhesabiwa na kuchapishwa kwa kila eneo; seti moja ya utabiri wa wimbi haifanyi kazi kwa sayari nzima. Katika sura hii ya utangulizi, hatuwezi kutafakari zaidi katika matatizo haya.

George Darwin na Kupunguza kasi ya Dunia

Kunyunyizia maji juu ya uso wa Dunia kunahusisha kiasi kikubwa cha nishati. Kwa muda mrefu, msuguano wa mawimbi unapunguza kasi ya mzunguko wa Dunia. Siku yetu inapata muda mrefu kwa karibu 0.002 pili kila karne. Hiyo inaonekana ndogo sana, lakini mabadiliko hayo madogo yanaweza kuongeza zaidi ya mamilioni na mabilioni ya miaka.

Ingawa spin ya Dunia inapungua kasi, kasi ya angular (tazama Orbits na Gravity) katika mfumo kama vile mfumo wa Dunia-Mwezi hauwezi kubadilika. Kwa hiyo, mwendo mwingine wa spin lazima uharakishe kuchukua kasi ya ziada ya angular. Maelezo ya kile kinachotokea yalifanyika zaidi ya karne iliyopita na George Darwin, mwana wa asili Charles Darwin. George Darwin (angalia Kielelezo) alikuwa na riba kubwa katika sayansi lakini alisoma sheria kwa miaka sita na alikubaliwa kwenye bar. Hata hivyo, hajawahi kufanya mazoezi ya sheria, kurudi kwenye sayansi badala yake na hatimaye kuwa profesa katika Chuo Kikuu cha Cambridge. Alikuwa mtetezi wa Bwana Kelvin, mmoja wa fizikia wakuu wa karne ya kumi na tisa, na akawa na hamu ya mageuzi ya muda mrefu ya mfumo wa jua. Yeye maalumu katika kufanya mahesabu ya kina (na magumu) ya hisabati ya jinsi mizunguko na mwendo hubadilika juu ya muda wa kijiolojia.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) George Darwin (1845-1912). George Darwin anafahamika zaidi kwa kusoma spin ya Dunia kuhusiana na kasi ya angular.

Nini Darwin alihesabu kwa mfumo wa Dunia-Moon ni kwamba Mwezi utaondoka polepole nje, mbali na Dunia. Kama inavyoendelea mbali zaidi, itazunguka kwa kasi kidogo (kama vile sayari mbali na Jua zinakwenda polepole zaidi katika njia zao). Hivyo, mwezi utapata muda mrefu. Pia, kwa sababu Mwezi utakuwa mbali zaidi, jumla ya jua ya jua haitaonekana tena kutoka duniani.

Siku zote na mwezi utaendelea kupata muda mrefu, ingawa uzingatia kwamba madhara ni taratibu sana. Mahesabu ya Darwin yalithibitishwa na vioo vilivyowekwa kwenye Mwezi na wanaanga wa Apollo 11. Hizi zinaonyesha kwamba Mwezi unaondoka kwa sentimita 3.8 kwa mwaka, na kwamba hatimaye - mabilioni ya miaka baadaye—siku na mwezi utakuwa urefu sawa (takriban 47 ya siku zetu za sasa). Katika hatua hii Mwezi utakuwa umesimama mbinguni juu ya doa moja duniani, maana baadhi ya sehemu za Dunia zitaona Mwezi na awamu zake na sehemu nyingine hazitawaona kamwe. Aina hii ya usawa tayari ni kweli kwa mwezi wa Pluto Charon (miongoni mwa wengine). Mzunguko wake na kipindi cha orbital ni urefu sawa na siku kwenye Pluto.

Muhtasari

Maji ya bahari ya kila siku mara mbili ni matokeo ya nguvu tofauti ya Mwezi juu ya vifaa vya ukanda wa Dunia na bahari. Vikosi hivi vya mawimbi husababisha maji ya bahari kuingilia ndani ya bulges mbili za mawimbi kwenye pande tofauti za Dunia; kila siku, Dunia inazunguka kwa njia ya bulges hizi. Maji halisi ya bahari ni ngumu na madhara ya ziada ya Jua na kwa sura ya pwani na mabonde ya bahari.

faharasa

mawimbi

mbadala kupanda na kuanguka kwa usawa wa bahari unasababishwa na tofauti katika nguvu ya mvuto wa Mwezi kuvuta juu ya sehemu mbalimbali za Dunia