איך הירח חילץ
את האנייה?

גאות ושפל הם שינויים מחזוריים בגובה המפלס של 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: אחד בצד הקרוב ביותר לירח, והאחר בצד הנגדי, המרוחק ביותר ממנו. אפשר לדמות את הגאות למעין אליפסה של מים המסתובבת סביב כדור הארץ המוצק, כך שציר האורך שלה מקביל תמיד לציר הדמיוני בין מרכז כדור הארץ לירח.

קיימת תפיסה מוטעית, ולפיה כוח הכבידה של הירח הוא זה ש"מושך" את המים מפני כדור הארץ. למעשה השינויים במפלס פני האוקיינוסים מתרחשים עקב תופעה פיזיקלית אחרת, שמסבירה מדוע מתרחשת גאות גם בצד של כדור הארץ המרוחק מהירח.

משיכה שלילית

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 כדור הארץ.

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, וגם בה פני המים עולים. בשטח הממוקם ב-90 מעלות לציר שבין מרכז כדור הארץ לירח, פועל כוח השווה בקירוב לכוח המשיכה הממוצע, והם מבטלים זה את זה. לכן שם פועל לכאורה כוח הכבידה של כדור הארץ בלבד, והוא "נלחץ" אל מרכזו, כך שפני המים נמוכים יותר, וזה השפל. 

ככל שנקודה מסוימת על פני כדור הארץ רחוקה יותר מהציר שבין 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.

הגאות מתרחשת באזור הקרוב ביותר אל הירח ובאזור המרוחק ממנו | איור: SCIENCE PHOTO LIBRARY

השפעות השמש

תנועת הירח היא הגורם הקובע את תזמון הגאות, אך גובהה מושפע במידה רבה גם מכוח הכבידה של השמש. הפרש הגובה בין הגאות לשפל אינו קבוע, אלא משתנה באופן מחזורי לאורך החודש. כל 14 ימים בקירוב, כאשר הירח חוצה את הציר הדמיוני בין כדור הארץ לשמש, כוחות הכבידה שלו ושל השמש פועלים על כדור הארץ באותו הכיוון, דבר היוצר גאות גבוהה במיוחד (Spring tide).

תופעה זו אחראית במידה רבה לפריצת הדרך במאמצי החילוץ של האונייה Ever Given, שנתקעה בתעלת סואץ בשבוע שעבר. ב-29 במרץ כדור הארץ עבר בדיוק בין הירח והשמש, וגובה פני המים המרבי בתעלת סואץ בזמן הגאות היה 40 ס"מ יותר מאשר שישה ימים קודם לכן, כאשר האונייה נתקעה. השמש והירח פעלו בעזרת מפלס המים כמעין ספינות גרר המושכות כלפי מעלה, שהצטרפו למאמצי הגוררות האמיתיות המושכות הצידה, ויחד הם הביאו לתזוזה של האונייה השקועה.

שילוב כוחות של הירח ושל השמש סייע לפעילות האדם לחילוץ האנייה | איור: SCIENCE PHOTO LIBRARY

שאלה של גודל

אם מים על פני כדור הארץ מושפעים באופן בולט מכוח הגאות, מדוע איננו רואים מחזורי גאות גם באגמים? למעשה, כוח הגאות אכן פועל גם על אגמים, וגם על כל גוף אחר בכדור הארץ. שטח הפנים המצומצם של המים באגמים אינו מאפשר למימיהם טווח תנועה מספיק כדי ליצור הבדלי מפלס משמעותיים בין שתי גדותיהם. באגם סופריור ובאגם מישיגן בצפון אמריקה, הנמנים עם האגמים הגדולים ביותר על כדור הארץ, מתרחשים מחזורי גאות היוצרים שינויי מפלס של סנטימטרים אחדים, אך די ברוח 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. המצב בפועל אינו כזה, ובכל רצועת חוף בכדור הארץ מתרחשים שינויי מפלס אחרים. הגורמים המשפיעים על טווח השינוי הם נפח המים בקרבת החוף והגיאוגרפיה של כל 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 מפעיל בחזרה כוח גאות על הירח, שגורם בו לרעידות אדמה.