Наука за припливами: Взаємодія Місяця, Сонця та Землі

Припливи і відпливи, ритмічні підйоми і спади рівня моря, є фундаментальними для природних процесів на Землі. Спричинені переважно гравітаційною взаємодією між Землею, Місяцем і Сонцем, припливи створюють регулярний рух води, який можна спостерігати вздовж берегових ліній. Розуміння наукової основи припливів є важливим для різних видів людської діяльності, включаючи навігацію, рибальство та управління прибережними територіями. Припливи впливають на морські екосистеми і роблять свій внесок у загальну кліматичну систему планети. У цій статті описується, як функціонують припливи, пояснюються сили, що стоять за цим важливим явищем, і його великий вплив на наше повсякденне життя.

Розуміння припливів

Які причини припливів?

Припливи і відпливи спричиняються насамперед гравітаційними силами, які діють на океани Землі під впливом Місяця і Сонця. Ці сили створюють регулярні підйоми і спади рівня моря, які ми спостерігаємо у вигляді припливів і відпливів. Гравітаційне тяжіння Місяця і Сонця притягує воду в океанах Землі, змушуючи її випинатися назовні. Сила тяжіння сильніша на стороні Землі, що знаходиться найближче до Місяця, створюючи припливи і відпливи в цій області. Одночасно, на протилежному боці Землі, відбувається інший приплив через інерцію води.

Місяць має найбільший вплив на припливи і відпливи на Землі. Його гравітаційне тяжіння є основною силою, що створює припливні випуклості. Коли Земля обертається, різні ділянки планети рухаються через ці випуклості, що призводить до регулярного циклу припливів і відпливів. Положення Місяця відносно Землі дещо змінюється кожного дня, що призводить до того, що припливний цикл триває близько 24 годин і 50 хвилин.

Хоча гравітаційний вплив Сонця на океани Землі слабший, ніж Місяця, він все одно відіграє значну роль у формуванні припливів і відпливів. Коли Сонце, Місяць і Земля вирівнюються під час повні та молодика, їхні спільні гравітаційні сили створюють весняні припливи та відпливи, які характеризуються високими припливами та низькими відпливами. І навпаки, коли Сонце і Місяць знаходяться під прямим кутом до Землі, їхні спільні гравітаційні сили частково нівелюють одна одну, в результаті чого виникають припливи і відпливи - нижчі припливи і вищі відпливи. Наука про припливи і відпливи допомагає пояснити ці складні взаємодії та їхній вплив на характер припливів і відпливів.

Типи припливів

Приплив

Приплив відбувається, коли рівень моря досягає найвищої точки в припливно-відпливному циклі. Це відбувається через гравітаційне тяжіння Місяця і, меншою мірою, Сонця, яке змушує воду випинатися назовні на найближчому до Місяця боці Землі. Одночасно з цим на протилежному боці Землі відбувається ще один приплив через інерцію води. Припливи зазвичай відбуваються двічі на день з інтервалом приблизно 12 годин 25 хвилин.

Відплив

Відплив відбувається, коли рівень води в океані досягає найнижчої точки вздовж берега. Це відбувається тому, що гравітаційне тяжіння Місяця і Сонця впливає на земну воду, змушуючи її випинатися в одних місцях і опускатися в інших. Коли Земля обертається, різні ділянки відчувають це випинання і відступання, що призводить до циклічних припливів і відпливів. Під час відпливу більша частина берега і морського дна оголюється, що може вплинути на такі види діяльності на узбережжі, як риболовля, катання на човнах і розчісування пляжу. Це також відкриває приливні басейни і морське життя, яке зазвичай знаходиться під водою.

Весняний приплив

Весняні припливи - це найвищі припливи і найнижчі відпливи, що відбуваються, коли Земля, Місяць і Сонце вирівнюються. Це вирівнювання відбувається під час фаз повного місяця і молодика, приблизно двічі на місяць. Під час весняних припливів об'єднані гравітаційні сили Місяця і Сонця діють разом, щоб сильніше притягувати океани Землі, що призводить до більш екстремальних приливних умов. Ці припливи називаються "весняними" не через пору року, а через те, що вода "піднімається" вище.

Прилив і відлив

Припливи - це помірні припливи, які відбуваються, коли Місяць і Сонце знаходяться під прямим кутом відносно Землі, під час першої та третьої чвертей фаз Місяця. Під час цього вирівнювання гравітаційні сили Місяця і Сонця частково компенсують одна одну, що призводить до нижчих припливів і вищих відпливів. Припливи також відбуваються двічі на місяць і характеризуються менш екстремальними припливними умовами порівняно з весняними припливами.

Як працюють припливи

Гравітаційне тяжіння

Гравітаційне тяжіння Місяця є основною силою, відповідальною за створення припливів і відпливів на Землі. Коли Місяць обертається навколо нашої планети, його гравітація впливає на океани Землі, змушуючи воду випинатися назовні на стороні, зверненій до Місяця, що призводить до припливів і відпливів у цьому регіоні. Водночас, на протилежному боці Землі інерція чинить опір цьому притяганню, створюючи вторинне випинання і ще один приплив. Ці припливні випуклості зміщуються під час обертання Землі, що призводить до приблизно двох припливів і двох відпливів кожні 24 години і 50 хвилин.

Ілюстрація Місяця доступні в нашій галереї.

Хоча гравітаційний вплив Місяця домінує у створенні припливів і відпливів, Сонце також відіграє значну роль. Хоча і слабше через більшу відстань, гравітація Сонця впливає на океани Землі. Під час молодика і повного місяця вирівнювання Сонця і Місяця посилює їхні гравітаційні сили, викликаючи весняні припливи з вищими максимумами і нижчими мінімумами. І навпаки, коли вони знаходяться під прямим кутом до Землі, гравітаційні сили частково нівелюються, викликаючи припливи з нижчими максимумами і нижчими мінімумами.

Взаємодія цих гравітаційних сил і обертання Землі створює складні припливи і відпливи, які ми спостерігаємо по всьому світу. Повний і молодий Місяці вирівнюють Землю, Місяць і Сонце, максимізуючи гравітаційне тяжіння і створюючи весняні припливи з екстремальними діапазонами припливів. Під час чвертей вирівнювання під прямим кутом зменшує гравітаційний ефект, створюючи припливи і відпливи з меншими екстремальними діапазонами. Ця взаємодія пояснює регулярні підйоми і спади рівня моря, що має вирішальне значення для розуміння впливу припливів на прибережне середовище і людську діяльність. Дізнайтеся більше про це явище далі Наука NASA - Припливи і відливи.

Обертання Землі

Обертання Землі суттєво впливає на час і виникнення припливів і відпливів. Коли наша планета обертається навколо своєї осі, різні регіони проходять через припливні випуклості, утворені гравітаційним притяганням Місяця і Сонця. Це обертання зумовлює регулярні припливи і відпливи рівня моря, відомі як припливно-відпливний цикл. Крім того, відцентрова сила, породжена обертанням Землі, сприяє утворенню вторинного припливного виступу на стороні, протилежній Місяцю.

Щодня припливно-відпливний цикл включає два припливи і два відпливи, що відбуваються приблизно кожні 24 години і 50 хвилин - період, трохи довший за стандартну добу через орбіту Місяця. Коли Земля обертається, населені пункти переміщуються через припливні випуклості, відчуваючи припливи під випуклістю і відпливи між ними. Час цих припливів зміщується щодня, коли змінюється положення Місяця відносно Землі.

Припливи і відпливи змінюються в усьому світі залежно від форми берегової лінії, глибини океану та місцевої географії. Існує три основні типи:

Півдобові припливи: характеризуються двома майже однаковими припливами і відпливами щодня, поширеними на атлантичних узбережжях Північної Америки та Європи.
Добові припливи: пропонують один приплив і один відплив щодня, які спостерігаються в таких регіонах, як Мексиканська затока і Південно-Китайське море.
Змішані припливи: Щодня спостерігаються два максимуми і мінімуми різної висоти, які переважають уздовж тихоокеанського узбережжя Північної Америки та Азії, сформовані складною взаємодією між океанськими течіями і береговими особливостями.

Фактори, що впливають на припливи

Географічні фактори

Форма берегової лінії суттєво впливає на характер і рівень припливів і відпливів. Широкі, відкриті затоки або естуарії можуть посилювати припливи завдяки ефекту воронки, тоді як звужена форма концентрує припливні сили і призводить до збільшення висоти припливів і відпливів. На противагу цьому, берегові лінії з численними затоками, островами і складними формами порушують регулярність припливів і відпливів, спричиняючи коливання в часі і висоті. Наприклад, канадська затока Фанді може похвалитися одними з найвищих припливів у світі завдяки своїй виразній лійкоподібній береговій лінії.

Форма та особливості океанського дна, відомі як підводний рельєф, також суттєво впливають на припливи. Континентальні шельфи, океанічні хребти і глибоководні жолоби можуть змінювати потік і висоту припливних хвиль. Мілководні шельфи уповільнюють припливні хвилі, що призводить до накопичення води і, як наслідок, до більш високих припливів. І навпаки, жолоби і хребти порушують рух припливних хвиль, створюючи мінливість припливних режимів. Прибережні райони з пологими схилами і мілководдям зазвичай відчувають вищі припливи, ніж регіони з крутим підводним рельєфом.

Регіональні відмінності в діапазоні припливів і відпливів зумовлені поєднанням багатьох факторів: Положення Землі, Місяця і Сонця, а також місцева географія і топографія. Затока Фанді Екстремальні діапазони припливів і відпливів ілюструють, як географічна динаміка взаємодіє, створюючи унікальні патерни. Закриті моря, такі як Середземне, зазвичай демонструють менші діапазони припливів через обмежений вплив відкритого океану. Крім того, обертання Землі та ефект Коріоліса вносять свої корективи у характер припливів і відпливів, впливаючи на те, чи відчувають певні райони більш виражені добові або півдобові припливи, залежно від широти та місця розташування.

Метеорологічні фактори

Вітер і погодні умови мають значний вплив на припливи і відпливи. Сильні прибережні вітри женуть воду до берега, створюючи більш високі припливи, відомі як вітрові припливи або штормові нагони. І навпаки, морські вітри можуть зменшувати висоту припливів. Постійні вітри, що дмуть в одному напрямку протягом тривалого часу, створюють течії, які можуть порушити регулярний цикл припливів і відпливів.

Погодні явища, такі як циклони та урагани, мають значний вплив на припливи. Ці шторми створюють потужні вітри і масивні штормові нагони, що призводять до аномально високих припливів і сильних прибережних затоплень. Взаємодія між цими штормовими нагонами і природними припливними циклами може призвести до екстремальних рівнів води, створюючи значні ризики для прибережних громад.

Атмосферний тиск також впливає на те, як метеорологічні фактори впливають на припливи. Високий атмосферний тиск тисне на поверхню океану, знижуючи рівень води і спричиняючи менші припливи. І навпаки, низький атмосферний тиск дозволяє воді підніматися, що призводить до припливів і відпливів - явище, відоме як зворотний барометричний ефект.

Під час погодних систем, таких як депресії або циклони, падіння атмосферного тиску може спричинити помітне підвищення рівня моря. У поєднанні з приливними силами цей ефект може погіршити прибережні повені. Вплив атмосферного тиску на припливи особливо значний у закритих або напівзакритих водоймах, таких як Балтійське мореде зміни тиску можуть помітно впливати на рівень води.

Припливи та їх вплив

Морське життя

Вплив припливів і відпливів на морські екосистеми має вирішальне значення, формуючи розподіл поживних речовин, поведінку морських організмів і характеристики прибережних біотопів. Регулярні припливи і відпливи циркулюють поживні речовини і кисень у товщі води, сприяючи росту і здоров'ю морських рослин і тварин. Припливні рухи допомагають розселенню личинок і молодих організмів, сприяючи генетичному різноманіттю та поповненню популяцій. Ці динамічні процеси роблять значний внесок у стійкість і біорізноманіття прибережних екосистем.

Припливно-відпливні зони, які відкриті для повітря під час відпливу і занурені під час припливу, являють собою динамічні екосистеми, що перебувають під сильним впливом припливів і відпливів. У цих зонах мешкають різноманітні види, які залежать від припливів і відливів у харчуванні, розмноженні та пошуку притулку. Припливні коливання створюють різноманітні біотопи, такі як приливні басейни, мулисті плавні та солончаки, кожен з яких є домівкою для унікальних спільнот організмів. Взаємодія між припливами та припливно-відпливними зонами формує ці біотопи і підтримує складну мережу життя в прибережних регіонах, підкреслюючи взаємозв'язок між динамікою припливів і здоров'ям екосистем.

Морські організми виробили різноманітні адаптації, щоб процвітати в умовах мінливого рівня води, солоності та температури:

Поведінкові адаптації: Рухливі тварини, такі як краби, під час відпливу шукають притулку в норах або щілинах, щоб уникнути висихання та хижаків. Деякі риби та безхребетні приурочують свою активність до припливів для харчування та розмноження.

Фізіологічні адаптації: Припливно-відпливні види, такі як молюски та мідії, можуть щільно закриватися, щоб утримувати вологу і регулювати сольовий баланс, що має вирішальне значення для виживання під час відпливу.

Структурні адаптації: Такі організми, як молюски та мідії, використовують міцний клей, щоб закріпитися на скелях проти приливних течій, тоді як морські водорості використовують прилипали, щоб закріпитися на океанському дні.

Діяльність людини

Рибалка: Припливи впливають на поведінку і доступність риби та інших морських організмів. Під час припливів риба рухається ближче до берега, щоб харчуватися поживними речовинами і дрібною здобиччю, яку приносить вода, що піднімається, що робить цей час оптимальним для прибережної та прибережної риболовлі. І навпаки, під час відпливів риба відступає на глибину, що робить її менш доступною. Знання закономірностей припливів і відпливів дозволяє рибалкам ефективно планувати риболовлю, забезпечуючи кращі улови та сталий розвиток рибальства.

Навігація: Припливи і відпливи мають важливе значення для безпечного прибережного судноплавства. Зміни рівня моря впливають на глибину води в гаванях, естуаріях і прибережних водних шляхах, впливаючи на рух суден. Під час припливів судна з більшою осадкою можуть безпечно пересуватися на більшій глибині, тоді як під час відпливів з'являються такі небезпеки, як каміння та піщані мілини. Моряки покладаються на карти припливів і відливів, щоб уникнути посадки на мілину і безпечно плавати, оскільки припливи і відливи також впливають на припливні течії, що позначається на часі в дорозі і витраті палива.

Відновлювана енергетика: Припливи пропонують перспективну відновлювану енергію завдяки приливній генерації. Приливна енергія уловлює кінетичну та потенційну енергію рухомої води під час приливних циклів. Два основні методи включають системи припливних потоків, що використовують підводні турбіни в сильних припливних течіях, і припливні бар'єри, що спрямовують потік води через великі споруди. Приливна енергія є надійною і передбачуваною, на відміну від сонячної та вітрової енергії, що сприяє стабільному електропостачанню та зменшенню викидів парникових газів.

Розуміння важливості припливів для рибальства, судноплавства та відновлюваної енергетики підкреслює їхній вплив на людську діяльність. Використання енергії припливів покращує економічну діяльність, забезпечує безпеку на морі та підтримує ініціативи зі сталого розвитку енергетики, пропонуючи життєздатну альтернативу викопним видам палива.

Зробіть революцію в науковій комунікації з Mind the Graph!

Mind the Graph революціонізує наукову комунікацію, надаючи вченим потужні інструменти для створення візуально переконливих графічних рефератів, інфографіки та презентацій. Ця платформа пропонує зручний інтерфейс з шаблонами, що налаштовуються, та величезну бібліотеку наукових ілюстрацій та піктограм. Вчені можуть легко візуалізувати результати своїх досліджень, роблячи складні концепції доступними для широкої аудиторії. Mind the Graph покращує співпрацю та прискорює поширення наукових знань, допомагаючи дослідникам ефективно ділитися своїми відкриттями та взаємодіяти з колегами, студентами та громадськістю.