Flóðkraftar

Samband tungls og jarðar

Á flestum stöðum á jörðinni gætir flóðs og fjöru tvisvar sinnum á sólarhring. Sjávarföllin eru til komin vegna þyngdarkrafta tungls og sólar sem toga í jörðina. Þyngdarkraftur sólar á jörðinni er þó ekki nema um helmingur af þyngdarkrafti tunglsins og því skiptir staða tunglsins mestu máli þegar sjávarföll eru skoðuð.

Flóðkraftar tunglsins

Flóðkraftar tungls á jörðinni. (FÞ) er þyngdarkraftur á yfirborði jarðar sem stafar frá tungli, (FM) er miðflóttakraftur, sem verkar á yfirborði jarðar og (FF) er flóðkrafturinn, sem er samanlagður þyngdarkraftur og miðflóttakraftur. Mynd: Stjörnufræðivefurinn

Til að lýsa flóðkrafti tungls þá þurfum við að grípa til eilítillar eðlisfræði. Flóðkrafturinn er í raun summa tveggja mótstæðra krafta. Annars vegar er það þyngdarkraftur tunglsins, sem togar jörðina til sín, en hins vegar miðflóttakraftur á yfirborði jarðar, sem þrýstir jörðinni frá tunglinu. Miðflóttakrafturinn er til kominn vegna þess að jörðin og tunglið snúast um sameiginlega massamiðju jarðar-tunglkerfisins, en massamiðjan er ekki á sama stað og kjarni jarðar heldur örlítið nær tunglinu. Yfirlit yfir þessa krafta má sjá á myndinni hér til hliðar.

Þegar myndin er skoðuð sést að þyngdarkraftur tunglsins (F_Þ) minnkar með fjarlægð en miðflóttakrafturinn (F_M) er alls staðar sá sami á jörðinni. Á þeirri hlið jarðar sem snýr að tunglinu er þyngdarkraftur tunglsins sterkari en miðflóttakrafturinn og því dregst yfirborð jarðar þar í átt til tunglsins og heildarflóðkrafturinn (F_F - þykka örin) verkar því í átt að tunglinu. Á þeirri hlið jarðar, sem snýr frá tunglinu, er miðflóttakrafturinn hins vegar sterkari en þyngdarkraftur tunglsins og heildarkrafturinn (F_F) verkar því frá tunglinu.

Flóðkraftarnir hafa áhrif á alla jörðina, sjávarhjúpinn, berghjúpinn og lofthjúpinn en svörunin við flóðkraftinum er hins vegar mismikil. Í flóði er dæmigerð lyfting sjávar á opnu hafi um 60 cm en við land er meðallyfting um 2 til 3 metrar. Berghjúpurinn lyftist aftur á móti aðeins um hálfan metra, sem er skiljanlegt þar sem sjórinn er sveigjanlegri en hið fasta efni jarðar. Munurinn á lyftingu sjávar og berghjúps á hverjum stað er svo það sem við greinum sem eiginleg sjávarföll, þ.e. flóð og fjöru, og er þessi munur mjög mismunandi eftir staðsetningu. Mesti munur á jörðinni er við Fundyflóa í Kanada, um 12 metrar, en innhöf eins og Miðjarðarhafið, Eystrasalt og Karabíska hafið eru nánast laus við sjávarföll. Flóð og fjara einskorðast sem sagt ekki við flóðkrafta tunglsins heldur skipta ýmsir þættir máli eins og yfirborð sjávarbotnsins, tenging yfir í úthöfin, veðurfar og jafnvel þyngd sjálfrar flóðbylgjunnar (ocean-tide loading).

Flóðbylgjunúningur

Áhrif þyngdarkrafts tungls og möndulsnúnings jarðar á flóðbylgjuna. Hæsti punktur flóðbylgjunnar er ekki beint undir tunglinu vegna þess að jörðin dregur flóðbylgjuna með sér. (FÞ) er þyngdarkraftur tunglsins, (SJ) er möndulsnúningur jarðar og (FN) er hinn svo kallaði flóðbylgjunúningur, en hann hægir á snúningi jarðar. Mynd: Stjörnufræðivefurinn

Þegar áhrif flóðkrafta tunglsins á heildarkerfið eru skoðuð verður myndin eilítið flóknari. Jörðin snýst nefnilega hraðar um möndul sinn heldur en tunglið snýst um jörðina. Það gerir það að verkum að jörðin dregur flóðbylgjuna með sér til vesturs (sjá mynd hér til hægri) því þótt sjórinn fljóti ofan á berghjúpnum þá er hann bundinn þyngdarafli jarðar. Það eru því í raun tveir mótstæðir kraftar sem togast á um sjávarflóðbylgjuna, annars vegar þyngdarkraftur tunglsins (F_Þ), sem togar sjóinn til sín, en hins vegar möndulsnúningur jarðar (S_J), sem dregur sjóinn með sér frá tunglinu. Þegar jörðin dregur sjóinn með sér myndast núningur við sjávarbotninn, milli sjávar og jarðar, og kallast hann flóðbylgjunúningur. Þar sem núningskrafturinn (F_N) og þyngdarkraftur tungls eru í jafnvægi rís flóðbylgjan hæst.

Núningskrafturinn hægir á snúningi jarðar og því lengist sólarhringurinn þar sem jörðin er sífellt lengur að snúast einn hring um möndul sinn. Sólarhringurinn er talinn lengjast um 2 millisekúndur á öld en hraðinn hefur ekki alltaf verið sá sami í gegnum jarðsöguna. Raunar virðist hröðun jarðar hafa verið að aukast töluvert á síðustu árþúsundum og má það líklegast rekja til hörfunar jökla sem jörðin hefur ekki enn jafnað sig endanlega á. Flóðbylgja sjávar hefur líka áhrif á brautarhraða tunglsins því um leið og tunglið togar í sjóinn togar flóðbylgjan á móti í tunglið og dregur það áfram. Það eykur brautarorku tunglsins, svo það fer hraðar á braut sinni um jörðu, en braut með meiri orku hefur einnig stærri radíus og því fjarlægist tunglið jörðina. Í tunglferðum Bandaríkjamanna var speglum komið fyrir á tunglinu og þannig hefur verið hægt að mæla fjarlægðina frá jörðu til tungls mjög nákvæmlega með leysigeislum. Það hefur komið í ljós að tunglið fjarlægist jörðina um 3,82±0,07 cm á ári.

Samband tungls og jarðar fyrr í jarðsögunni

Þar sem flóðbylgjunúningurinn hægir sífellt á snúningi jarðar er ljóst að fyrr í jarðsögunni snerist jörðin hraðar og tunglið var nær jörðinni. Vísindamenn greinir hins vegar á um hversu mikil breyting hefur verið á þessum þáttum. Á 19. öld töldu vísindamenn að tunglið væri að fjarlægjast það hratt að ef fjarlægð tungls frá jörðu væri reiknuð aftur í tímann þá gæti tunglið vart verið eldra en 2 til 3 milljarðar ára, því þá hefði tunglið átta að liggja upp við jörðina. Fram yfir miðja tuttugustu öldina áttu stjarnfræðingar mjög erfitt með að ráða í þessa gátu þar sem útreikningar á sjávarföllum voru skammt á veg komnir. Reiknilíkön í tölvum þróuðust aftur á móti hratt á seinni hluta aldarinnar og það kom í ljós að færsla tunglsins er óregluleg og fer eftir þáttum eins og legu meginlanda, stöðu sjávarmáls og jöklun. Svo virðist því sem að tunglið fjarlægist jörðina óvenju hratt núna og í kringum 1980 voru vísindamenn orðnir sammála um að hröð færsla tunglsins frá jörðu væri ekki lengur þversögn.

Flóðlög (tidal rhythmites)

Flóðlög (tidal rhythmites) eru forn setlög úr sandi, silti eða leir, sem gefa til kynna sjávarföll fyrr í jarðsögunni. Hér að ofan eru myndir af flóðlögum í siltsteini frá Hindostan í Indianafylki í Bandaríkjunum. Á mynd A má sjá misþykk flóðlög, sem gefa til kynna misstórar flóðbylgjur hvers sólarhrings þegar lögin urðu til. Á mynd B er stafli flóðlaga sem sýnir misþykk lög eftir því hvort stórstreymt eða smástreymt hefur verið þegar lögin urðu til. Graf C sýnir mælingar á flóðlögunum á mynd B. Mynd: Kvale, E. o.fl. (1999), með leyfi höfundar.

Engu að síður eru stjörnufræðingar enn ósammála um upphafsfjarlægð tungls frá jörðu. Lengi vel var talið að tunglið hefði verið afar nálægt jörðinni og sólarhringurinn ekki nema um 5 til 10 tímar. Sterkar vísbendingar hafa þó komið fram sem benda til þess að þessi gildi séu mjög óraunhæf. Aðalvísbendingarnar, og raunar þær einu beinu jarðfræðilegu, fyrir þessum ályktunum má finna í jarðlögum víðs vegar um jörðina. Við sérstakar aðstæður myndast nefnilega svokölluð flóðlög (tidal rhythmites) sem eru staflar misþykkra setlaga af sand-, silt- eða leirsteini. Flóðlögin myndast við sterka flóðstrauma þar sem eitt lag myndast við hverja flóðbylgju. Þar sem yfirleitt eru tvö misstór flóð á dag þá myndast þykkt og þunnt lag til skiptis. Ef staflarnir eru mjög þykkir og ná yfir marga mánuði eða ár þá er hægt að greina árstíðaskipti, lengd tunglmánaðar og fleira í lögunum og ákvarða út frá þeim hversu margir sólarhringar jarðárið hefur verið þegar flóðlögin mynduðust.

Eitt þekktasta dæmið um svona forn flóðlög er frá Indiana-fylki í Bandaríkjunum, þar sem heitir Hindostan Falls. Þar er gömul hverfisteinsnáma, sem notuð var á fyrri hluta 19. aldar. Hverfisteinninn úr námunni er siltsteinn, sem varð til fyrir um 300 milljónum ára við sjávarfallaflóðbylgjur. Elsta óyggjandi dæmið um flóðlög eru hin 620 milljóna ára gömlu Elatina-Reynella lög í Suður-Ástralíu. Ef þau eru greind kemur í ljós að sólarhringurinn var 21,9±0,4 klst. og 400±7 sólarhringar í árinu. Út frá því má reikna að fjarlægðin milli tungls og jarðar hafi verið um 96,5±0,5 % af núverandi fjarlægð eða um 371.000 km. Eldri dæmi um flóðlög eru til en þau eru ekki jafnáreiðanleg. Elstu mögulegu flóðlagastaflarnir eru í svokölluðum „Moodies hóp“ í Suður-Afríku en þau jarðlög eru talin um 3,2 milljarða ára gömul. Annað þekkt dæmi um flóðlög eru Weeli Wolli bandjárnslögin frá Vestur-Ástralíu, sem eru um 2,45 milljarða ára. Ef greiningin á þeim er rétt hefur sólarhringurinn verið á milli 17 og 19 klst. þegar þau mynduðust, og fjarlægð milli tungls og jarðar um 90,6±2,9 % (um 348.000 km) af núverandi fjarlægð. Þá sést að meðalfærsla tungls frá jörðu frá 2,5 milljörðum ára fram til dagsins í dag hefur verið um 1,48 cm á ári, sem er ekki nema um 40% af núverandi færslu. Út frá þeim gögnum sem fyrir liggja má með útreikningum ætla að fyrir um 3,9 milljörðum ára hafi sólarhringurinn verið um 17 klst. og fjarlægð tungls frá jörðu um 320.000 km.

Miðað við að fjarlægð tungls frá jörðu hafi í upphafi verið um 80% af núverandi fjarlægð milli hnattanna má ímynda sér að sjávarföll hafi á þeim tíma ekki verið mjög frábrugðin því sem við eigum að venjast nú. Þar sem margt er á huldu um upphaf sjávar og hvenær höfin hafi náð útbreiðslu dagsins í dag er erfitt að gera sér grein fyrir því hversu mikill munur hafi verið milli flóðs og fjöru. Eins og segir hér að ofan er margt annað sem skiptir máli við stærð sjávarfalla, svo sem yfirborð sjávarbotnsins og tenging milli úthafa. Hafi sjávarföllin á forkambríum verið mjög frábrugðin sjávarföllum á nútíma þá er það ekki til komið vegna óeðlilegrar nálægðar tungls og jarðar.

Heimildir

1. Eriksson, K.A. & Simpson, E.L. 2000. Quantifying the oldest tidal record: The 3.2 Ga Moodies Group, Barberton Greenstone Belt, South Africa. Geology 28, 831-834.
   

2. Kvale, E.P. 1998. Tidal Time – Ancient Tides Recorded in Indiana Rocks. Indiana Geology.
   

3. Kvale, E., o.fl. 1999. Calculating Lunar Retreat Rates Using Tidal Rhythmites. Journal of Sedimentary Research 69 (6), 1154-1168.
   

4. Laskar, J., Joutel, F. og Robutel, P. 1993. Stabilization of the Earth's obliquity by the Moon. Nature 361, 615-617.

5. Recent Earth Tides near Leonard Oklahoma. 2003. Oklahoma Geological Survey Observatory.
   

6. Varga, P., Rybicki, K.R. og Denis, C. 2006. Comment on the paper “Fast tidal cycling and the origin of life” by Richard Lathe. Icarus 180, 274-276.
   

7. Williams, G.E. 2000. Geological constraints on the Precambrian history of Earth's rotation and the Moon's orbit. Reviews of Geophysics 38, 37-60.
   

8. Williams, G.E. 2005. Comment on “Tidal rhythmites and their implications” by R. Mazumder and M. Arima. Earth-Science Reviews 69, 79–95.
   

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Snæbjörn Guðmundsson (2011). Flóðkraftar. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/tunglid/myndun (sótt: DAGSETNING).