A fizika világa Az árapály erői
Sven Titz, Hermann-Friedrich Wagner, 2007. március 22
Amikor a víz lassan visszahúzódik a tengerparton, a Holdnak láthatatlan keze van - ezt minden gyermek tudja. De hogy az árapályok magassága és időtartama részletesen kialakul, csak a föld és a hold, valamint a föld és a nap közötti vonzerők kölcsönhatásával magyarázható. A föld tengelyének dőlése, a föld keringésének a Hold pályájára való hajlása és a földrajz szintén befolyásolja az árapályokat.
Az alapvető jelenség azonban a föld és a hold között zajlik. A hold gravitációs ereje meghúzza a bolygó anyagát. Mivel ennek az erőnek az ereje csökken a távolságtól, az árapály felmerül.
A földnek a Hold felé néző oldalán a gravitációs erő, amelyet a földön fejt ki, valamivel nagyobb, mint a föld közepén. A földkéreg alig enged utat ennek az erőkülönbségnek, de az óceánok vize követi a hold gravitációjának húzódását - a víz a Hold felé mozog és árhegyet képez.
De a föld másik oldalán ez éppen az ellenkezője. A hold vonzereje valamivel kisebb, mint a föld közepén. Éppen ezért az ottani víz úgymond elveszíti a talajt alatta, és a tengerszint emelkedik - a víz eltávolodik a Holdtól és egy második árhegyet képez.
A két árhegység azonban nem teljesen egyforma. Mivel a dagály felhalmozódását okozó erő hét százalékkal erősebb a Hold felőli oldalon, mint hátul. Ez a különbség azért van, mert a gravitációs erő gradiense - a térbeli változás mértéke - nemlineárisan függ a távolságtól: a gradiens erőssége fordítottan arányos a két tömeg közötti távolság kockájával (míg maga az erő fordítottan arányos a négyzetsel).
A két árhegység közötti területeken van egy apály, vagyis alacsony víz, mert onnan a víz "elhúzódik" az árterületekre.
A Föld centrifugális ereje nem játszik szerepet az apályban és az áramlásban a föld-hold rendszerrel kapcsolatban is? Még mindig gyakran használják a holdtól távol eső második árhegység magyarázatára. De a centrifugális erő figyelembevétele csak bonyolultabbá teszi a magyarázatot, anélkül, hogy a centrifugális erőnek jelentősége lenne az árapályok létrehozásában (lásd az információs mezőt).
A föld forgásának hatása
Ehhez a föld saját mozgása, vagyis a föld körüli forgása rendkívül fontos az árapály számára, ahogyan azt észleljük - a föld forgása nélkül az árapály és az apály nem tudna elmozdulni a föld felszínén, hanem egy helyen rögzülne. De mivel a hold 27,3 nap alatt forog a föld körül, vagyis 27,3-szor lassabban, mint az önmagát körülvevő föld, a föld felszíne folyamatosan keleti irányban távolodik el az árhegységek és a mélyvölgyek alatt. Az árhegység tehát nyugati irányban mozog a föld körül.
Az önforgás és a föld és a hold együttes forgatásának kombinációja azt jelenti, hogy nem telik el pontosan 24 óra, amíg a földgömb ugyanazon pontja ismét a Hold felé fordul, és így áradási hegye van, de valamivel hosszabb: 24 óra és 50 perc. Egy dagály - ez az időintervallum a dagály és a dagály, illetve az apály és az apály között - fele olyan hosszú: 12 óra 25 percig tart.
Nincs tavaszi dagály nap nélkül
Nipptid és Springtide
A mélység és az áramlás jelenségének megértéséhez a hold mellett figyelembe kell venni a másik közeli kozmikus társunk hatását is. Mivel a központi csillag a holdhoz hasonló módon - bár kevésbé erősen - gravitációs erején keresztül befolyásolja az árapályokat. A nap által a földön kifejtett gravitációs húzás a nap nagy tömegének köszönhetően körülbelül 200-szorosa a Holdénak, de mivel a nap körülbelül 400-szor olyan messze van a földtől, mint a hold, az árapályerő a nap (gravitációs erejük gradiense) kisebb, mint a holdé. Mivel a gravitációs gradiens gyorsabban esik a távolságtól, mint az erő. Ezért a nap árapályereje csak 46 százalékos a műholdunkhoz képest.
Attól függően, hogy a nap, a hold és a föld hogyan helyezkedik el egymáshoz képest, a nap erősíti vagy gyengíti az árapályt. Különösen fontos a két csillagkép, amelyben mind a három égitest egy vonalban van, vagyis az újhold és a telihold. Ezután a nap és a hold árapályhatásai fokozódnak, és vannak olyan tavaszi dagályok, amelyeken különösen magas az árapály-hegység és egy különösen alacsony az apály. Egy félhold esetében viszont mindkét hatás részben ellensúlyozza egymást. Vannak olyan nippptidek, amelyeknek csak gyengén kifejezett a magas és az apály.
Az árapály és a part
Aki már bejárta a világ néhány partját, természetesen tudja, hogy az árapályok nem mindenhol egyformán erősek. A Földközi-tengeren az árapály-tartomány néhol alig észrevehető, míg az Északi-tengeren a dagály és az apály közötti különbség több méter. E különbségek oka a földrajzban keresendő.
A kontinensek eloszlása önmagában akadályokat okoz, és ezáltal befolyásolja a víz mozgását. Az óceánok mélysége és alakja szintén befolyásolja az árapályt. A fizika szempontjából a földgolyó egymással összekapcsolt vízmedencéiben a kényszerrezgések rendszerével kell foglalkozni. A földrajzi viszonyoktól függően ez akár rezonanciajelenségekhez is vezethet, amelyek megingatják az árapályt. A kontinentális talapzat kis peremtengerei (kontinentális talapzata), például az Északi-tenger, ezekhez a rezgésekhez kapcsolódnak. Ennek eredményeként az árapály erejét a föld ilyen területein gyakran nagyrészt ezek a rezgések generálják.
Hogyan befolyásolja a hold helyzete az árapályt
Az olyan nagy óceánok közepén, mint a Csendes-óceán, az árapály tartomány nem éri el az métert sem. Erős árapály csak a szárazföldi partok közelében figyelhető meg. A víz mélységének csökkenésével az árapály mozgásának sebessége csökken - ugyanakkor az árapály tartomány növekszik. A part alakja erősen befolyásolja az árapály helyi kialakulását is. Ez az árapálykülönbségek ingadozásához vezethet, néhány centimétertől jóval tíz méter felett. A keleti kanadai Fundy-öböl tartja a rekordot, ahol a dagály és az apály közötti különbség akár tizennégy méter is lehet.
Hogyan torzítja a föld dőlése az apályt és áramlást
Az árapályok magyarázata kissé bonyolultabb lesz, ha figyelembe vesszük, hogy a föld tengelye ferde és a hold pályája a föld pályájához képest megdőlt. Ez aszimmetriákat okoz a hullámvölgyön. Mivel az árhegységek mindig a föld-hold összekötő vonalon vannak, de ez a vonal nem feltétlenül vezet az Egyenlítőn keresztül. A Hold akár 28,7 fokos irányban is elmozdulhat az égi pályán az égi egyenlítőtől. Ezért az árhegységek időszakosan megváltoztatják helyzetüket az Egyenlítőhöz képest.