4.6: Las mareas oceánicas y la luna
- Page ID
- 127935
Objetivos de aprendizaje
Al final de la sección, podrás:
- Describir qué causa las mareas en la Tierra
- Explicar por qué la amplitud de las mareas cambia en el transcurso de un mes
Cualquiera que viva cerca del mar está familiarizado con la subida y bajada de las mareas dos veces al día. Al principio de la historia, quedó claro que las mareas deben estar relacionadas con la Luna porque el retraso diario en la marea alta es el mismo que el retraso diario en el levantamiento de la Luna. Una explicación satisfactoria de las mareas, sin embargo, esperaba la teoría de la gravedad, suministrada por Newton.
El tirón de la Luna en la Tierra
Las fuerzas gravitacionales ejercidas por la Luna en varios puntos de la Tierra se ilustran en la Figura\(\PageIndex{1}\). Estas fuerzas difieren ligeramente entre sí porque la Tierra no es un punto, sino que tiene cierto tamaño: todas las partes no están igualmente distantes de la Luna, ni todas están exactamente en la misma dirección de la Luna. Además, la Tierra no es perfectamente rígida. Como resultado, las diferencias entre las fuerzas de la atracción de la Luna en diferentes partes de la Tierra (llamadas fuerzas diferenciales) hacen que la Tierra se distorsione ligeramente. El lado de la Tierra más cercano a la Luna es atraído hacia la Luna con más fuerza que el centro de la Tierra, que a su vez es atraído con más fuerza que el lado opuesto a la Luna. Así, las fuerzas diferenciales tienden a estirar ligeramente a la Tierra en un esferoide prolado (una forma futbolística), con su diámetro largo apuntando hacia la Luna.
Si la Tierra estuviera hecha de agua, se distorsionaría hasta que las fuerzas diferenciales de la Luna sobre diferentes partes de su superficie entraran en equilibrio con las propias fuerzas gravitacionales de la Tierra que la unieran. Los cálculos muestran que en este caso, la Tierra se distorsionaría de una esfera en cantidades que oscilaban hasta casi 1 metro. Las mediciones de la deformación real de la Tierra muestran que la Tierra sólida sí se distorsiona, pero solo alrededor de un tercio de lo que haría el agua, debido a la mayor rigidez del interior de la Tierra.
Debido a que la distorsión de las mareas de la Tierra sólida asciende —en su mayor grado— a solo unos 20 centímetros, la Tierra no distorsiona lo suficiente como para equilibrar las fuerzas diferenciales de la Luna con su propia gravedad. De ahí que los objetos en la superficie de la Tierra experimenten pequeños remolcadores horizontales, que tienden a hacer que se deslicen. Estas fuerzas de levantamiento de mareas son demasiado insignificantes para afectar objetos sólidos como estudiantes de astronomía o rocas en la corteza terrestre, pero sí afectan las aguas de los océanos.
La formación de las mareas
Las fuerzas de levantamiento de mareas, actuando a lo largo de varias horas, producen movimientos del agua que resultan en protuberancias mareales mensurables en los océanos. El agua del lado de la Tierra frente a la Luna fluye hacia ella, con las mayores profundidades aproximadamente en el punto debajo de la Luna. En el lado de la Tierra opuesto a la Luna, el agua fluye también para producir un bulto de marea (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Puede ejecutar esta animación para una demostración visual del bulto de las mareas.
Tenga en cuenta que los bultos de las mareas en los océanos no son el resultado de que la Luna comprima o expanda el agua, ni de que la Luna eleve el agua “lejos de la Tierra”. Más bien, resultan de un flujo real de agua sobre la superficie de la Tierra hacia las dos regiones por debajo y opuestas a la Luna, haciendo que el agua se amontone a mayores profundidades en esos lugares (Figura\(\PageIndex{3}\)).
En el modelo idealizado (y, como veremos, sobresimplificado) que acabamos de describir, la altura de las mareas sería de sólo unos pocos pies. La rotación de la Tierra llevaría a un observador en cualquier lugar dado alternativamente a regiones de aguas más profundas y menos profundas. Un observador que sea llevado hacia las regiones bajo o frente a la Luna, donde el agua era más profunda, diría: “La marea está entrando”; cuando se lleva lejos de esas regiones, el observador diría: “La marea está saliendo”. Durante un día, el observador sería transportado a través de dos protuberancias mareales (una a cada lado de la Tierra) y así experimentaría dos mareas altas y dos mareas bajas.
El Sol también produce mareas en la Tierra, aunque es menos de la mitad de efectivo que la Luna al subir la marea. Las mareas reales que experimentamos son una combinación del efecto mayor de la Luna y el efecto menor del Sol. Cuando el Sol y la Luna están alineados (en luna nueva o luna llena), las mareas producidas se refuerzan entre sí y así son mayores de lo normal (Figura\(\PageIndex{4}\)). Estas se llaman mareas primaverales (el nombre no está relacionado con la temporada sino con la idea de que las mareas más altas “brotan”). Las mareas primaverales son aproximadamente las mismas, ya sea que el Sol y la Luna estén en el mismo lado o en lados opuestos de la Tierra, debido a que en ambos lados se producen protuberancias mareales. Cuando la Luna está en el primer cuarto o último trimestre (en ángulo recto con la dirección del Sol), las mareas producidas por el Sol cancelan parcialmente las mareas de la Luna, haciéndolas más bajas de lo habitual. Estas se llaman mareas neap.
La teoría “simple” de las mareas, descrita en los párrafos anteriores, sería suficiente si la Tierra girara muy lentamente y estuviera completamente rodeada por océanos muy profundos. Sin embargo, la presencia de masas terrestres que detienen el flujo de agua, la fricción en los océanos y entre los océanos y los fondos oceánicos, la rotación de la Tierra, el viento, la profundidad variable del océano y otros factores complican la imagen. Es por ello que, en el mundo real, algunos lugares tienen mareas muy pequeñas mientras que en otros lugares enormes mareas se convierten en atractivos turísticos. Si has estado en esos lugares, es posible que sepas que las “tablas de mareas” deben calcularse y publicarse para cada ubicación; un conjunto de predicciones de mareas no funciona para todo el planeta. En este capítulo introductorio, no profundizaremos en estas complejidades.
George Darwin y la ralentización de la Tierra
El frotamiento del agua sobre la faz de la Tierra implica una enorme cantidad de energía. Durante largos periodos de tiempo, la fricción de las mareas está ralentizando la rotación de la Tierra. Nuestro día se alarga en aproximadamente 0.002 segundos cada siglo. Eso parece muy pequeño, pero cambios tan pequeños pueden sumar a lo largo de millones y miles de millones de años.
Aunque el giro de la Tierra se está desacelerando, el momento angular (ver Órbitas y Gravedad) en un sistema como el sistema Tierra-Luna no puede cambiar. Por lo tanto, algún otro movimiento de giro debe acelerarse para tomar el impulso angular extra. Los detalles de lo que sucede fueron elaborados hace más de un siglo por George Darwin, hijo del naturalista Charles Darwin. George Darwin (ver Figura) tenía un fuerte interés por la ciencia pero estudió derecho durante seis años y fue admitido en la barra. Sin embargo, nunca practicó derecho, volviendo a la ciencia y eventualmente convirtiéndose en profesor en la Universidad de Cambridge. Fue protegido de Lord Kelvin, uno de los grandes físicos del siglo XIX, y se interesó por la evolución a largo plazo del sistema solar. Se especializó en hacer cálculos matemáticos detallados (y difíciles) de cómo cambian las órbitas y movimientos a lo largo del tiempo geológico.
Lo que Darwin calculó para el sistema Tierra-Luna fue que la Luna lentamente espirará hacia afuera, alejándose de la Tierra. A medida que se aleja más, orbitará con menos rapidez (así como los planetas más alejados del Sol se mueven más lentamente en sus órbitas). Así, el mes se alargará. También, debido a que la Luna estará más distante, los eclipses totales del Sol ya no serán visibles desde la Tierra.
Tanto el día como el mes seguirán alargándose, aunque hay que tener en cuenta que los efectos son muy graduales. Los cálculos de Darwin fueron confirmados por espejos colocados en la Luna por astronautas del Apolo 11. Estos muestran que la Luna se aleja 3.8 centímetros al año, y que finalmente —miles de millones de años en el futuro— el día y el mes tendrán la misma longitud (alrededor de 47 de nuestros días actuales). En este punto la Luna estará estacionaria en el cielo sobre el mismo punto de la Tierra, lo que significa que algunas partes de la Tierra verán la Luna y sus fases y otras partes nunca las verán. Este tipo de alineamiento ya es cierto para la luna de Plutón Caronte (entre otras). Su rotación y periodo orbital tienen la misma duración que un día en Plutón.
Resumen
Las mareas oceánicas dos veces al día son principalmente el resultado de la fuerza diferencial de la Luna sobre el material de la corteza terrestre y el océano. Estas fuerzas mareales hacen que el agua del océano fluya en dos protuberancias mareales en lados opuestos de la Tierra; cada día, la Tierra gira a través de estas protuberancias. Las mareas oceánicas reales se complican por los efectos adicionales del Sol y por la forma de las costas y cuencas oceánicas.
Glosario
- mareas
- subidas y bajadas alternas del nivel del mar causadas por la diferencia en la fuerza de la atracción gravitacional de la Luna en diferentes partes de la Tierra