Tương tác hấp dẫn và sự hình thành thủy triều trên các đại dương

Như chúng ta đã biết, một trong những đặc điểm nổi bật nhất giúp Trái đất tách biệt với các hành tinh còn lại trong hệ Mặt trời chính là nước, bao phủ khoảng 75% bề mặt Trái đất và có độ sâu trung bình khoảng 3,6 km. Tại hầu hết các địa điểm ven biển trên Trái Đất, ta có thể quan sát được có hai lần nước lên cao và rút xuống thấp mỗi ngày.Đây được gọi là thủy triều, là hiện tượng dâng lên hoặc hạ xuống của mực nước biển theo chu kì thời gian.

Độ cao của các thủy triều có thể dao động từ vài cm đến nhiều mét, tùy thuộc vào vị trí và thời gian trong năm, trung bình khoảng một mét trên biển.Và luôn có một lượng năng lượng khổng lồ được chứa trong chuyển động thủy triều hàng ngày này.

Biến dạng hấp dẫn

Vậy điều gì gây ra thủy triều? Một manh mối xuất phát từ việc nó thể hiện các chu kỳ hàng ngày, hàng tháng và hàng năm. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo ra của thủy triều. Nhưng 3 tác động lớn nhất chính là từ Mặt Trăng, Mặt Trời và Trái Đất. Và sự hấp dẫn là nguyên nhân chính gây ra thủy triều. Năm 1687, Sir Isaac Newton đã giải thích rằng thủy triều đại dương là kết quả của lực hấp dẫn của Mặt Trời và Mặt Trăng trên các đại dương của Trái đất. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton nói rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các vật thể . 

Lực hấp dẫn giữa hai vật thể tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các vật thể

Định luật vạn vật hấp dẫn

Do đó, khối lượng của các vật thể càng lớn và chúng càng gần nhau thì lực hấp dẫn giữa chúng càng lớn. Cụ thể, lực hấp dẫn của Mặt Trăng lớn hơn ở phía Trái Đất đối diện với Mặt Trăng so với phía còn lại, vì nó xa hơn khoảng 12.800 km (bằng với đường kính Trái Đất). Sự khác biệt này trong lực hấp dẫn là nhỏ, chỉ khoảng 3%, nhưng nó tạo ra một biến dạng đáng chú ý, một sự kéo dài dọc theo đường nối Trái Đất với Mặt Trăng gọi là thủy triều(Hình 2a).Lực hấp dẫn của Mặt Trăng tác động đến mọi vật trên Trái Đất, nhưng tác động lớn nhất là lên các đại dương , bởi vì chất lỏng có thể dễ dàng di chuyển nhất trên bề mặt hành tinh của chúng ta. Thủy triều hàng ngày chúng ta thấy kết quả khi Trái Đất quay bên dưới biến dạng này. Biến thể của lực hấp dẫn Mặt Trăng (hay Mặt Trời) trên khắp Trái Đất, được gọi là lực thủy triều. Lực thủy triều không phải là một lực mới. Đây vẫn là lực hấp dẫn quen thuộc, chỉ nhìn trong một bối cảnh khác, tác dụng của nó đối với các vật thể mở rộng như các hành tinh và Mặt Trăng.

Lưu ý rằng phía Trái Đất đối diện với Mặt Trăng cũng trải qua một đợt thủy triều. Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng mạnh nhất ở phía Trái Đất đối diện với Mặt Trăng, đơn giản vì nó ở gần hơn. Sự hấp dẫn này khiến cho nước trên Trái Đất bị kéo về phía Mặt Trăng (Hình 2b). Khi lực hấp dẫn có tác dụng kéo nước đến gần Mặt Trăng hơn, quán tính cố gắng giữ nước đúng vị trí. Nhưng lực hấp dẫn vượt quá nó và nước bị kéo về phía Mặt Trăng, gây ra một khối nước phình ra ở phía gần về phía Mặt Trăng, gọi là miền nước lớn thứ nhất. Và ở phía còn lại của Trái Đất, phía xa xa kia, bởi vì Trái Đất bị kéo về phía Mặt Trăng, mặc dù đại dương ở dưới đây có lực hấp dẫn ít hơn tác động lên chúng nhưng quán tính vượt quá lực hấp dẫn và nước cố gắng đi theo một đường thẳng, di chuyển khỏi Trái Đất, cũng tạo thành một chỗ phình ra,đây được gọi là miền nước lớn thứ hai! 

Không chỉ Mặt Trăng mà Mặt Trời cũng tác động lực thủy triều lên hành tinh của chúng ta. Lực thủy triều giảm rất nhanh theo khoảng cách. Cụ thể, Mặt Trời của chúng ta lớn hơn 27 triệu lần so với Mặt Trăng. Dựa trên khối lượng của nó, lực hấp dẫn của Mặt Trời đối với Trái Đất lớn hơn 177 lần so với Mặt Trăng đối với Trái Đất. Nếu các lực thủy triều chỉ dựa vào khối lượng so sánh, Mặt Trời sẽ có lực tạo ra thủy triều lớn hơn tận 27 triệu lần so với Mặt Trăng. Tuy nhiên, Mặt Trời cách Trái Đất hơn 375 lần so với Mặt Trăng. Vì vậy, lực tạo ra thủy triều ít hơn khoảng 59 triệu lần so với Mặt Trăng. Do những điều kiện này, lực tạo ra thủy triều của Mặt Trời chỉ bằng một nửa (khoảng 46%) so với Mặt Trăng. Do đó, thay vì một khối thủy triều được tạo ra trên Trái Đất, nó có hai: một hướng về Mặt Trăng, mặt kia hướng về Mặt Trời. Sự tương tác giữa chúng chiếm các thay đổi về chiều cao của thủy triều trong suốt một tháng hoặc một năm.

Lực tạo ra thủy triều của Mặt Trời chỉ bằng một nửa (khoảng 46%) so với Mặt Trăng.

Nhìn vào Hình 3(a),khi Trái Đất, Mặt Trăng, Mặt Trời nằm trên một đường thẳng , và Mặt Trời ở phía sau Mặt Trăng, lực hấp dẫn thuỷ triều sẽ gồm cả lực hấp dẫn của Mặt Trăng và lực hấp dẫn của Mặt Trời, điều này sẽ tạo ra thuỷ triều cao hơn nhiều. Khoảng hai lần mỗi tháng vào khoảng Trăng mới và Trăng tròn – là khi Mặt Trời, Mặt Trăng và Trái Đất tạo thành một đường thẳng, lực thuỷ triều Mặt Trời tăng cường cho lực thuỷ triều Mặt Trăng, khi đó phạm vi của thuỷ triều là tối đa, đây gọi là Triều cường (Spring tides).

Còn khi Mặt Trời, Mặt Trăng vuông góc 90 độ với nhau khi nhìn từ Trái Đất nghĩa là vào các pha Bán nguyệt, hiệu ứng thủy triều của Mặt Trăng và Mặt Trời triệt tiêu một phần lẫn nhau, vậy nên tại những thời điểm này trong chu kì trăng, phạm vi của thuỷ triều ở mức tối thiểu, nó được gọi là Triều kém hay Triều nhược (Neap tides) như ta thấy ở hình Hình 3(b).

Khóa thủy triều

Mặt Trăng quay một lần trên trục của nó trong 27,3 ngày – chính xác cùng thời gian để hoàn thành một vòng quanh Trái Đất. Kết quả là, Mặt Trăng luôn thể hiện cùng một mặt đối với Trái Đất; nghĩa là, Mặt Trăng có một mặt gần, luôn luôn nhìn thấy được từ Trái Đất và một mặt xa, không bao giờ thấy. Điều kiện này, trong đó chu kỳ quay của một vật thể chính xác bằng chu kỳ quỹ đạo của nó quanh một cơ thể khác, được gọi là quỹ đạo đồng bộ.

Tương tác hấp dẫn với Mặt Trăng làm Trái Đất quay chậm thêm một phần nghìn giây mỗi thế kỷ.

Việc Mặt Trăng nằm trong quỹ đạo đồng bộ quanh Trái Đất không phải là ngẫu nhiên. Đó là hậu quả tất yếu của sự tương tác hấp dẫn thủy triều giữa hai vật thể đó. Do vòng quay Trái Đất, phình thủy triều do Mặt Trăng nâng lên không hướng thẳng vào Mặt Trăng như đã được chỉ ra trong Hình 2. Thay vào đó, thông qua các tác động của ma sát, cả giữa lớp vỏ và đại dương và bên trong Trái Đất, vòng quay của Trái Đất có xu hướng kéo theo độ phồng của thủy triều xung quanh nó, làm cho phần phình bị dịch chuyển lên phía trước dòng Mặt Trăng -Trái Đất. Khi góc của Mặt Trăng và Mặt Trời so với Trái Đất tăng và giảm, thủy triều phình ra. Ở đây chúng ta quan sát thấy sự thay đổi độ nghiêng của Mặt Trăng so với đường xích đạo và ảnh hưởng của điều này đối với vị trí của các chỗ lồi lên do thủy triều của Trái Đất. (Hình 4)

Lực hấp dẫn không đối xứng của Mặt Trăng trên khối phình hơi bù này hoạt động để làm chậm hành trình quay của hành tinh của chúng ta.

Theo các phép đo hóa thạch, tốc độ giảm chỉ là một phần nghìn giây mỗi thế kỷ, không nhiều trên quy mô của một đời người, nhưng điều đó có nghĩa là nửa tỷ năm trước, 1 ngày trên Trái Đất chỉ dài hơn 21 giờ và một năm có đến 410 ngày. Đồng thời, Mặt Trăng  xoay xoắn ốc cách xa Trái Đất, tăng khoảng cách trung bình của nó so với hành tinh của chúng ta thêm khoảng 4cm mỗi thế kỷ. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi (hàng tỷ năm nữa) Trái Đất quay trên trục của nó với tốc độ chính xác như Mặt Trăng quay quanh Trái Đất. Trái Đất và Mặt Trăng đã phát triển cùng nhau. Giống như Mặt Trăng làm tăng thủy triều trên Trái Đất, Trái Đất cũng tạo ra một đợt thủy triều trên Mặt Trăng. Thật vậy, vì Trái Đất nặng hơn Mặt trăng rất nhiều, nên độ phồng của Mặt Trăng lớn hơn đáng kể và quá trình đồng bộ hóa tương ứng nhanh hơn. Vòng quay Mặt Trăng đã bị khóa chặt vào Trái Đất từ ​​lâu. Hầu hết các mặt trăng trong Hệ Mặt Trời đều bị khóa tương tự bởi các lực thủy triều của các hành tinh mẹ của chúng.

Tổng hợp và chia sẻ bởi Tuệ Tâm – Ban Học Thuật – DAC

Nguồn tham khảo

+ Sách “Astronomy a beginner’s guide to the universe”