Tidevandsfysik | VG3

Projecter »

4072
Tidevandsfysik

Al bevægelse beskrives i forhold til en fysisk referenceramme.

I oceanografi benyttes i al væsentlighed de samme fysiske bevægelsesligninger som blev formuleret af Sir Isaac Newton allerede i 1687 i hovedværket Philosophiae Naturalis Principia Mathematica – Naturfilosofiens Matematiske Principper. Newton opstillede i alt 3 fysiske love: loven om inerti, loven om masse, acceleration og kraft, og loven om aktion og reaktion, og de udgør også fundamentet for al forståelse og beskrivelse af vandbevægelser i havet i dag.

Al bevægelse beskrives i forhold til en fysisk referenceramme. Newton valgte det såkaldte initialsystem, som er en tænkt referenceramme, der ligger fast i forhold til fiksstjernerne i modsætning til Jorden, som netop bevæger sig i forhold til fiksstjernerne. Fiksstjerner er alle stjerner der uden avancerede hjælpemidler ser ud til ikke at bevæge sig i forhold til Jorden, hvilket i praksis betyder alle stjernerne (men ikke andre himmellegemer) på nattehimlen, men ikke vores egen stjerne Solen.

Oceanografer ønsker derimod at benytte Jorden som deres referenceramme da det er mere logisk og naturligt i vores dagligdag her på Jorden. Det er nemlig mere praktisk at beskrive vandbevægelserne i retninger og afstande til forskellige geografiske punkter på vores klode – og ikke at beskrive vandbevægelser i retninger og afstande til fiksstjernerne. Konsekvensen er dog, at vi får et roterende koordinatsystem og dermed at de fysiske bevægelsesligninger kompliceres betydeligt, fordi Jorden både roterer om sin egen akse, om Solen, og omkring et fælles tyngdepunkt mellem Jorden og Månen, som befinder sig ca. 1600 km nede i Jordens undergrund. Det der dog er vigtigt at holde sig for øje er at det kun er ligningerne og tallene der ændrer sig, altså vores beskrivelse, fordi koordinatsystemet roterer, men bemærk at er stadig fysikken den samme.

Der findes flere forskellige referencerammer eller jordkoordinatsystemer, som er praktisk brugbare til at beskrive vandbevægelser på vores jord. I den konkrete sammenhæng er referencerammen et såkaldt kartesisk eller retvinklet jordkoordinatsystem, der benyttes som udgangspunkt for at beskrive vandbevægelser omkring den geografiske lokalitet angivet med positionen P i figur 1.

Koordinatsystemet er konstrueret på følgende måde: I punktet P lægges en tangentplan til Jorden, der her skal opfattes som en kugle, selv om Jorden i virkeligheden næsten er en ellipsoide, det vil sige er en smule fladtrykt. Gennem P tegnes en ret linie med retning mod nord. Dette bliver jordkoordinatsystemets ene koordinatakse, og P bliver til jordkoordinatsystemets begyndelsespunkt. Vinkelret på den nordgående koordinatakse lægges en østgående koordinatakse. I dette plane koordinatsystem kan man med god nøjagtighed beskrive vandbevægelserne øst, vest, syd og nord for den geografiske lokalitet P hvor man står på Jorden.

Til sidst indføres en lodret opadrettet koordinatakse gennem P og vinkelret på tangentplanen. Denne akse indføres for at kunne beskrive vandstandsændringerne som følge af vandbevægelserne i tangentplanen. Hermed er referencerammen for tidevandsfænomener på Jorden på plads, så tiden er kommet til at se på Newtons 2. lov, loven om masse, acceleration og kraft, som er den centrale lov i denne sammenhæng.

Her på Jorden og med den referenceramme vi nu har valgt gælder følgende fysiske kendsgerninger: For at bestemme accelerationen a af et rumfang som indeholder 1 kg havvand i Verdenshavet, skal man først opstille alle de virksomme kræfter, dvs. både naturkræfterne og de fiktive kræfter, der påvirker det pågældende rumfang for siden at beregne den samlede kraft på rumfanget. Listen over de aktuelle kræfter her på Jorden er ganske lang, som det fremgår nedenfor – alle er rumlige vektorer og angives med kursiv og fed.

J: Jordens massetiltrækning
C: Corioliskraften
c: Jordens centrifugalkraft
O: Opdrift
T: Trykkræfter på langs og tværs
M: Månens massetiltrækning
S: Solens massetiltrækning
h: Øvrige himmellegemers massetiltrækning
V: Vindkraften
G: Gnidningskraften

Leddet J + c er tyngdekraften K og leddet h er uden praktisk betydning, så det sættes til = 0. I den konkrete tidevandssammenhæng ses der også bort fra leddene C, V og G, for at forenkle sagen for nu. Sådanne fysikertricks er ganske almindelige og accepterede, fordi de er med til at give overblik og øge den fysiske forståelse af et kompliceret fænomen, som tidevand vitterlig er. Men forenklingen slutter ikke her, fordi 1 kg vand nedsænket i Verdenshavet fortrænger ligeså meget vand, som det selv vejer ifølge Arkimedes Lov. Det indebærer at tyngdekraften K er ligeså stor og modsat rettet opdriften O så de to led ophæver hinanden. Herefter er vi helt fremme ved målet, så tidevandsligningen gældende for 1 kg havvand i Verdenshavet ved den geografiske lokalitet, P i figur l kan skrives som følger:

a = T + M + S [m/s2]

Dette er Newtons 2. Lov gældende her på Jorden for 1 kg havvand i Verdenshavet, og denne lov beskriver tidevandet ganske realistisk i nærheden af den geografiske lokalitet P som fx kunne være Broome i Nordvestaustralien hvor Vædderen lagde til i november 2006. Lad os derfor se lidt nærmere på denne ligning og lidt nærmere på Broome.

Corioliskraften

Corioliskraften er en fiktiv kraft vi oplever her på Jorden som den kraft, der afbøjer havets og atmosfærens bevægelsesretning.

Tidevandsfysik

Al bevægelse beskrives i forhold til en fysisk referenceramme.

Tidevandsfakta

Månen giver typisk anledning til mere tidevand end Solen.

De to tidevandsbuler på Jorden

Her redegøres for kraftpåvirkningen fra Månen er på Jorden med brug af Newtons 2. og 3. Lov.

Tidevandskræfterne fra Månen og Solen

Tidevandskræfterne på Jorden skyldes en kombination af Jordens, Solens og Månens rotationer.

Broome

Meget få mennesker udenfor en snæver kreds af geofysikere forstår tidevandskræfterne og tidevandets fysik.