Čo sú slapové javy a prečo sa Mesiac vzďaľuje od Zeme

27. okt. 2020 • Fyzikálne vedy

Čo sú slapové javy a prečo sa Mesiac vzďaľuje od Zeme

Panoráma skalných útvarov v zálive Fundy v štáte New Brunswick, Kanada je miestom s najvyšším prílivom na svete. Zdroj: iStockphoto.com

Pravidelné cyklické stúpanie a klesanie morskej hladiny je spôsobené slapovou gravitačnou silou Mesiaca a Slnka na masu vody. Vplyv Mesiaca na Zem je v porovnaní s vplyvom Slnka dvojnásobný.

Slapy spôsobujú zmenu hĺbky mora v prístavoch i ústiach riek a vytvárajú premenlivé morské prúdenie pri pobreží, preto ich musia brať odborníci do úvahy pri lodnej navigácii pozdĺž pobrežia. Pruh morského pobrežia, ktorý je zaplavený pri prílive a odhalený pri odlive, takzvané prílivové pobrežné pásmo, je dôležitým ekologickým produktom oceánskych slapov. Slapom s podstatne menšou výchylkou podlieha okrem morskej hladiny aj pevný povrch Zeme a atmosféra.

Výška slapov (rozdiel medzi hladinou počas vrcholiaceho prílivu a najnižšou hladinou počas odlivu) závisí od miesta a času. Na výšku slapov má vplyv meniaca sa poloha Mesiaca a Slnka vzhľadom na Zem, zemská rotácia, reliéf morského dna a ústia riek, členitosť a výškový profil pobrežia, ale napríklad aj vietor.

Heuréka, môže za to Mesiac!

Staroveké kultúry sa rozvíjali najmä na pobrežiach morí a ľudia, samozrejme, počas rybolovu i plavieb do vzdialených krajín vnímali, že sa hladina mora a ústí riek mení. Najprv si všimli denné opakovanie a neskôr aj spojitosť s Mesiacom a Slnkom. Prvý, kto si všimol spojitosť vysokých prílivov s fázou Mesiaca, bol v roku 325 pred naším letopočtom Pytheas (starogrécky geograf, obchodník a cestovateľ) počas plavby na Britské ostrovy. V druhom storočí pred naším letopočtom zasa babylonský astronóm Seleucus zistil, že slapy spôsobuje príťažlivosť Mesiaca a ich výška závisí od polohy Mesiaca vzhľadom na Slnko.

V roku 1056 vznikla v Číne prvá predpovedná prílivová služba, ktorá zverejňovala očakávané časy prílivov na rieke Qiantang. Prvú známu prílivovú predpoveď v Európe poskytoval John, opát z Wallingfordu, začiatkom 13. storočia na základe zistenia, že príliv sa vyskytuje každý deň o 48 minút neskôr a v Londýne 3 hodiny po prílive v ústí rieky Temža. Objavovanie zákonov prílivu a odlivu šlo pomaly. Ďalším známym vedcom, ktorý sa zaoberal ich skúmaním, bol William Thomson, známy ako lord Kelvin of Largs. Tento škótsko-írsky fyzik a vynálezca začal v roku 1867 viesť systematické záznamy o výskyte a výške prílivov na Temži.

Obrázok vľavo znázorňuje veľkosť príťažlivej sily Mesiaca alebo Slnka na rôzne miesta zemegule, obrázok vpravo vzniku skočného (hore) a hluchého (dole) prílivu. Nákres: Autor

Obrázok vľavo znázorňuje veľkosť príťažlivej sily Mesiaca alebo Slnka na rôzne miesta zemegule, obrázok vpravo znázorňuje vznik skočného (hore) a hluchého (dole) prílivu. Nákres: Autor

Pohyb predurčený príťažlivosťou

Rozdiel príťažlivých síl Mesiaca (Slnka) na najbližší a najvzdialenejší bod zemského povrchu mierne deformuje tvar Zeme. Keďže voda oceánu sa pohybuje oveľa ľahšie ako pevná zem, deformáciu vnímame hlavne vo forme pohybu vody, teda prílivu a odlivu. Treba však poznamenať, že pevný zemský povrch tiež podlieha slapom, ale s podstatne menšou amplitúdou (odchýlkou od základnej polohy).

Gravitačné zrýchlenie klesá so vzdialenosťou (nie však lineárne), takže časť Zeme najbližšie k Mesiacu je priťahovaná mierne viac ako stred Zeme a stred Zeme je priťahovaný viac ako najvzdialenejší bod Zeme od Mesiaca. Na obrázku 2 platí, že sila F1 < F2 < F3. Rozdiely dvojíc síl F2–F1 a F3–F2 vo vektorovom tvare vytvárajú dvojicu síl, ktoré pôsobia v opačnom smere von zo stredu Zeme a deformujú zemské teleso. (Do úvahy berieme nielen rozdiel veľkostí pôsobiacich síl, ale aj výsledný smer pôsobenia. Vektor (aj sila je vektor) je vždy určený veľkosťou a smerom. Pozn. aut.) Deformácii podlieha najmä voda, ktorá je na čelnej a zadnej strane vydutá vo forme prílivu a na bočných stranách spadnutá vo forme odlivu.

Vydutie vodnej hladiny na najbližšom a najvzdialenejšom mieste k Mesiacu dosahuje priemerne 1 meter - 2 metre nad strednú úroveň oceánu. Pretože Zem sa otočí okolo svojej osi raz za deň, určité miesto na Zemi sa počas dňa ocitne dvakrát v oblasti prílivu a dvakrát v oblasti odlivu. Keďže Mesiac sa pohybuje okolo Zeme, nie je v rovnakej polohe voči Zemi a Slnku v rôzne dni, preto sa okamihy vrcholiaceho prílivu a odlivu oneskorujú za 1 deň o 50 minút.

Slapová sila spôsobuje deformáciu telesa bez zmeny jeho objemu, guľové teleso zdeformuje na elipsoid. K prílivu a odlivu dochádza s dvojnásobkom frekvencie odpovedajúcej prechodu Mesiaca nad príslušným poludníkom, teda každých 12 hodín 25 minút a 14 sekúnd. Interval medzi prílivom a odlivom na rovnakom mieste je 6 hodín, 12 minút a 37 sekúnd.

Predpovedať slapy podľa Mesiaca je náročné

Amplitúda slapov (rozdiel medzi výškami prílivu a odlivu za pol dňa) sa mení s dvojtýždňovou periódou. Okolo novu a splnu mesiaca, keď sú Slnko, Mesiac a Zem blízko jednej priamky (podmienka známa ako syzygy), je slapové pôsobenie Mesiaca podporované slapovým pôsobením Slnka (obrázok 2 hore). Amplitúda slapov je maximálna, príliv v tomto čase je nazývaný skočný (anglicky spring tide). Keď je Mesiac v prvej alebo poslednej štvrti, zvierajú Mesiac, Zem a Slnko pravý uhol. Mesiac a Slnko pôsobia proti sebe, amplitúda slapov je minimálna (obrázok 2 dole). Príliv v tomto čase sa nazýva hluchý (anglicky neap tide). Skočný príliv je približne o 20 percent vyšší ako priemerný príliv v danej lokalite.

Premenlivá vzdialenosť Mesiaca od Zeme tiež ovplyvňuje amplitúdu slapov. Amplitúda je väčšia, keď je Mesiac v perigeu (v najbližšom bode svojej dráhy voči Zemi) a menšia, keď je v apogeu (najvzdialenejšom bode svojej dráhy voči Zemi). Každých 7,5 obehu Mesiaca okolo Zeme nastáva koincidencia prechodu perigeom buď s novom, alebo splnom mesiaca. Výsledkom sú slapy s najvyššou amplitúdou. Pri tejto príležitosti treba zdôrazniť, že veľké vlny vyskytujúce sa pri zemetraseniach s epicentrom pod morským dnom, nazývané cunami, nemajú s prílivom žiadnu súvislosť. V médiách ich síce často nazývajú prílivovými vlnami, ide však len o zavádzajúci názov.

Na priebeh slapov pôsobí silno tvar morského pobrežia a morského dna, takže nie je vôbec jednoduché predpovedať okamih prílivu len z polohy mesiaca na oblohe. Základy matematickej teórie slapov položil už Isaac Newton v roku 1687 vo svojich Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Pierre-Simone Laplace zasa zostavil sústavu parciálnych diferenciálnych rovníc popisujúcu horizontálny tok vody vo vzťahu k výške oceánu. Jeho rovnice sa používajú dodnes.

Zátoka Fundy v čase odlivu. Zdroj: iStockphoto.com

Zátoka Fundy v čase odlivu. Zdroj: iStockphoto.com

Pre príliv je dôležitá zmena gravitačnej sily, nie jej veľkosť

Slapová sila vytváraná Mesiacom (a rovnako aj Slnkom) na malú časticu umiestnenú na povrchu Zeme alebo v Zemi je rovná rozdielu vektorov medzi gravitačnou silou Mesiaca na časticu a gravitačnou silou Mesiaca na tú istú časticu, ak by bola umiestnená v strede Zeme. Slapová sila teda nezávisí od veľkosti gravitačnej sily Mesiaca, ale od jej gradientu, teda veľkosti zmeny na jednotku dĺžky.

Gravitačná sila, ktorou pôsobí Slnko na Zem, je v priemere 179-krát väčšia než sila, ktorou pôsobí Mesiac. Keďže Slnko je v priemere 389-krát ďalej ako Mesiac, gradient jeho poľa je menší. Slapové pôsobenie Slnka je len 46 percent slapového pôsobenia Mesiaca. Pôsobenie ďalších planét je ešte oveľa slabšie – slapové pôsobenie Venuše je len 0,0113 percenta slapového pôsobenia Slnka.

Niekedy sa pri vysvetľovaní vplyvu Mesiaca a Slnka na výšku slapov chybne uvádza, že gravitačná sila Slnka na Zem je len 46 percent sily Mesiaca. Je to zrejmý nezmysel – ak by to bola pravda, Zem by obiehala nie okolo Slnka ako centrálneho telesa, ale okolo Mesiaca. Pre vznik slapov je totiž dôležitá nie veľkosť gravitačnej sily, ale jej gradient (zmena).

Prečo sa Mesiac vzďaľuje od Zeme

Zem a Mesiac pôsobia slapovými silami na seba navzájom. Dôsledkom slapového pôsobenia na Zem je spomaľovanie rotácie Zeme a vzďaľovanie Mesiaca. Mesiac sa vzďaľuje od Zeme rýchlosťou 3,8 cm za rok. Kým pri hmotnejšej Zemi spomaľovanie rotácie stále prebieha, menej hmotný Mesiac už bol spomalený natoľko, že sa otočí okolo svojej osi presne za dobu svojho obehu okolo Zeme. Hovoríme tomu viazaná rotácia, ktorej dôsledkom je to, že zo Zeme vidíme stále rovnakú polguľu Mesiaca.

Trecie sily pri pohybe vody počas prílivov a odlivov taktiež spôsobujú postupné spomaľovanie rotácie Zeme okolo vlastnej osi. Časť pôvodnej rotačnej energie sa tak postupne mení na iné formy energie (napríklad deformačnú alebo tepelnú). Týmto sa rýchlosť rotácie Zeme spomaľuje asi o jednu tisícinu sekundy za storočie. Dĺžka dňa narástla asi o 2 hodiny za posledných 600 miliónov rokov. Z denných prírastkov viditeľných na fosíliách koralov z obdobia devónu (pred 400 miliónmi rokov) je zrejmé, že rok, ktorý trval približne rovnako ako dnes, mal vtedy viac než 400 dní.

Turbíny prílivovej elektrárne na rieke Rance prevádzkovanou spoločnosťou EDF vytvárajú na hladine víry. Zdroj: iStockphoto.com

Turbíny prílivovej elektrárne na rieke Rance prevádzkované spoločnosťou EDF vytvárajú na hladine víry. Zdroj: iStockphoto.com

Využitie energie morských prílivov

V miestach, kde dosahuje rozdiel medzi prílivom a odlivom najmenej tri metre, možno tento jav využiť na výrobu elektrickej energie. V rámci využívania alternatívnych zdrojov energie skúšajú prímorské štáty rôzne prototypy zariadení čerpajúce energiu z prílivu a odlivu.

Jeden typ prílivovej elektrárne pod názvom Sea Snail (morský slimák) má dĺžku 20 metrov a pracuje od roku 2005 pri pobreží Orkneyských ostrovov. Výhodou zariadenia je to, že na rozdiel od predtým vyvinutých turbín na využívanie prílivovej energie nie je potrebné jeho nákladné ukotvenie na morské dno. Odhaduje sa, že optimálnym využitím prílivu a odlivu v blízkosti Škótska by sa mohol vyrábať dostatok elektrickej energie pre 15 miliónov ľudí.

Ďalšiu technológiu využitia vodnej energie morí a oceánov na výrobu elektriny predstavujú takzvané prílivové elektrárne pracujúce na princípe zachytávania vody pri vysokom prílive. Voda, ktorá sa nahromadí za bariérou počas prílivu, sa počas odlivu vypúšťa cez nainštalované turbíny. Teoreticky je možné tieto turbíny využívať v oboch smeroch, ale prakticky sa využívajú len pri odlive. Prílivové elektrárne sú úspešne prevádzkované vo Francúzsku, v Kanade, Rusku, Írsku a Číne. Nevýhodou týchto elektrární je prerušovaná prevádzka a závislosť od času prílivu a odlivu.

Príliv a odliv zažíva aj pevnina

Vplyvom gravitačných síl dochádza aj k „prílivu a odlivu” pevniny. Naša planéta Zem totiž nie je pevná tuhá guľa, ale skôr roztavená žeravá tekutina pokrytá tenkou vrstvou zemskej kôry. Ale aj pevný povrch zemskej kôry (podobne ako hladina oceánu) stúpa a klesá dvakrát za deň. Amplitúda slapov na pevnej Zemi môže dosiahnuť na rovníku 55 cm, čo je vzhľadom na ich spojitý priebeh zanedbateľné pre akúkoľvek ľudskú činnosť s výnimkou kalibrácie pozičných meraní (napr. GPS) a presných astronomických a fyzikálnych meraní.

Podobne dochádza aj k prílivu a odlivu v atmosfére. Najlepšie to možno pozorovať v hornej vrstve atmosféry, v ionosfére, ktorá pozostáva z elektricky nabitých atómov. Prílivové javy ionosféry spôsobujú vznik elektrických prúdov, ktoré menia magnetické pole okolo Zeme. Magnetické pole reguluje množstvo kozmického žiarenia dopadajúceho na povrch Zeme. V čase najväčších prílivov a odlivov v atmosfére - počas splnu alebo novu, sa mení ochranná vrstva atmosféry od najhrubšej po najtenšiu počas šiestich hodín. Atmosférické slapy sú zanedbateľné na zemskom povrchu a vo výškach, kde lietajú lietadlá. Tu je ich vplyv malý oproti efektom počasia.

Doc. RNDr. Ján Svoreň, DrSc., Astronomický ústav SAV, Tatranská Lomnica

Súvisiace:

Hore
Noc výskumníkov 2020
Quark_11/2020
Aurelium - centrum vedy
Quark 25 rokov
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Mesiac je našim najbližším nebeským telesom, preto sa nám zdá taký veľmi jasný.
Zistite viac