גאות ושפל

מפרץ פאנדי בעת גאות

מפרץ פאנדי בעת שפל

כוח הגאות בארבע נקודות שונות בכדור הארץ (באדום) כהפרש בין כוח המשיכה של הירח (בכחול) לבין הכוח הצנטריפוגלי בנקודות אלו (לא בתמונה)

כוחות הגאות בנקודות שונות על היקף כדור הארץ

אנימציה שבה ניתן לראות את שינוי תאורת הירח וגם את השפעת הגאות והשפל

מחזור גאות ושפל (כְּרִית) הוא תופעה שבה גובה פני הים, "עולה" או "יורד" במחזוריות קבועה. לפי הידוע לנו מן הכתובים, הראשון שהצליח לקשור בין תופעת הגאות והשפל ובין הירח היה מגלה הארצות היווני פיתאס. הכוחות הגורמים לתופעה זו קרויים כוחות גאות ושפל.

התופעה באה לידי ביטוי באופן חזק בחופים אשר נושקים לאוקיינוסים (מדובר בהפרשים של 8-6 מטרים). לעומת זאת בים התיכון שהוא ים הכלוא בין יבשות אפריקה ואירופה, תופעה זו חלשה יחסית (חצי מטר בערך בחופי ישראל). מחזור הגאות והשפל מתרחש פעמיים ביום. הזמן בין גאות אחת לשנייה הוא כ-12 שעות ו-24 דקות, כתוצאה משילוב סיבוב כדור הארץ סביב עצמו עם מסלולו של הירח סביב כדור הארץ.

מקום בו מגיעה תופעה זו לשיא מבחינת ההבדל בין גובה המים בגאות ובשפל הוא מפרץ פאנדי, קנדה וארצות הברית.

הסבר פיזיקלי לתופעה

כדור הארץ והירח סובבים סביב נקודת מרכז המסה שלהם. סיבוב זה גורם לכוח צנטריפוגלי שכיוונו מנקודת מרכז המסה החוצה, הפועל על חלקיקי המים הן בנקודה A והן בנקודה B המתוארות באיור. הכוח הצנטריפוגלי הוא בעצם כוח מדומה הנוצר כתוצאה מההתמדה של טיפות המים בסיבוב כדור הארץ.

לפי חוק הכבידה העולמי של ניוטון, כוח המשיכה קטן ככל שהמרחק גדל, ולכן בנקודה B הוא חלש יותר מאשר במרכז כדור הארץ, ובמרכז כדור הארץ הוא חלש יותר מאשר בנקודה A. כוח הגאות הוא למעשה ההפרש הווקטורי בין הכוח הצנטריפוגלי (הקבוע בכל הנקודות) וכוח המשיכה של הירח (המשתנה עם המרחק).

כוח המשיכה של כדור הארץ חזק עשרות מונים מזה של הירח ומן הכוח הצנטריפוגלי, ולכן בנקודות A ו-B אין די בהשפעת הכוחות כדי "למשוך" את טיפות המים. אלא שבנקודות C ו-D תורגש השפעת הכוחות, מפני שבנקודות אלה יש לכוח השקול רכיב מקביל לפני כדור הארץ שאינו פועל בניגוד לכוח המשיכה של כדור הארץ. רכיב זה של הכוח גורם לטיפת המים "לגלוש" לכיוון הירח או בכיוון ההפוך. רכיב זה משתנה בגודלו, וקטן ככל שמתקרבים לנקודות A ו-B. בנקודות A ו-B אין לכוח רכיב המקביל לפני כדור הארץ ולכן המים "מצטברים" באזורים A ו-B. כיוון וכדור הארץ מסתובב, נקודה מסוימת על פניו לעיתים משנה את מיקומה במהלך הסיבוב מ- A, ל-C, ל-B ול-D - כך שלעיתים היא באזור בו יש "הרבה" מים (למשל, A ו-B; נקודות שהן על הציר "ארץ- ירח"), ולעיתים היא באזור בו יש "מעט" מים (למשל, C ו-D; נקודות שהן לא ממש על הציר "ארץ-ירח"). השינוי בכמות המים, מתבטא בגובה פני הים בחופים (ולעיתים גם באגמים) ונראה כגאות ושפל.

כוחות הגאות מותחים את כדור הארץ לצורת ספרואיד מוארך, שצירו הארוך נמצא על הקו המחבר את מרכז כדור הארץ ומרכז הירח. בגלל שכוח המשיכה של כדור הארץ הרבה יותר גדול מכוח הגאות שמפעיל הירח, עיוות זה הוא קטן ביותר, ומסתכם במטרים ספורים יחסית לרדיוס של אלפי קילומטרים.

גודלם של כוחות הגאות פרופורציוני למסת הגוף שמפעיל אותם, ויורד לפי המרחק בשלישית - בניגוד לכוח המשיכה עצמו, שיורד לפי המרחק בריבוע (מפני שכוחות הגאות הם שקלול עם כוחות נוספים). לכן כוחות הגאות של הירח (שמסתו קטנה מזו של השמש פי 10⁷ × 2.7 אך גם מרחקו הממוצע מכדור הארץ קטן פי 390 ממרחקה של השמש) גדולים פי 2.2 מאלה של השמש. זאת למרות שכוח המשיכה של השמש על כדור הארץ עצמו גדול פי 180 מזה של הירח. השילוב של השפעות השמש והירח גורם למחזור גאות ושפל שמוכתב על ידי הירח, ואילו השמש רק משפיעה על ההפרש בין הגאות לשפל: עם מולד הירח ובזמן ירח מלא השמש הירח וכדור הארץ נמצאים בקירוב על אותו קו, הגאות של השמש והירח מחזקות זו את זו, וההפרשים בין גאות לשפל הם הגדולים ביותר. אולם כשהירח חצי מלא, השפעת השמש והירח מבטלות זו את זו, וההפרשים הם הקטנים ביותר(כמו שניתן לראות באנימציה משמאל).

בנקודה אמפידרומית מחזור הגאות והשפל הוא אפסי וככל שמתרחקים ממנה, הפרשי הגאות והשפל גדלים. לרוב הנקודות ממוקמות בתוך ים, אך ישנן נקודות שמיקומן חושב בתחומם של איים, כמו ניו זילנד ומדגסקר.

הפקת אנרגיה

ניתן להפעיל תחנת כוח על ידי ניצול הגאות והשפל אולם מספר קשיים מהותיים מקשים על ניצול האנרגיה:

1. יש צורך להקים סכר שהטורבינות המייצרות חשמל יהיו משולבות בו, כלומר יש צורך בגוף מים סגור כמעט לחלוטין.
2. ניצול הגאות והשפל כלכלי רק כאשר ההפרש הוא משמעותי, בגופי מים כמו הים התיכון בהם ההפרש קטן יחסית אין הצדקה כלכלית להקמת תחנת כוח.
3. האופי המחזורי של התהליך גורם לכך שהטורבינות מסובבות בכיוון ההפוך בשפל יחסית לגאות, דבר שמסבך את הבניה.
4. הכמות המופקת של החשמל לא ניתנת להגדלה לפי הצורך אלא תלויה בתהליכים טבעיים שאין לאדם שליטה עליהם ובפרט אין אפשרות לתאם בין הכמות המופקת לשעות הביקוש.

למרות קשיים אלו יש בעולם מספר תחנות כוח המפיקות חשמל על ידי כוח הגאות והשפל שהראשונה שבהן, תחנת הכוח לה ראנס, הוקמה בנהר ראנס בצרפת בשנות ה-60 של המאה ה-20.

קישורים חיצוניים

• גאות ושפל הסבר מהאתר "שער לים"
• משה גלעד, תיירי הגאות והשפל, באתר הארץ, 17 בפברואר 2005
• הערך גאות ושפל באתר אסטרופדיה
• מאיר ברק, מדוע תופעת הגאות והשפל מופיע פעמיים ביום ולא רק פעם אחת?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ספטמבר 2009
• בלדד השוחי, למה יש גאות חזקה יותר כשהירח מלא?, בכלכליסט
• גאות ושפל - הפיתוח המולטיפולי (מתוך הבלוג רשימות בפיזיקה עיונית).