- Thủy triều lên trên Trái Đất thường được mô tả là có hai chỗ phình (bulge) ở hai hướng đối diện nhau
- Đây là hiện tượng được giải thích bởi lực hấp dẫn của Mặt Trăng và lực ly tâm
- Một chỗ phình hình thành do lực hút của Mặt Trăng, còn chỗ phình ở phía đối diện hình thành do lực ly tâm
- Hai chỗ phình này là nguyên nhân chính của hiện tượng thủy triều (nước lên và nước xuống) ở biển
- Trên thực tế, mô hình thủy triều lên và xuống còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố phức tạp như địa hình, độ sâu biển
Does Earth have two high-tide bulges on opposite sides?
Tổng quan câu hỏi
- Đây là câu hỏi về việc liệu trên mực nước biển của Trái Đất có hình thành hai chỗ phình thủy triều lên (High-tide bulges) hay không
- Một chỗ phình xuất hiện theo hướng Mặt Trăng kéo Trái Đất, và chỗ còn lại xuất hiện ở phía đối diện
- Cần có phần giải thích vật lý cho hiện tượng này
Nguyên lý cơ bản của thủy triều
- Lực hấp dẫn của Mặt Trăng kéo một phần nước biển trên Trái Đất về phía nó, đồng thời gây ra thủy triều lên ở vùng biển phía đối diện
- Ở phía gần Mặt Trăng, nước biển bị kéo thành dạng phình lên (thủy triều lên) do trọng lực của Mặt Trăng
- Ở phía đối diện, một chỗ phình thủy triều lên khác được hình thành do lực ly tâm quanh tâm khối chung mà Trái Đất và Mặt Trăng cùng tạo thành
Giải thích toán học và vật lý
- Hiện tượng này được giải thích khi xét đến trọng lực, lực ly tâm và chuyển động của hệ Trái Đất - Mặt Trăng
- Trên thực tế, do những nguyên nhân phức tạp như độ sâu biển, địa hình đáy biển, sự tự quay của Trái Đất, hiện tượng quan sát được khác với mô hình lý tưởng gồm hai chỗ phình hoàn hảo trong lý thuyết
Ứng dụng trong thực tế
- Phần giải thích trên là một mô hình đơn giản hóa về mặt lý thuyết
- Trên Trái Đất thực tế, mô hình thủy triều thể hiện rất đa dạng do các yếu tố hải dương học và môi trường phức tạp
- Tuy vậy, về cơ bản hiện tượng hai chỗ phình thủy triều lên vẫn tồn tại
Kết luận
- Trên bề mặt biển của Trái Đất, hai chỗ phình thủy triều lên chính được hình thành gần như đồng thời ở hai hướng đối diện do lực hấp dẫn của Mặt Trăng và lực ly tâm
- Dù hiện tượng thực tế còn chịu ảnh hưởng của địa hình biển, gió và các yếu tố khác, hai chỗ phình thủy triều lên (High-tide bulges) vẫn là một cấu trúc cơ bản có thể giải thích bằng vật lý
1 bình luận
Ý kiến Hacker News
Nhấn mạnh rằng bài toán dự đoán thủy triều là một chủ đề cực kỳ quan trọng, từng thu hút sự tập trung của các bậc thầy vật lý và toán học trong quá khứ. Có thể hình dung việc dự đoán thủy triều đã quan trọng đến mức nào trong chiến dịch đổ bộ D-day. Vào những năm 1860, Lord Kelvin đã thiết kế một máy tính tương tự chuyên dụng dựa trên chuỗi Fourier và phân tích điều hòa, hoạt động bằng bánh răng và cam; đây là một hiện vật rất thú vị về mặt lịch sử. Xem thêm Wikipedia về Tide-predicting machine. Đây cũng là một trong những ví dụ ban đầu của việc viết hoa từ 'Machine' trong thuật ngữ Machine Learning. Cỗ máy tiếp nhận các giá trị quan trắc thủy triều mới nhất và phản ánh chúng vào dự báo. Sóng sin đóng vai trò là phép xấp xỉ tổng quát cho nhiều loại hàm khác nhau, không phải đặc quyền riêng của deep neural net. George Darwin, con trai của Charles Darwin, cũng là người đóng góp lớn vào việc thiết kế và cải tiến cỗ máy này. Xem thêm Wikipedia về George Darwin. Ngoài ra còn có những tên tuổi nổi tiếng như Thomas Young và Sir George Airy cũng từng tham gia vào việc dự đoán thủy triều
Nhắc tới trường hợp trận Clontarf (Ireland) ngày 23/4/1014. Khi đó, lúc 5 giờ 30 sáng là kỳ triều cường có lợi cho phía Viking, nhưng vì trận chiến kéo dài cả ngày, đến 5 giờ 55 chiều lại có triều cường, cắt đứt đường rút lui của họ và khiến nhiều người bị nước cuốn. Thời điểm thủy triều này được Samuel Haughton tính toán vào năm 1860. Giới thiệu câu chuyện liên quan trong tập liên kết của BBC In Our Time
Hỏi liệu có từng thấy mô hình vật lý của vịnh San Francisco (SF bay) chưa. Gợi ý video YouTube
Gợi ý video Veritasium làm về chủ đề này, công bố 2 năm trước: video YouTube
Liên quan đến D-day, đặt câu hỏi liệu cách diễn đạt "có thể hình dung việc dự đoán thủy triều đã quan trọng đến mức nào" là tích cực hay tiêu cực. Nhắc rằng người cổ đại cũng đã dự đoán được thủy triều, đồng thời đưa ra quan điểm khá khiêu khích rằng tường thuật hiện đại có thể là một dạng 'kiêu ngạo' (hubris). Dùng Hacker News lâu sẽ thấy rằng "downvote = cảm thấy khó chịu và không muốn trả lời câu hỏi nữa". Chỉ trích khái niệm tổng hợp tin tức dân chủ là giả dối
Tóm lại về mặt vật lý, thủy triều chỉ đơn giản là chuyển động phức tạp của nước được <i>kích thích</i> bởi quỹ đạo của Mặt Trăng. Nó không phải là một làn sóng đơn giản. Bản thân Trái Đất cũng có hai chỗ lồi, nhưng nước trên bề mặt thì chuyển động phức tạp hơn nhiều
Kể lại giai thoại từng nghe từ giáo sư thiên văn thời cao học rằng 'nhiều nhà nghiên cứu trẻ xuất sắc đã mắc cạn sự nghiệp vì thủy triều'. Nhấn mạnh rằng toán học về thủy triều cực kỳ khó. Ngay cả trong một hệ đồng nhất và khóa thủy triều cũng nhanh chóng trở nên phức tạp. Cũng nói thêm rằng thủy triều cực kỳ quan trọng. Khi hai thiên thể đi sượt gần nhau, hiệu ứng thủy triều có thể lớn đến mức phá hủy một bên. Chia sẻ liên kết Wikipedia về Tidal disruption event
Gần đây trong giới vật lý thiên văn đang có sự thảo luận lại về việc liệu các hành tinh khóa thủy triều có còn giữ được khí quyển và có thể sinh sống hay không. Xu hướng là các nghiên cứu mô hình khí quyển đang chuyển từ 'không thể' sang 'có thể là được'
Giới thiệu các khái niệm liên quan: Wikipedia về Roche limit, Wikipedia về Roche lobe. Vì ngày nay phần lớn các nguyên tố nặng được cho là hình thành trong các siêu tân tinh truyền khối lượng loại 1a, nên có thể nghĩ rằng bản thân hành tinh đá hay sự tồn tại của con người cuối cùng cũng là nhờ hiện tượng thủy triều
Nhắc rằng trong một số truyện ngắn khoa học viễn tưởng của Larry Niven cũng có mô-típ thiên thể bị phá hủy, hoặc gần như bị phá hủy, bởi cơ chế thủy triều
Kể lại việc từng học một môn hải dương học vật lý trình độ cao học nhưng không được học câu chuyện về bướu thủy triều, và cho đến nay vẫn tin vào mô hình đó. Hồi tưởng rằng môn học đó tập trung vào hải lưu hơn là thủy triều nên không đi sâu vào thủy triều. Cảm nhận rằng lời giải thích học được từ bài này rất hữu ích
Chia sẻ cảm nhận rằng lời giải thích này tuyệt vời đến đáng kinh ngạc, đặc biệt nhờ heatmap độ cao nên rất trực quan để hiểu điều gì đang xảy ra. Đồng thời nêu thêm thắc mắc: tại sao trong giáo dục người ta luôn đưa ra đồ họa bướu thủy triều, đặc biệt là bướu ở phía đối diện? 'Bướu phía xa' luôn là phần khó hiểu nhất bằng trực giác, và xét đến độ phức tạp của hệ này thì gần như là một khái niệm vô nghĩa. Khi mới học, mô hình chỉ cho thấy 'bướu ở phía Mặt Trăng' có vẻ chính xác hơn. Dĩ nhiên nó cũng khác thực tế, nhưng ít nhất có thể là mô hình đầu tiên hữu ích và sát thực hơn chăng
Có ý kiến rằng nếu không có bướu phía đối diện thì không thể giải thích thủy triều 12 giờ. Nếu chỉ có một bướu thì chỉ giải thích được thủy triều 24 giờ. Trên thực tế mô hình hai bướu khớp với tính chu kỳ quan sát được, và đó có lẽ là mức độ mà đa số mọi người muốn biết. Bản thân người viết cũng không hiểu vì sao điều này lại được dạy trong các lớp hải dương học trình độ cao học
Giải thích rằng đây là một mô hình lý tưởng. Nó chỉ chính xác khi toàn bộ Trái Đất được phủ bởi một đại dương duy nhất, sâu. Về mặt giáo dục, loại mô hình đơn giản này là một 'công cụ sư phạm' giúp tạo khung trước rồi sau đó học các hiệu chỉnh của thực tế. Nó giống như việc mô tả đạn đại bác bằng quỹ đạo parabol
Sau khi khen hoạt hình đó thật sự xuất sắc, người viết còn tìm ra cả người làm ra nó: trang giới thiệu phòng thí nghiệm của Svetlana Erofeeva, và chia sẻ thêm trang chủ chính thức của TPXO cũng có các hoạt hình tương tự
Phân tích rằng bướu thủy triều không phải là displacement mà đóng vai trò như forcing function. Hoài nghi việc nói Newton đã nhầm lẫn giữa force và displacement. Thắc mắc mình đã bỏ sót điều gì
Kể lại trải nghiệm 6 tháng trước ở bãi biển trong một tuần vào dịp trăng tròn, khi cứ khoảng 12 giờ lại thấy nước dâng đến mắt cá chân. Cũng đã đọc bài trên StackExchange nhưng thấy nó quá ám ảnh với phân tích. Giống như mặt phẳng không ma sát hay chất điểm trong vật lý phổ thông, nếu nghĩ quá phức tạp thì có lẽ chẳng bao giờ chế tạo được tên lửa. Vậy với giả định đơn giản hóa nào thì có thể phân tích được? Nếu Trái Đất là một khối cầu cứng nhẵn với một lớp nước mỏng bên ngoài, hiện tượng sẽ diễn ra thế nào? Tâm khối lượng của hệ Trái Đất-Mặt Trăng nằm ở khoảng 3/4 bán kính tính từ tâm Trái Đất, và cả hai quay quanh điểm đó. Liệu mô hình này có giải thích được vì sao ở nhiều nơi chu kỳ thủy triều là hơn 12 giờ không
Trên thực tế không phải đúng chính xác 12 giờ mỗi ngày. Thời điểm thủy triều bị trễ khoảng 30 phút mỗi ngày, và thường cũng không chính xác đúng 30 phút; đôi khi còn có những nơi không theo chu kỳ bán nhật triều. Việc nước không thể đi xuyên qua lục địa cũng có ảnh hưởng rất mạnh. Trong mô hình lý tưởng, tức giả định Trái Đất không có lục địa, thì đúng như dự đoán, nhưng thực tế thì ngay cả một vùng đất nhỏ như New Zealand cũng khiến kiểu thủy triều ở những nơi chỉ cách nhau vài km khác hẳn nhau, còn Panama thì cũng có khác biệt lớn giữa Thái Bình Dương và Caribbean. Ngoài ra còn có trọng lực Mặt Trời cùng tác động. Ở các khu vực trên vĩ độ 50 độ, vào mùa đông thường không có triều rất thấp vào ban ngày, còn mùa hè thì ngược lại. Chu kỳ dòng chảy thủy triều tại một điểm cụ thể có thể dự đoán được, nhưng mực nước thì rất đa dạng
Lấy bản đồ trong câu trả lời trên StackExchange làm ví dụ: nơi các đường trắng hội tụ là những điểm không có biến thiên mực triều, màu xanh là biên độ thủy triều thấp, màu đỏ là biên độ cao, còn các đường trắng là đường đồng pha, biểu thị các vùng có đỉnh triều cùng thời điểm. Nhìn chung biến thiên thủy triều bị ảnh hưởng sâu sắc bởi lục địa và cấu trúc đáy biển nên cực kỳ phức tạp. Dù vậy, so với mô hình đơn giản thì thực tế còn phức tạp hơn rất nhiều
Tham khảo câu trả lời được chấp nhận trên StackExchange thì có thể thấy ngay cả mô hình đơn giản cũng vẫn chưa đủ. Trái Đất là một hình cầu lý tưởng, và trên thực tế đại dương cần đủ sâu để có thể di chuyển theo tốc độ quay của Trái Đất, khoảng 22km/h
Quan sát rằng hiện tượng thủy triều quanh New Zealand trong hoạt hình trông khá độc đáo, như thể mực nước dâng và rút đuổi quanh đảo theo chiều ngược kim đồng hồ
Khen đây là một phát hiện rất tinh tế
Nhắc rằng Trái Đất và bướu thủy triều không phải là hiện tượng 2D mà là 3D. Chính điều này gây ra sự nhầm lẫn khái niệm. Và cho rằng tesseract là vô nghĩa
TL;DR: Newton hiểu đúng hướng của lực, nhưng hiện tượng thủy triều thực tế không thể được giải thích hoàn toàn chỉ bằng lực. Lý do là 1) đại dương không đủ sâu nên sóng thủy triều truyền chậm 2) nghiệm dựa trên phương trình vi phân, tức các điều kiện biên của Trái Đất thực như lục địa, khiến thực tế phức tạp hơn nhiều so với F=ma. Khuyên nên đọc cả câu trả lời thứ hai trên StackExchange