Het is een feit dat eb en vloed op aarde, ook wel de getijden genoemd, ontstaan door de zwaartekracht van de maan. Maar als de maanstand het getij bepaalt, waarom is er dan alleen getijde in de zee en niet in meren? Verder is het ook een, minder bekend, feit dat de zon bijdraagt aan het getij; alleen veel minder. Dit artikel gaat dieper in op de wisselwerking van zon, aarde en maan en verklaart het fenomeen eb en vloed.
De baan van de aarde en de maan
Een veelvoorkomende misvatting is dat de maan in een cirkel om de aarde draait. Hoewel dit een nuttige benadering is voor eenvoudige berekeningen, is het strikt genomen niet juist. De aarde en de maan draaien om een gezamenlijk massamiddelpunt. Bovendien is deze baan geen cirkel, maar een ellips. Dit geldt in het algemeen voor alle massa's in het heelal, waaronder ook de zon en de aarde.
Het massamiddelpunt van de onderlinge rotatie van aarde en maan ligt op ongeveer 4700 km uit het centrum van de aarde, dus net binnen het aardoppervlak. Voor de beeldvorming kan het echter geen kwaad om te stellen dat de maan om de aarde draait.
De rol van de zwaartekracht van de maan
Om te begrijpen hoe de maan voor eb en vloed zorgt, is het belangrijk om de gravitatieversnelling door de maan op verschillende punten van de aarde te beschouwen. We kijken naar drie punten: het centrum van de aarde (C), het punt Z (zenit) waar de maan recht boven je staat, en het punt N (nadir) waar de maan recht onder je staat. De richting van de versnellingen is langs de lijn die deze drie punten verbindt met het centrum van de maan.
De versnelling (kracht) is groter op het punt Z dan in het centrum (C), en weer groter in het centrum dan op punt N. Dit komt door het verschil in afstand tot de maan, volgens de gravitatiewet van Newton.
Wanneer we ons op het aardoppervlak bevinden en meebewegen met de aarde (C), is het vooral het verschil in versnelling dat we voelen. Dit verschil zorgt ervoor dat op de punten N en Z een naar buiten gerichte resulterende versnelling ontstaat. Dit betekent dat elke massa een kleine versnelling van het aardoppervlak af ondervindt.
De grootte van deze versnellingen is erg klein, ongeveer 10 miljoen keer kleiner dan de naar binnen gerichte valversnelling van de aarde zelf (in Nederland 9,81 m/s²). Toch is dit verschil cruciaal voor het ontstaan van de getijden.
Hoe ontstaat eb en vloed in de zee?
De getijden ontstaan doordat de aarde, aanvankelijk beschouwd als een solide bol met daarop een egale laag water, niet overal even sterk wordt aangetrokken door de maan. Water is vloeibaar en kan daardoor 'los' bewegen van het aardoppervlak. Dit leidt tot pieken en dalen in de dikte van de waterlaag, wat we waarnemen als getijden.
Om dit effect beter te begrijpen, stellen we ons de getijdenkracht voor in een punt op het aardoppervlak (punt A, 'bovenop' de bol). De kracht op het centrum van de aarde (FC) wordt vergeleken met de kracht van de maan op punt A (FM). De resulterende getijdenkracht (FT) is de combinatie van deze krachten. Door deze krachten ontstaan er twee waterbulten aan tegenovergestelde zijden van de aarde: één aan de kant waar de maan het sterkst trekt en één aan de tegenovergestelde kant, veroorzaakt door de centrifugale kracht.
De aarde draait in 24 uur om haar as, terwijl de waterbulten op de lijn naar de maan blijven gericht. Hierdoor draait het aardoppervlak als het ware onder deze bulten door. Dit verklaart waarom meren geen merkbaar getij hebben: de hoeveelheid water is te klein om een dergelijke stuwing te veroorzaken. Het minieme effect verdwijnt in de normale schommelingen van het wateroppervlak.
De invloed van de zon en de syzygy
Hoewel de maan de voornaamste oorzaak is van eb en vloed, draagt ook de zon bij aan het getij. De zwaartekracht van de zon is weliswaar veel groter dan die van de maan, maar de invloed op het getij is kleiner. Dit komt doordat de getijdenkracht wordt bepaald door het verschil in zwaartekracht over de aarddiameter. Dit verschil is bij de maan groter dan bij de zon.
Wanneer zon, aarde en maan in een lijn staan - tijdens volle maan of nieuwe maan - versterken de getijde-effecten van zon en maan elkaar. Zo'n oplijning van hemellichamen wordt een conjunctie genoemd. In het Engels heet dit fenomeen 'syzygy'. In deze samenstand zijn de getijden het sterkst: springtij.
Wanneer zon en maan haaks op elkaar staan, trekken ze het water in verschillende richtingen. Dit resulteert in minder extreme getijden, het zogenaamde doodtij.
De langetermijneffecten van eb en vloed
De interactie tussen de aarde en de maan door de getijdenkracht heeft ook langetermijneffecten. De aarde sleept als het ware de waterlaag mee, wat leidt tot wrijving. Volgens de derde wet van Newton oefent de aarde ook een kracht uit op de maan. Doordat de twee waterbulten niet exact symmetrisch zijn, ontstaat er een krachtcomponent die parallel loopt aan de bewegingsrichting van de maan rond de aarde. Dit zorgt ervoor dat de maan steeds langzamer om de aarde draait en een steeds grotere baan beschrijft. Het gevolg is dat de afstand tussen de aarde en de maan langzaam groeit.
Tegelijkertijd vertraagt de rotatie van de aarde om haar as door deze wrijving. Hierdoor worden de dagen langzaam langer, zij het in een zeer gering tempo (ongeveer 1 seconde per 50.000 jaar).
Getijdenkrachten bij andere hemellichamen
De getijdenkrachten zijn niet uniek voor de aarde en de maan. Ook bij andere hemellichamen kunnen deze krachten aanzienlijke effecten hebben. Een bekend voorbeeld is de komeet Shoemaker-Levy, die in juli 1992 door de getijdenkracht van Jupiter werd uiteengetrokken in 21 brokstukken. Deze brokstukken sloegen uiteindelijk in op Jupiter.
Historische en wetenschappelijke inzichten in getijden
Het verschijnsel eb en vloed is al lange tijd bekend. Al ruim voor onze jaartelling hielden mensen rekening met het getij, zoals blijkt uit een getijdendok in Lothal, India. Al in de oudheid was bekend dat het getij samenhangt met de positie van de maan. Plinius de Oudere gaf in 77 n.Chr. al een nauwkeurige beschrijving, waarbij hij zowel de zon als de maan als veroorzakers noemde.
Pas in de vroegmoderne tijd gingen wetenschappers de oorzaken verder onderzoeken. Galileo Galilei opperde in 1616 dat het getij werd veroorzaakt door het klotsen van water als gevolg van de rotatie van de aarde. René Descartes stelde rond 1630 dat het getij werd veroorzaakt door de druk van de ether.
De eerste die het getij verklaarde met behulp van de zwaartekracht was Isaac Newton in 1687. Zijn theorie werd later, in 1740, uitgebreid door Daniel Bernoulli tot het evenwichtsgetij. In 1776 stelde Pierre-Simon Laplace, met behulp van Newtons gravitatietheorie, de eerste dynamische theorie van het getij op. Met de ontwikkeling van de fourieranalyse door Joseph Fourier in 1822 werd het mogelijk om de afzonderlijke componenten van het getij te onderscheiden en het getij nauwkeurig te voorspellen.
Verschillende soorten getijden en hun voorspelling
De getijdenvormen worden grofweg onderverdeeld in dubbeldaags getij (twee keer hoog- en laagwater per dag), enkeldaags getij (één keer hoog- en laagwater per dag), en gemengd getij (een combinatie). De exacte voorspelling van het getij is complex en wordt beïnvloed door vele factoren, waaronder de afstand tot de evenaar, de waterdiepte, en de aanwezigheid en vorm van landmassa's.
Om het getij te voorspellen, wordt harmonische analyse toegepast op lange reeksen metingen van de waterhoogte. Hierbij worden de verschillende harmonische componenten (ook wel partiële getijden genoemd) geanalyseerd. Deze componenten, zoals het dubbeldaags maansgetij (M2) en het dubbeldaags zonsgetij (S2), hebben elk een eigen frequentie, fase en amplitude.
De dynamiek van de Waddenzee als voorbeeld
De Waddenzee is een uitstekend voorbeeld van de dynamiek van eb en vloed. De constante wisseling van de waterstand en de daarmee samenhangende getijstroming vormen een uniek ecosysteem. Bij hoogwater stroomt de Waddenzee vol, en bij laagwater valt een groot deel van de zeebodem droog.
Deze dynamiek beïnvloedt niet alleen de waterstand, maar ook de stroming, de branding en de golfslag. De zeestroming transporteert zand en slib, wat leidt tot de vorming van nieuwe landmassa's. Planten houden het slib vast, maar stormen kunnen dit land weer verwoesten. De wind blaast zand tegen graspolletjes, waardoor duinen ontstaan. De flora en fauna op het wad hebben zich aangepast aan deze sterk wisselende omstandigheden, waarbij dieren vaak een innerlijke klok hebben voor het getij.
De kracht van de getijstromingen (vloed- en ebstroom) kan leiden tot navloed of na-eb, waarbij de stroming nog enige tijd doorgaat nadat het hoogste of laagste punt is bereikt. De periode waarin de stroming verandert van richting wordt de kentering genoemd. Tijdens de kentering is de stroomsterkte gering.
De verschillen in de getijdencyclus per locatie zijn aanzienlijk. In Den Helder stroomt de ebstroom sneller dan de vloedstroom, terwijl het in Noordwijk omgekeerd is. Deze lokale verschillen, beïnvloed door bodemverschillen, kustvormen en andere factoren, maken het getijsysteem van bijvoorbeeld de Noordzee complex.
Springtij en doodtij: de invloed van de stand van zon en maan
De maandelijkse cyclus van de maan brengt twee keer springtij en twee keer doodtij met zich mee. Tussen deze extreme getijden liggen ongeveer zeven dagen.
- Springtij: Ontstaat wanneer de zon, de aarde en de maan op één lijn staan. De aantrekkingskrachten van zon en maan versterken elkaar, wat resulteert in hogere vloeden en lagere ebben. Dit effect is met name zichtbaar nabij de evenaar, maar het duurt ongeveer twee dagen voordat de vloedberg de Nederlandse Noordzee bereikt. Bij nieuwe maan is het springtij nog net wat hoger dan bij volle maan, omdat de zon en de maan dan aan dezelfde kant van de aarde staan.
- Doodtij: Ontstaat wanneer de zon en de maan haaks op elkaar staan ten opzichte van de aarde. De aantrekkingskrachten trekken het water in tegengestelde richtingen, waardoor de verschillen tussen eb en vloed kleiner zijn.
Wanneer de maan relatief dicht bij de aarde staat (een 'supermaan'), is de aantrekkingskracht nog groter en zijn de getijden extremer.
De invloed van wind op getijden
De getijstroom kan versterkt worden wanneer het getij en de wind dezelfde kant op gaan. Dit fenomeen, een 'zoper' genoemd, kan verraderlijk zijn omdat het wateroppervlak gladder wordt, waardoor de zee er veiliger uitziet. Dit effect treedt voornamelijk op wanneer stroming en wind evenwijdig aan de kust lopen. Bij tegengestelde stroming en wind is het risico minder, maar nog wel aanwezig, omdat het water onder het oppervlak de andere kant op kan stromen.
Zwaartekracht en centrifugale kracht
Het fenomeen eb en vloed is een direct gevolg van de zwaartekracht van de maan en de zon, maar ook van de centrifugale kracht. De zwaartekracht van de maan is sterker aan de kant van de aarde die naar de maan toegekeerd is, waardoor het water daar iets naar de maan wordt toegetrokken. Aan de andere kant van de aarde is de zwaartekracht van de maan zwakker. Hier wint de centrifugale kracht het, die ontstaat doordat de aarde en de maan om een gezamenlijk zwaartepunt draaien. Dit zwaartepunt ligt niet precies in het midden van de aarde, waardoor er een kracht ontstaat die het water van het draaipunt af beweegt.
De twee vloedbergen worden gescheiden door gebieden van laagtij (eb). Dit ritme van ongeveer 6 uur op en 6 uur neer zorgt voor de dagelijkse wisseling van eb en vloed.
De aarde draait in ongeveer 24 uur om haar as, wat leidt tot tweemaal daags hoogwater en tweemaal daags laagwater. De volledige cyclus duurt echter ongeveer 24 uur en 50 minuten, waardoor de tijden van hoog- en laagwater elke dag iets verschuiven.
Regionale verschillen in eb en vloed
Het verschil tussen eb en vloed is niet overal ter wereld hetzelfde. In gebieden waar de wateruitwisseling met de oceanen beperkt is, zoals de Middellandse Zee (via de Straat van Gibraltar), is het verschil nauwelijks zichtbaar. De Fundy Baai in Canada kent daarentegen het grootste verschil, met een variatie van wel vijftien meter.
Ook de tijdstippen van hoog- en laagwater verschillen per locatie. Dit wordt beïnvloed door de lokale omstandigheden, zoals de ligging van het strand, natuurlijke obstakels, en de diepte van de zeeën. De Noordzee is bijvoorbeeld een relatief ondiepe zee, wat het getijsysteem complex maakt.
De getijgolf die de Nederlandse kust bereikt, ontstaat in de Zuidelijke IJszee en doet er ongeveer twee dagen over om Nederland te bereiken. Deze golf splitst zich bij Groot-Brittannië, waarbij het deel dat via het Kanaal stroomt een grotere invloed heeft op het Nederlandse getij dan het deel dat via de zuidkust van Groot-Brittannië omhoog gaat.
De vloedlijn, de plek tot waar het water bij vloed komt, is op het strand goed zichtbaar, vooral bij laagwater. In Zeeland is dit verschil tussen hoog- en laagwater het grootst.