משחקי כוח:
כיצד מתחוללים הגאות והשפל?

גאות ושפל הם שינויים מחזוריים בגובה מפלס פני הים, המתחוללים בגלל השפעת כוח הכבידה של הירח על כדור הארץ. בכל נקודה בעולם, הגאות והשפל מתרחשים פעמיים ביום, במחזורים של 12:25 שעות, מחצית הזמן שלוקח לכל נקודה על כדור הארץ לחלוף באזור הקרוב ביותר לירח. בכל רגע נתון, הגאות מתרחשת בשני אזורים נפרדים בכדור הארץ. האחד הוא בצד הקרוב ביותר לירח, והאחר בצד הנגדי, המרוחק ביותר מהירח. אפשר לדמות את הגאות למעין אליפסה של מים המסתובבת סביב כדור הארץ המוצק, שציר האורך שלה מקביל תמיד לציר המחבר בין מרכז כדור הארץ לירח.

קיימת תפיסה מוטעית, ולפיה כוח הכבידה של הירח הוא זה ש"מושך" את המים מפני כדור הארץ. אך למעשה השינויים במפלס פני האוקיינוסים מתרחשים כתוצאה מתופעה פיזיקלית אחרת, שמסבירה מדוע מתרחשת גאות גם בצד של כדור הארץ המרוחק מהירח, עובדה שכוח הכבידה של הירח איננו מסביר אותה.

כל נקודה בכדור הארץ "מרגישה" את כוח הכבידה של הירח בעוצמה שונה. הנקודה הקרובה ביותר לירח על פני השטח של כדור הארץ תחוש את כוח הכבידה החזק ביותר, בעוד שהנקודה הנגדית, הרחוקה ביותר, תחוש את הכוח החלש ביותר. על מרכז כדור הארץ, הממוקם בין שתי נקודות הקיצון האלה, פועל כוח קטן יותר מאשר על קצהו הקרוב לירח, אך גדול יותר מאשר הכוח הפועל על קצהו הרחוק מהירח, ולצורך העניין נתייחס אליו כממוצע כוח הכבידה שהירח מפעיל על פני כל כוכב הלכת.

חוסר האחידות בכוח הכבידה הפועל על כדור הארץ הוא שגורם לתופעת הגאות, המוסברת על ידי כוח הגאות (tidal force). כוח הגאות פועל בעוצמה שונה על כל נקודה בכדור הארץ. הוא מחושב על ידי החסרת כוח הכבידה הממוצע של הירח (זה שמורגש במרכז כדור הארץ) מכוח הכבידה המורגש בכל נקודה ונקודה. מכיוון שעל הנקודה הקרובה ביותר לירח פועל כוח כבידה גדול יותר מהממוצע, היא "תימתח" לכיוון הירח. אולם בנקודה הרחוקה ביותר, שכוח הכבידה הפועל עליה קטן מהממוצע, חישוב הכוח נותן לפיכך תוצאה שלילית, ואכן נקודה זו נמתחת הרחק מהירח. על השטח המקיף את כדור הארץ, והממוקם ב-90 מעלות לציר המחבר בין מרכז כדור הארץ לירח, פועל כוח השווה בקירוב לכוח המשיכה הממוצע, והם מבטלים זה את זה. לכן על השטח הזה, הניצב לציר כדור הארץ והירח, פועל לכאורה כוח הכבידה של כדור הארץ בלבד, והוא "נלחץ" אל מרכזו.

ככל שנקודה מסוימת על פני כדור הארץ רחוקה יותר מהציר המחבר בין מרכז כדור הארץ והירח (כלומר ב-90 מעלות לו), היא תימשך למרכז כדור הארץ, וככל שהיא קרובה יותר לציר היא תתרחק ממנו. כוח המשיכה של הירח גורם למעשה למתיחה של כדור הארץ בציר אחד, ולכיווץ שלו בציר הניצב לו. מדובר בשינויים מזעריים ביותר, אך שטח הפנים העצום של האוקיינוסים, והיכולת של המים לנוע בקלות יחסית, גורמים לשינויים האלה לבלוט וליצור בכדור הארץ את מחזורי הגאות והשפל האופייניים לו.

שאלה של גודל

אם מים על פני כדור הארץ מושפעים באופן בולט מכוח הגאות, מדוע איננו רואים מחזורי גאות גם באגמים? כוח הגאות אכן פועל גם על אגמים, ולמעשה גם על כל גוף אחר בכדור הארץ. אך שטח הפנים המצומצם של המים באגמים אינו מאפשר להם טווח תנועה רחב מספיק כדי ליצור הבדלי מפלס משמעותיים בין שתי גדותיהם. באגמים סופריור ומישיגן בצפון אמריקה, הנמנים עם האגמים הגדולים ביותר על כדור הארץ, מתרחשים מחזורי גאות היוצרים שינויי מפלס של סנטימטרים אחדים, אך מספיקה רוח קלילה כדי ליצור גלים גבוהים מכך, והגאות, למעשה, כלל אינה מורגשת.

כל האוקיינוסים מחוברים ביניהם, ולפי חוק הכלים השלובים היינו מצפים שהפרשי הגובה הנוצרים במהלך מחזורי הגאות יהיו זהים בכל נקודה ונקודה לאורך החופים סביבם. אך המצב בפועל אינו כזה, ובכל רצועת חוף בכדור הארץ מתרחשים שינויי מפלס שונים. הגורמים המשפיעים על טווח השינוי הם נפח המים המצוי בקרבת החוף והגיאוגרפיה של אותו אזור: במפרצים רדודים ופתוחים יתרחשו שינויי מפלס חדים יותר, כמו במפרץ פאנדי במזרח קנדה, שמחזורי הגאות מחוללים בו שינויי מפלס של יותר מ-16 מטרים, הגדולים ביותר בעולם. באגני מים בעלי מפתח צר, כמו הים התיכון והים הבלטי, המצרים הסוגרים אותם פועלים כמו משפך המעכב את תנועת המים, ושינויי המפלס קטנים הרבה יותר.

כוח הגאות אינו פועל רק על האוקיינוסים, אלא גם על האטמוספרה, ובמידה מסוימת אף על כדור הארץ עצמו (Earth tide). כדור הארץ מצידו אינו נשאר חייב, והוא מפעיל בחזרה כוח גאות על הירח, שגורם בו לרעידות אדמה, או שמא נאמר – לרעידות ירח.