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 siguiente imagen. Estas fuerzas difieren ligeramente entre sí porque la Tierra no es un punto, pero tiene un cierto tamaño: todas las partes no están igualmente distantes de la Luna, ni están exactamente en la misma dirección de la Luna. Además, la Tierra no es perfectamente rígida. Como resultado, las diferencias entre las fuerzas de 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. Por lo tanto, las fuerzas diferenciales tienden a estirar la Tierra ligeramente en un esferoide prolado (una forma de fútbol), con su largo diámetro apuntando hacia la Luna.
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| Tirón de la luna. La atracción diferencial de la Luna se muestra en diferentes partes de la Tierra. |
Si la Tierra estuviera hecha de agua, se distorsionaría hasta que las fuerzas diferenciales de la Luna sobre diferentes partes de su superficie se equilibraran con las propias fuerzas gravitacionales de la Tierra que la unían. Los cálculos muestran que en este caso, la Tierra se distorsionaría de una esfera en cantidades que varían hasta casi 1 metro. Las mediciones de la deformación real de la Tierra muestran que la Tierra sólida se distorsiona, pero solo alrededor de un tercio de lo que lo 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 máximo, a solo unos 20 centímetros, la Tierra no se distorsiona lo suficiente como para equilibrar las fuerzas diferenciales de la Luna con su propia gravedad. Por lo tanto, los objetos en la superficie de la Tierra experimentan pequeños tirones horizontales, que tienden a hacer que se deslicen. Estas fuerzas de aumento de la marea 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 que aumentan la marea, actuando durante varias horas, producen movimientos del agua que resultan en protuberancias de marea medibles en los océanos. El agua del lado de la Tierra que mira 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 también fluye para producir una protuberancia de marea.
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| Mareas en un océano "ideal". Las diferencias en la gravedad causan fuerzas de marea que empujan el agua en la dirección de las protuberancias de marea en la Tierra. |
Tenga en cuenta que las protuberancias de las mareas en los océanos no son el resultado de que la Luna comprima o expanda el agua, ni de que la Luna levante el agua "lejos de la Tierra". Por el contrario, son el resultado de un flujo real de agua sobre la superficie de la Tierra hacia las dos regiones debajo y opuestas a la Luna, lo que hace que el agua se acumule a mayores profundidades en esos lugares.
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| Mareas altas y bajas. Esta es una comparación lado a lado de la Bahía de Fundy en Canadá en mareas altas y bajas. |
En el modelo idealizado (y, como veremos, simplificado en exceso) que se acaba de describir, la altura de las mareas sería de solo 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 es llevado hacia las regiones debajo o enfrente de la Luna, donde el agua era más profunda, diría: "La marea está entrando"; cuando se lo lleva de esas regiones, el observador dice: "La marea está bajando". Durante un día, el observador sería llevado a través de dos bultos de marea (uno 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 en la subida de las mareas. Las mareas reales que experimentamos son una combinación del efecto más grande de la Luna y el efecto más pequeño del Sol. Cuando el Sol y la Luna están alineados (en luna nueva o luna llena), las mareas producidas se refuerzan entre sí y, por lo tanto, son mayores de lo normal. Estas se llaman mareas de primavera (el nombre está relacionado no con la estación sino con la idea de que las mareas más altas "surgen"). Las mareas de primavera son aproximadamente iguales, ya sea que el Sol y la Luna estén en el mismo lado o en lados opuestos de la Tierra, porque las protuberancias de marea ocurren en ambos lados. Cuando la Luna está en el primer cuarto o el último cuarto (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 muertas.
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| Mareas causadas por diferentes alineaciones del sol y la luna. (a) En las mareas de primavera, los tirones del Sol y la Luna se refuerzan mutuamente. (b) En las mareas muertas, el Sol y la Luna tiran en ángulo recto entre sí y las mareas resultantes son más bajas de lo habitual. |
La teoría "simple" de las mareas, descrita en los párrafos anteriores, sería suficiente si la Tierra girara muy lentamente y estuviera completamente rodeada de océanos muy profundos. Sin embargo, la presencia de masas de tierra 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. Por eso, en el mundo real, algunos lugares tienen mareas muy pequeñas, mientras que en otros lugares las mareas enormes se convierten en atracciones turísticas. Si ha estado en esos lugares, puede saber que las "tablas de mareas" deben calcularse y publicarse para cada ubicación; un conjunto de predicciones de marea no funciona para todo el planeta. En este capítulo introductorio, no profundizaremos en estas complejidades.
George Darwin y la desaceleración de la tierra
El roce de agua sobre la faz de la Tierra implica una enorme cantidad de energía. Durante largos períodos 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 estos pequeños cambios pueden sumar más de millones y miles de millones de años.
Aunque el giro de la Tierra se está ralentizando, el momento angular en un sistema como el sistema Tierra-Luna no puede cambiar. Por lo tanto, algún otro movimiento de giro debe acelerarse para tomar el momento angular adicional. Los detalles de lo que sucedió fueron elaborados hace más de un siglo por George Darwin, el hijo del naturalista Charles Darwin. George Darwin tenía un gran interés en la ciencia, pero estudió derecho durante seis años y fue admitido en el colegio de abogados. Sin embargo, nunca practicó derecho, regresó a la ciencia y finalmente se convirtió en profesor en la Universidad de Cambridge. Era un protegido de Lord Kelvin, uno de los grandes físicos del siglo XIX, y se interesó en la evolución a largo plazo del sistema solar. Se especializó en hacer cálculos matemáticos detallados (y difíciles) de cómo cambian las órbitas y los movimientos con el tiempo geológico.
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| George Darwin (1845-1912). George Darwin es mejor conocido por estudiar el giro de la Tierra en relación con el momento angular. |
Lo que Darwin calculó para el sistema Tierra-Luna fue que la Luna lentamente irá en espiral hacia afuera, lejos de la Tierra. A medida que se aleja, orbitará menos rápido (al igual que los planetas más alejados del Sol se mueven más lentamente en sus órbitas). Por lo tanto, el mes se alargará. Además, 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 continuarán alargándose, aunque tenga en cuenta que los efectos son muy graduales. Los cálculos de Darwin fueron confirmados por espejos colocados en la Luna por los astronautas del Apolo 11. Estos muestran que la Luna se está alejando 3,8 centímetros por año y que, en última instancia, miles de millones de años en el futuro, el día y el mes tendrán la misma longitud (aproximadamente 47 de nuestros días actuales). En este punto, la Luna estará estacionaria en el cielo sobre el mismo lugar en 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 alineación ya es cierto para la luna Carron de Plutón (entre otros). Su rotación y período orbital tienen la misma duración que un día en Plutón.
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