Науката за приливите и отливите: Взаимодействието на Луната, Слънцето и Земята

Приливите и отливите - ритмичното покачване и спадане на морското равнище - са от основно значение за природните процеси на Земята. Приливите и отливите се дължат предимно на гравитационното взаимодействие между Земята, Луната и Слънцето и създават редовното движение на водата, наблюдавано по крайбрежието. Разбирането на научните основи на приливите и отливите е важно за различни човешки дейности, включително навигация, риболов и управление на крайбрежието. Приливите и отливите оказват влияние върху морските екосистеми и допринасят за цялостната климатична система на планетата. В тази статия е описано функционирането на приливите и отливите, като са обяснени силите, които стоят зад това важно явление, и голямото му влияние върху нашето ежедневие.

Разбиране на приливите и отливите

Какви са причините за приливите и отливите?

Приливите и отливите се дължат главно на гравитационните сили, които Луната и Слънцето упражняват върху океаните на Земята. Тези сили предизвикват редовното покачване и спадане на морското равнище, което наблюдаваме като приливи и отливи. Гравитационното привличане на Луната и Слънцето привлича водата в океаните на Земята, като я кара да се издува навън. Гравитационната сила е по-силна от страната на Земята, която е най-близко до Луната, което създава прилив в този район. Едновременно с това на противоположната страна на Земята възниква друг прилив, дължащ се на инерцията на водата.

Луната оказва най-значително влияние върху приливите и отливите на Земята. Нейното гравитационно привличане е основната сила, която създава приливите и отливите. При въртенето на Земята различните части на планетата се движат през тези издатини, което води до редовния цикъл на приливите и отливите. Положението на Луната спрямо Земята се променя леко всеки ден, което води до цикъл на приливите и отливите с продължителност около 24 часа и 50 минути.

Макар че гравитационното привличане на Слънцето върху океаните на Земята е по-слабо от това на Луната, то все пак играе значителна роля за формирането на приливите и отливите. Когато Слънцето, Луната и Земята се подреждат в една линия по време на пълнолуние и новолуние, комбинираните им гравитационни сили създават пролетни приливи, които са по-високи приливи и по-ниски отливи. Обратно, когато Слънцето и Луната са под прав ъгъл спрямо Земята, техните комбинирани гравитационни сили частично се неутрализират, което води до приливи и отливи, които са по-ниски приливи и по-високи отливи. Науката за приливите и отливите помага да се изяснят тези сложни взаимодействия и тяхното въздействие върху моделите на приливите и отливите.

Видове приливи и отливи

Прилив и отлив

Приливът настъпва, когато морското равнище достигне най-високата си точка в цикъла на приливите и отливите. Това се дължи на гравитационното привличане на Луната и в по-малка степен на Слънцето, което кара водата да се издува навън от страната на Земята, която е най-близо до Луната. Едновременно с това на противоположната страна на Земята настъпва друг прилив, дължащ се на инерцията на водата. Обикновено приливите и отливите настъпват два пъти дневно, с разлика от около 12 часа и 25 минути.

Прилив и отлив

Отливът настъпва, когато нивото на водата в океана достигне най-ниската си точка по брега. Това се случва, защото гравитационното привличане на Луната и Слънцето влияе на водата на Земята, като я кара да се издува в определени области, докато в други се отдръпва. При въртенето на Земята в различните области се наблюдава това издуване и отдръпване, което води до цикличното покачване и спадане на приливите и отливите. По време на отлив по-голямата част от брега и морското дъно са открити, което може да повлияе на крайбрежните дейности като риболов, разходка с лодка и плажуване. Освен това се разкриват приливните басейни и морските обитатели, които обикновено са под водата.

Пролетен прилив

Пролетните приливи и отливи са най-високите приливи и най-ниските приливи и отливи, които се случват, когато Земята, Луната и Слънцето са в една линия. Това подравняване се случва по време на пълнолунието и новолунието, приблизително два пъти месечно. По време на пролетните приливи комбинираните гравитационни сили на Луната и Слънцето работят заедно, за да упражнят по-силно привличане върху океаните на Земята, което води до по-екстремни условия на приливи и отливи. Тези приливи и отливи се наричат "пролетни приливи и отливи" не заради сезона, а защото водата "извира" нагоре.

Неаполитански прилив

Неаполитанските приливи и отливи са умерените приливи и отливи, които се появяват, когато Луната и Слънцето са под прав ъгъл спрямо Земята, по време на първата и третата четвърт от фазите на Луната. По време на това подравняване гравитационните сили на Луната и Слънцето частично се неутрализират взаимно, което води до по-ниски приливи и по-високи отливи. Неаполитанските приливи също се случват два пъти месечно и се характеризират с по-малко екстремни условия в сравнение с пролетните приливи.

*Източник: Националната океанска служба*

Как работят приливите и отливите

Гравитационно привличане

Гравитационното привличане на Луната е основната сила, която предизвиква приливите и отливите на Земята. Докато обикаля около нашата планета, гравитацията на Луната упражнява притегляне върху океаните на Земята, като кара водата да се издува навън от страната, обърната към Луната, което води до приливи и отливи в този регион. Едновременно с това на противоположната страна на Земята инерцията се противопоставя на това привличане, което създава вторично издуване и друг прилив. Тези приливни издутини се променят при въртенето на Земята, което води до приблизително два прилива и два отлива на всеки 24 часа и 50 минути.

Макар че гравитационното влияние на Луната е доминиращо при създаването на приливите и отливите, Слънцето също играе важна роля. Макар и по-слаба поради по-голямото разстояние, гравитацията на Слънцето влияе върху океаните на Земята. По време на новолуние и пълнолуние подреждането на Слънцето и Луната усилва гравитационните им сили, което води до пролетни приливи с по-високи максимуми и по-ниски минимуми. Обратно, когато те са под прав ъгъл спрямо Земята, гравитационните сили частично се отменят, което води до приливи и отливи с по-ниски стойности и по-високи стойности.

Взаимодействието на тези гравитационни сили и въртенето на Земята създава сложните приливни модели, наблюдавани по целия свят. Пълнолунията и новолунията подреждат Земята, Луната и Слънцето в една линия, като увеличават гравитационното привличане и създават пролетни приливи с екстремни приливни диапазони. По време на тримесечия подравняването под прав ъгъл намалява гравитационното въздействие, което води до приливи и отливи с по-малко екстремни диапазони. Това взаимодействие обяснява редовното покачване и спадане на морското равнище, което е от решаващо значение за разбирането на въздействието на приливите и отливите върху крайбрежната среда и човешките дейности. Разгледайте това явление допълнително в Наука на НАСА - Приливи и отливи.

Въртене на Земята

Въртенето на Земята оказва значително влияние върху времето и появата на приливите и отливите. Докато планетата ни се върти около оста си, различни региони преминават през приливните издутини, образувани от гравитационното привличане на Луната и Слънцето. Това въртене обуславя редовните приливи и отливи на морското равнище, известни като цикъл на приливите и отливите. Освен това центробежната сила, генерирана от въртенето на Земята, допринася за вторична приливна издутина на страната, противоположна на Луната.

Всеки ден цикълът на приливите и отливите включва два прилива и два отлива, които се случват приблизително на всеки 24 часа и 50 минути - период, малко по-дълъг от стандартния ден поради орбитата на Луната. Докато Земята се върти, местата се движат през приливните издутини, като изпитват високи приливи под издутината и ниски приливи между тях. Времето на тези приливи и отливи се променя ежедневно с промяната на положението на Луната спрямо Земята.

Моделите на приливите и отливите се различават в световен мащаб поради формата на бреговата линия, дълбочината на океана и местната география. Съществуват три основни вида:

Полунощни приливи и отливи: два почти еднакви прилива и отлива дневно, характерни за атлантическите брегове на Северна Америка и Европа.
Дневни приливи и отливи: предлагат един прилив и един отлив дневно, които се наблюдават в региони като Мексиканския залив и Южнокитайско море.
Смесени приливи и отливи: представляват два дневни максимума и минимума с различна височина, разпространени по тихоокеанското крайбрежие на Северна Америка и Азия, оформени от сложното взаимодействие между океанските течения и крайбрежните характеристики.

Фактори, влияещи върху приливите и отливите

Географски фактори

Формата на бреговата линия оказва значително влияние върху моделите на приливите и отливите. Широките, отворени заливи или устия могат да засилят приливите и отливите поради ефекта на фунията, докато стесняващата се форма концентрира приливните сили и води до по-големи разлики. За разлика от тях, бреговите линии с многобройни заливи, острови и сложни форми нарушават редовния поток на приливите и отливите, което води до вариации във времето и височината. Например канадският залив Фънди може да се похвали с едни от най-високите в света приливи и отливи, което се дължи на характерната му фуниевидна брегова линия.

Формата и особеностите на океанското дъно, известни като подводна топография, също оказват значително влияние върху приливите и отливите. Континенталните шелфове, океанските хребети и дълбоките траншеи могат да променят потока и височината на приливните вълни. Плитките шелфове забавят приливно-отливните вълни, което води до натрупване на вода и до по-високи приливи. Обратно, траншеите и хребетите прекъсват движението на приливните вълни, като създават променливост в моделите на приливите и отливите. Крайбрежните райони с полегати склонове и плитки води обикновено се характеризират с по-високи приливи и отливи, отколкото регионите със стръмен подводен терен.

Регионалните различия в обхвата на приливите и отливите се дължат на множество фактори: Позициите на Земята, Луната и Слънцето, както и местната география и топография. Заливът Фънди екстремните диапазони на приливите и отливите илюстрират как географската динамика си взаимодейства, за да създаде уникални модели. Затворените морета като Средиземно море обикновено се характеризират с по-ниски приливи и отливи поради ограниченото излагане на влиянието на открития океан. Освен това въртенето на Земята и ефектът на Кориолис внасят вариации в моделите на приливите и отливите, като оказват влияние върху това, дали в зависимост от географската ширина и местоположението на районите се наблюдават по-силно изразени дневни или полуденонощни приливи и отливи.

Метеорологични фактори

Вятърът и метеорологичните условия оказват значително влияние върху условията на прилив. Силните крайбрежни ветрове придвижват водата към брега, като създават по-високи приливи, известни като ветровити приливи или бурни вълни. Обратно, офшорните ветрове могат да намалят височината на прилива. Постоянните ветрове, които духат постоянно в една посока за определен период от време, създават течения, които могат да нарушат редовния цикъл на приливите и отливите.

Метеорологични явления като циклони и урагани оказват силно въздействие върху приливите и отливите. Тези бури предизвикват мощни ветрове и огромни ураганни вълни, които водят до необичайно високи приливи и тежки крайбрежни наводнения. Взаимодействието между тези ураганни вълни и естествените цикли на приливите и отливите може да доведе до екстремни нива на водата, което представлява значителен риск за крайбрежните общности.

Атмосферното налягане също влияе върху влиянието на метеорологичните фактори върху приливите и отливите. Високото атмосферно налягане оказва натиск върху повърхността на океана, като потиска нивото на водата и предизвиква по-ниски приливи и отливи. За разлика от това ниското атмосферно налягане позволява на водата да се издига, което води до по-високи приливи - явление, известно като обратен ефект на барометъра.

По време на метеорологични системи, като например депресии или циклони, спадът на атмосферното налягане може да доведе до чувствително повишаване на морското равнище. В комбинация с приливните сили този ефект може да влоши наводненията по крайбрежието. Въздействието на атмосферното налягане върху приливите и отливите е особено значимо в затворени или полузатворени водни басейни, като например Балтийско море, където промените в налягането могат да окажат значително влияние върху нивото на водата.

Приливи и отливи и тяхното въздействие

Морски живот

Влиянието на приливите и отливите върху морските екосистеми е от решаващо значение, тъй като те определят разпределението на хранителните вещества, поведението на морските организми и характеристиките на крайбрежните местообитания. Редовните приливи и отливи водят до циркулация на хранителни вещества и кислород във водния стълб, като подпомагат растежа и здравето на морските растения и животни. Приливите и отливите спомагат за разпръскването на ларви и млади организми, като насърчават генетичното разнообразие и попълването на популациите. Тези динамични процеси допринасят значително за устойчивостта и биоразнообразието на крайбрежните екосистеми.

Приливните зони, които са изложени на въздух по време на отлив и потопени по време на прилив, представляват динамични екосистеми, силно повлияни от приливите и отливите. В тези зони се срещат разнообразни видове, които зависят от промените в приливите и отливите за хранене, размножаване и убежище. Приливните колебания създават разнообразни местообитания, като например басейни с приливи и отливи, кални и солени блата, всяко от които е домакин на уникални общности от организми. Взаимодействието между приливите и отливите оформя тези местообитания и поддържа сложната мрежа от живот в крайбрежните райони, като подчертава взаимовръзката между динамиката на приливите и отливите и здравето на екосистемите.

Морските организми са развили различни приспособления, за да се развиват в среда с променливи нива на водата, соленост и температура:

Поведенчески адаптации: Подвижните животни като раците търсят убежище в хралупи или пукнатини по време на отлив, за да избегнат изсушаване и хищници. Някои риби и безгръбначни определят времето на своята активност така, че да съвпадне с прилива, за да се хранят и размножават.

Физиологични адаптации: Приливните видове, като миди и ракообразни, могат да се затворят плътно, за да задържат влагата и да регулират солевия баланс, което е от решаващо значение за оцеляването при излагане на вода по време на отлив.

Структурни адаптации: Организми като мидите и рапанчетата използват силни лепила, за да се закрепят за скалите срещу приливните течения, а морските водорасли използват хватки, за да се закрепят за океанското дъно.

Човешки дейности

Риболов: Приливите и отливите оказват влияние върху поведението и наличието на риба и други морски организми. По време на приливите и отливите рибите се приближават до брега, за да се хранят с хранителни вещества и по-малки жертви, донесени от покачващата се вода, което ги прави оптимално време за крайбрежен и крайбрежен риболов. Обратно, по време на приливите и отливите рибите се оттеглят в по-дълбоки води, което ги прави по-малко достъпни. Познаването на моделите на приливите и отливите позволява на рибарите да планират ефективно, като осигуряват по-добър улов и устойчиви практики.

Навигация: Приливите и отливите са от съществено значение за безопасното корабоплаване по крайбрежието. Промените в морското равнище влияят на дълбочината на водата в пристанищата, естуарите и крайбрежните водни пътища, като оказват влияние върху движението на корабите. Високите приливи и отливи осигуряват по-дълбока вода, за да могат корабите с по-голямо газене да плават безопасно, докато ниските приливи и отливи разкриват опасности като скали и пясъчни брегове. Моряците разчитат на картите на приливите и отливите, за да избегнат засядане и да се движат безопасно, тъй като приливите и отливите влияят и на приливно-отливните течения, което се отразява на времето за пътуване и разхода на гориво.

Възобновяема енергия: Приливите и отливите предлагат обещаващи възобновяеми енергийни източници чрез производството на енергия от приливите и отливите. Приливната енергия улавя кинетичната и потенциалната енергия от движещата се вода по време на приливите и отливите. Два основни метода включват системи за приливни потоци, използващи подводни турбини при силни приливни течения, и приливни баражи, използващи водния поток през големи структури. За разлика от слънчевата и вятърната енергия енергията на приливите и отливите е надеждна и предсказуема, което допринася за стабилни доставки на електроенергия и за намаляване на емисиите на парникови газове.

Разбирането на значението на приливите и отливите за риболова, навигацията и възобновяемата енергия подчертава тяхното въздействие върху човешките дейности. Използването на енергията на приливите и отливите подобрява икономическите дейности, гарантира морската безопасност и подкрепя инициативите за устойчива енергия, като предлага жизнеспособна алтернатива на изкопаемите горива.

Направете революция в научната комуникация с Mind the Graph!

Mind the Graph прави революция в научната комуникация, като предоставя на учените мощни инструменти за създаване на визуално завладяващи графични резюмета, инфографики и презентации. Тази платформа предлага удобен за потребителя интерфейс с персонализирани шаблони и огромна библиотека от научни илюстрации и икони. Учените могат лесно да визуализират резултатите от изследванията си, като правят сложните концепции достъпни за по-широка аудитория. Mind the Graph подобрява сътрудничеството и ускорява научното разпространение, като помага на изследователите да комуникират ефективно своите открития и да се ангажират с колеги, студенти и общественост.