Trái Đất có hai phần phình thủy triều ở hai phía đối diện nhau không?
(physics.stackexchange.com)- Nếu giải thích thủy triều đại dương bằng hình ảnh hai phần phình triều cao ở phía hướng về Mặt Trăng và phía đối diện quay quanh Trái Đất, sẽ rất khó giải thích thời điểm thủy triều và chênh lệch pha quan sát được theo từng khu vực
- Newton đã xử lý đúng bản thân lực thủy triều, nhưng mô hình cho rằng đại dương phản ứng cân bằng ngay lập tức với lực đó không phù hợp với thực tế là thời điểm Mặt Trăng ở thiên đỉnh/thiên để thường lệch khỏi thời điểm triều cao
- Phần lớn các vùng đại dương có triều cao khoảng mỗi 12,421 giờ, nhưng cũng có những vùng biển như Biển Bắc, nơi triều cao và triều thấp cùng tồn tại tại cùng một thời điểm, phá vỡ hình ảnh phần phình toàn cầu
- Tốc độ sóng đại dương, rào chắn lục địa, hiệu ứng Coriolis, địa hình đáy biển và đường bờ biển kết hợp với nhau, khiến mỗi bồn đại dương tạo ra phản ứng thủy triều động riêng
- Cách giải thích phù hợp hơn là lý thuyết thủy triều động của Laplace, cho rằng lực thủy triều và cấu trúc bồn đại dương tạo ra các mẫu thủy triều theo vùng quay quanh các amphidromic point
Vấn đề đặt ra của câu hỏi: hiểu được lực thủy triều, nhưng hình ảnh phần phình thì không đúng
- Trong hệ mà Mặt Trăng và Trái Đất cùng rơi tự do với nhau, độ lớn lực hấp dẫn của Mặt Trăng hơi khác nhau tại từng vị trí trên bề mặt Trái Đất, sinh ra lực thủy triều
- Bề mặt phía hướng về Mặt Trăng chịu lực hút của Mặt Trăng lớn hơn một chút
- Bề mặt phía đối diện Mặt Trăng chịu lực hút của Mặt Trăng nhỏ hơn một chút so với tâm Trái Đất
- Nếu loại bỏ thành phần rơi tự do, ở phía hướng về Mặt Trăng nó trông như một lực hướng về Mặt Trăng, còn ở phía đối diện nó trông như một lực đẩy ra xa Mặt Trăng
- Điểm khó hiểu là mô hình hai phần phình triều cao thường gặp trong hình minh họa sách giáo khoa
- Cách giải thích là phần phình đứng yên tương đối so với Mặt Trăng, và Trái Đất đi xuyên qua phần phình đó nên có thủy triều hai lần mỗi ngày
- Nếu mô hình này đúng, trong một khu vực nhỏ, pha thủy triều dường như khó có thể khác nhau nhiều
- Holyhead và Whitby ở Great Britain chỉ cách nhau khoảng 240 dặm theo đường bộ, nhưng khi một bên triều cao thì bên kia triều thấp, thể hiện chênh lệch pha khoảng 6 giờ, tức 180°
- Westport và Kaikoura Peninsula trên South Island của New Zealand cũng là ví dụ tương tự, với chênh lệch khoảng 6 giờ trên khoảng cách khoảng 200 dặm
Câu trả lời cốt lõi: đại dương không có phần phình thủy triều toàn cầu
- Câu then chốt là “There is no tidal bulge”
- Newton đã nắm đúng dạng lực gây ra thủy triều, nhưng lý thuyết thủy triều cân bằng dùng để giải thích phản ứng của đại dương không khớp với quan sát
- Nếu mô hình hai phần phình kiểu Newton là đúng, triều cao phải xảy ra khi Mặt Trăng ở thiên đỉnh hoặc thiên để của điểm đó
- Trên thực tế, nhiều vùng đại dương có triều cao khoảng mỗi 12,421 giờ
- Nhưng việc triều cao có trùng với lúc Mặt Trăng ở thiên đỉnh/thiên để hay không gần như là “may rủi”; ở hầu hết khu vực có một độ lệch thời gian có thể dự đoán được
- Biển Bắc cho thấy rõ giới hạn này
- Nếu lý thuyết thủy triều cân bằng đúng, thời điểm triều cao trên toàn Biển Bắc nhìn chung phải giống nhau
- Trên thực tế, vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày, ở đâu đó trên Biển Bắc có thể đang triều cao, trong khi nơi khác đồng thời đang triều thấp
Vì sao phần phình đại dương khó tồn tại
- Để phần phình thủy triều toàn cầu tồn tại, nó phải chuyển động như một sóng có bước sóng cỡ nửa vòng Trái Đất
- Bước sóng này dài hơn nhiều so với độ sâu đại dương, nên trở thành sóng nước nông
- Tốc độ sóng nước nông xấp xỉ
√(g d), trong đódlà độ sâu tại vị trí đó
- Tốc độ này ở mức khó theo kịp chuyển động quay của Trái Đất
- Ngay cả ở rãnh biển sâu nhất cũng chỉ khoảng 330m/s
- Ở độ sâu trung bình 4267m là khoảng 205m/s
- Ở vùng biển nông thì còn chậm hơn
- Tốc độ tự quay của Trái Đất tại xích đạo khoảng 465m/s
- Việc Trái Đất không được nước bao phủ hoàn toàn cũng là một ràng buộc lớn
- Americas ở Tây Bán cầu
- Afro-Eurasia ở Đông Bán cầu
- Hai rào chắn lục địa theo hướng bắc-nam này ngăn phần phình kiểu Newton chuyển động trên phạm vi toàn cầu
- Việc thủy triều ở Pacific coast của Panama và Caribbean coast cách đó khoảng 100km rất khác nhau cũng cho thấy ảnh hưởng lớn của đường bờ biển và bồn đại dương
- Do tốc độ tự quay của Trái Đất và tốc độ quỹ đạo của Mặt Trăng khác nhau, hiệu ứng Coriolis cũng tác động; ngay cả nếu Trái Đất được bao phủ hoàn toàn bởi biển sâu, hiệu ứng này cũng có xu hướng xé rời sóng thủy triều
Mô hình phù hợp hơn: lý thuyết thủy triều động của Laplace
- Giới hạn của lý thuyết thủy triều cân bằng kiểu Newton được lý thuyết thủy triều động của Laplace xử lý tốt hơn
- Mô hình này xét đồng thời các yếu tố sau
- Lực gây thủy triều
- Độ sâu của bồn đại dương
- Hình dạng đường bờ biển và bồn đại dương
- Hiệu ứng do Trái Đất tự quay
- Kết quả là trong đại dương hình thành amphidromic system
- Amphidromic point là điểm gần như không có thủy triều đối với một thành phần thủy triều nhất định
- Phản ứng thủy triều quay quanh các điểm này
- Gần Biển Bắc có ba amphidromic point của thủy triều M2, điều này giải thích vì sao thủy triều Biển Bắc trông phức tạp
- Những khu vực có thủy triều diễn ra trái trực giác như Patagonia hay New Zealand coast cũng có thể được hiểu bằng phản ứng động này
Thủy triều xuất hiện như tổng của nhiều thành phần tần số
- Thủy triều tổng thể không phải là một phần phình đơn giản hai lần mỗi ngày, mà là tổng của nhiều đáp ứng tần số
- Mặt Trăng là lực chi phối trong thủy triều, và ở nhiều khu vực, thành phần lớn nhất là M2 tidal frequency
- M2 là thành phần thủy triều bán nhật có nguồn gốc từ Mặt Trăng, với chu kỳ khoảng 1 lần mỗi 12,421 giờ
- Thành phần lớn thứ hai là S2 tidal frequency do Mặt Trời gây ra
- S2 có chu kỳ 1 lần mỗi 12 giờ
- Vì hàm lực thủy triều không hoàn toàn đối xứng, cũng tồn tại các thành phần khác
-
M1**: khoảng** 1 lần mỗi 24,841 giờ
-
S1**:** 1 lần mỗi 24 giờ
- Ngoài ra còn nhiều thành phần khác
- Mỗi thành phần có thể có amphidromic system riêng
-
Đáp ứng M2 toàn cầu và dòng năng lượng
- Thành phần M2 là cấu phần chi phối của thủy triều ở nhiều khu vực, là đáp ứng xấp xỉ hai lần mỗi ngày do Mặt Trăng gây ra
- Bản đồ thủy triều M2 toàn cầu không cho thấy một phần phình đơn giản theo hướng Mặt Trăng, mà cho thấy nhiều amphidromic point và các mẫu quay theo vùng
- Bắc Đại Tây Dương là nơi xảy ra khoảng 40% sự tiêu tán năng lượng thủy triều M2, và Biển Bắc được nêu như trung tâm của sự tiêu tán này
- Hình minh họa dòng năng lượng của sóng thủy triều bán nhật do Mặt Trăng cho thấy năng lượng thủy triều di chuyển từ nơi được tạo ra đến nơi bị tiêu tán
- Thủy triều cao ở Patagonia liên quan đến năng lượng truyền từ Pacific sang Atlantic
- Cũng xuất hiện sự truyền năng lượng lớn vào North Atlantic
- Sự dịch chuyển năng lượng này nhìn chung theo hướng đông, và có thể nghĩ về nó như một “phần phình thủy triều thuần”, nhưng người trả lời không thích gọi như vậy
Thủy triều của bản thân Trái Đất và thủy triều đại dương là khác nhau
- Solid Earth tide đơn giản hơn nhiều so với thủy triều đại dương, và ở xấp xỉ bậc nhất, phép ví von phần phình có thể phần nào đúng
- Biên độ của thủy triều Trái Đất rắn thường khoảng 1 foot, tức khoảng 30cm
- Trong hầu hết tình huống như đo đạc thông thường, có thể bỏ qua
- Đây là hiện tượng kiểu như cả ngôi nhà cũng lên xuống khoảng 30cm hai lần mỗi ngày
- Một câu trả lời khác bổ sung rằng thủy triều Trái Đất có cỡ khoảng 40–50cm, và cũng được tính đến trong ổn định chùm tia của LHC
- Tuy nhiên, trọng tâm của câu hỏi là thủy triều đại dương, và thủy triều đại dương không vận hành như mô hình hai phần phình kiểu Newton
Giới hạn của hình minh họa đơn giản hóa
- Hình ảnh “có triều cao ở hai điểm đối diện nhau trên Trái Đất và lặp lại khoảng mỗi 12 giờ” là một sự đơn giản hóa quá mức
- Hình ảnh này gần với điểm xuất phát của một tình huống giới hạn, trong đó Trái Đất được bao phủ hoàn toàn bởi nước và đại dương sâu đến mức độ sâu không ảnh hưởng đến sóng bề mặt
- Trên Trái Đất thực có đủ lục địa, bán đảo, vịnh, cửa sông, độ sâu hữu hạn, ma sát, tần số riêng của bồn đại dương và hiệu ứng Coriolis
- Địa hình bờ biển và cấu trúc bồn đại dương theo vùng có thể tạo ra giao thoa tăng cường hoặc giao thoa triệt tiêu với thủy triều
- Vì vậy, hai khu vực gần nhau như Holyhead và Whitby cũng có thể có thời điểm thủy triều rất khác nhau, và hình ảnh phần phình toàn cầu đơn giản khó có thể giải thích điều đó
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Dự báo thủy triều quan trọng đến mức đã thu hút rất nhiều tên tuổi lớn trong vật lý và toán học, và cũng dễ hình dung việc dự báo thủy triều quan trọng thế nào trong cuộc đổ bộ D-day
Một hiện vật lịch sử thú vị liên quan là một máy tính analog chuyên dụng do Lord Kelvin thiết kế vào thập niên 1860, dựa trên chuỗi Fourier và phân tích điều hòa. Có thể hình dung nó giống như một máy sai phân đầy bánh răng và cam, nhưng mục đích của nó được chuyên biệt hóa cho dự báo thủy triều
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tide-predicting_machine
Cũng có thể xem đây là một trong những ví dụ ban đầu của Machine learning với chữ M viết hoa trong Machine. Vì nó cập nhật dự báo bằng cách phản ánh các quan trắc thủy triều gần đây
Sóng sin không chỉ là đặc quyền của mạng nơ-ron sâu, mà còn là bộ xấp xỉ phổ quát cho một phạm vi lớn các hàm
George Darwin, con trai của Charles Darwin, cũng đóng góp lớn vào thiết kế và cải tiến cỗ máy này
https://en.m.wikipedia.org/wiki/George_Darwin
Trong số những cái tên quen thuộc từng tham gia vào bài toán dự báo thủy triều có Thomas Young, nổi tiếng với thí nghiệm hai khe, và Sir George Airy, nổi tiếng với đĩa Airy
Thời điểm này được Samuel Haughton tính toán vào năm 1860
Tất nhiên cũng có một tập In Our Time: https://www.bbc.co.uk/programmes/m0029qh3
Người xưa cũng đã biết dự báo thủy triều, nên có lẽ sẽ thú vị nếu xét đến sự ngạo mạn trong cách kể chuyện hiện đại
Đó là một sự dao động phức tạp của nước được Mặt Trăng kích thích định kỳ khi đi qua; nó đi theo cùng tần số, nhưng vì nhiều lý do, không đơn giản là một làn sóng chạy vòng quanh toàn cầu
Bản thân Trái Đất bị biến dạng như thể có hai chỗ phình, nhưng nước trên bề mặt có chuyển động phức tạp hơn nhiều
Nếu muốn dùng từ khó, có thể gọi là cơ học chất lưu, nhưng cuối cùng thì câu chuyện là một vật thể quỹ đạo lớn đều đặn tác dụng lực lên một hệ phức tạp, tạo nhịp cho hệ đó nhưng không tạo trật tự
Khi còn học cao học thiên văn, giáo sư của tôi từng nói rằng “đã có nhiều nhà nghiên cứu trẻ đầy triển vọng mắc vào bãi đá ngầm của thủy triều và làm đắm sự nghiệp của mình”
Toán học trong lý thuyết thủy triều cực kỳ khó, và ngay cả trong một hệ bị khóa thủy triều đồng nhất thì nó cũng nhanh chóng trở nên phức tạp
Dù vậy, thủy triều rất quan trọng. Khi hai thiên thể đi qua nhau rất gần, hiệu ứng thủy triều có thể trở nên lớn đến mức thật sự phá hủy một trong hai thiên thể: https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_disruption_event
https://en.wikipedia.org/wiki/Roche_limit
https://en.wikipedia.org/wiki/Roche_lobe
Hiện nay người ta cho rằng phần lớn các nguyên tố nặng trong vũ trụ được tạo ra trong các siêu tân tinh loại Ia do chuyển khối lượng, nên rốt cuộc có lẽ chúng ta phải cảm ơn hiện tượng thủy triều vì đã có các hành tinh đá và những sinh vật như con người
Ảnh động đó rất tuyệt. Tôi tìm thấy người tạo ra nó ở đây: https://ceoas.oregonstate.edu/directory/svetlana-erofeeva
Trang được liên kết từ đây cũng có ảnh động tương tự theo ngày hiện tại: https://www.tpxo.net/
Dù đã học một lớp hải dương học vật lý ở trình độ sau đại học, tôi vẫn không được học điều này và vẫn tin vào câu chuyện về chỗ phình thủy triều
Tuy nhiên lớp đó quan tâm đến hải lưu hơn thủy triều rất nhiều, và tôi gần như không nhớ là thủy triều được đào sâu
Đây thật sự là một câu trả lời rất hay
Phần giải thích rất xuất sắc. Đặc biệt bản đồ nhiệt độ cao giúp hiểu trực quan chuyện gì đang diễn ra
Nhưng lại nảy sinh một thắc mắc. Vì sao trong bất kỳ bối cảnh giáo dục nào người ta cũng đưa hình minh họa về chỗ phình thủy triều? Như bài gốc nói, “chỗ phình phía xa” luôn là phần gây ngạc nhiên và khó hiểu nhất trong hình đó. Nhưng theo cách giải thích này, vì hệ quá phức tạp nên chỗ phình phía xa về mặt khái niệm gần như chẳng có ích gì
Nó là phần kém trực quan nhất nên khiến người ta phải nghĩ thêm, nhưng những suy nghĩ đó đều đi sai hướng
Có lẽ mô hình sẽ hữu ích hơn nếu chỉ cho thấy chỗ phình phía Mặt Trăng và bỏ chỗ phình phía xa. Dù vậy nó vẫn sẽ cực kỳ không chính xác, giống mô hình quỹ đạo nguyên tử, nhưng ít nhất có thể là một mô hình tinh thần ban đầu chính xác và hữu ích hơn một chút
Không cách giải thích nào thực sự đúng, nhưng cách giải thích hai chỗ phình khớp với tính chu kỳ quan sát được, và với đa số người ngày nay, chừng đó có thể là toàn bộ kiến thức họ cần về thủy triều
Tuy nhiên tôi thật sự không hiểu vì sao nó lại được dạy trong các lớp hải dương học bậc sau đại học
Giống như vẽ chuyển động của đạn pháo bằng một parabol. Quỹ đạo đạn pháo thực tế không như vậy, nhưng nó hữu ích làm điểm khởi đầu
6 tháng trước tôi ở bãi biển một tuần, đúng lúc trăng tròn. Khi Mặt Trăng lên cao vào khuya, tôi đi dạo, và lúc quay về phải lội nước ngập đến mắt cá chân. Nó lặp lại đều như đồng hồ, cách nhau khoảng 12 giờ
Đọc câu trả lời trên StackExchange thì thấy đúng là rất phức tạp. Nhưng câu trả lời hàng đầu cũng có cảm giác như bị tê liệt vì phân tích quá mức. Nếu phân tích nhiễu loạn quá nhiều thì có lẽ ta đã chẳng chế tạo được tên lửa. Nhớ lại mặt phẳng không ma sát và chất điểm hồi trung học, kết quả cũng không chính xác, nhưng là cách tốt để mô hình hóa và hiểu tình huống
Vậy ở đây chẳng phải cũng có thể đưa ra các giả định đơn giản hóa sao? Giả sử Trái Đất là một quả cầu nhẵn, cứng, có một lớp nước trên bề mặt thì sao. Tâm khối lượng Trái Đất–Mặt Trăng nằm cách tâm Trái Đất khoảng 3/4 bán kính Trái Đất, và cả hai quay quanh tâm đó. Khi đó thủy triều hơn 12 giờ một chút ở nhiều nơi trên thế giới bắt đầu trở nên dễ hiểu. Mô hình tinh thần này sai ở điểm nào?
Nước không thể đi xuyên qua các lục địa, và đây là một yếu tố cực lớn. Nếu Trái Đất không có đất liền, thủy triều hẳn sẽ di chuyển như ta kỳ vọng. Nhưng nếu xem trực quan hóa mực triều toàn cầu, ngay cả những vùng đất nhỏ như New Zealand cũng có thể tạo ra triều cao và triều thấp chỉ cách nhau vài dặm. Panama cũng vậy: những gì xảy ra ở bờ Thái Bình Dương hoàn toàn khác với phía Caribe
Thêm vào đó còn có lực hấp dẫn của Mặt Trời. Ở các khu vực phía bắc vĩ tuyến 50 độ Bắc, gần ngày đông chí hầu như không có triều thấp rất thấp vào ban ngày. Mùa hè thì hiện tượng ngược lại xảy ra
Thời điểm thủy triều tại một địa điểm cụ thể nhìn chung có thể dự đoán được, nhưng độ cao mực triều thay đổi rất lớn
Như thấy rõ trên bản đồ, phản ứng thủy triều chịu ảnh hưởng mạnh từ hình dạng phức tạp của đất liền và độ sâu đáy biển. Vì vậy phản ứng thủy triều cũng phức tạp tương ứng, nhưng trên thực tế nó lại là một hình ảnh đã được đơn giản hóa hơn thế
Ngay cả trong mô hình Trái Đất đơn giản hóa, để nước di chuyển đủ nhanh theo tốc độ tự quay của Trái Đất thì đại dương phải đủ sâu, cần khoảng 22 km
Trong hoạt ảnh, New Zealand rất nổi bật. Triều cao và triều thấp đuổi nhau quanh hòn đảo theo chiều ngược kim đồng hồ
Câu trả lời có vẻ muốn nói rằng chỗ phình là hàm cưỡng bức, chứ không phải độ dời
Chỉ mình tôi hoài nghi chuyện Newton đã nhầm lẫn giữa lực và độ dời sao? Tôi đang bỏ sót điều gì?
Và tôi nghĩ ông ấy cũng thừa nhận lời giải thích đó chưa đầy đủ. Nếu ở mức đó thì nhìn chung là đúng. Biết thủy triều phức tạp ở Anh, có lẽ ông ấy sẽ không khẳng định rằng mình đã có một mô hình hoàn chỉnh về thủy triều
Tóm lại, về cơ bản Newton đã nắm đúng lực, nhưng chỉ lực thôi thì không kể hết toàn bộ câu chuyện. Lý do chính là 1) đại dương không đủ sâu nên tốc độ truyền không đủ, và 2) nếu nghĩ theo kiểu phương trình vi phân, các điều kiện biên đến từ cấu trúc Trái Đất thực tế, đặc biệt là các lục địa, khiến nghiệm trở nên thú vị hơn nhiều so với điều F=ma gợi ý
Thực sự khuyên nên đọc, đặc biệt câu trả lời thứ hai rất hay