เอกภพและกาแล็กซี-ข้างขึ้นข้างแรมกับการเกิดน้ำขึ้นน้ำลง ฟิสิกส์ ดาราศาสตร์
การเกิดข้างขึ้น-ข้างแรม
เฟสของดวงจันทร์ ดิถีของดวงจันทร์ หรือการเกิดข้างขึ้นข้างแรม เกิดจากการที่ดวงจันทร์ซึ่งโคจรรอบโลกทำมุมระหว่างดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลก แตกต่างกันออกไป ทำให้เราที่ยืนอยู่บนโลก มองเห็นดวงจันทร์ที่มีส่วนสว่างไม่เท่ากันในแต่ละคืน เปรียบได้กับการสังเกตลูกบอลที่หันเข้าหาแสงไฟในยามค่ำคืน จากด้านหลัง ด้านข้าง และด้านหน้า เราก็จะพบเห็นส่วนที่สว่างด้วยแสงไฟเป็นสัดส่วนที่เปลี่ยนแปลงไป เฟสของดวงจันทร์ในช่วงเวลาต่าง ๆ
คนไทยแบ่งเดือนทางจันทรคติ (Lunar month) ออกเป็น 30 วัน คือ วันขึ้น 1 ค่ำ – วันขึ้น 15 ค่ำ และ วันแรม 1 ค่ำ – วันแรม 15 ค่ำ โดยถือให้วันขึ้น 15 ค่ำ (ดวงจันทร์สว่างเต็มดวง), วันแรม 15 ค่ำ (ดวงจันทร์มืดทั้งดวง), วันแรม 8 ค่ำ และวันขึ้น 8 ค่ำ (ดวงจันทร์สว่างครึ่งดวง) เป็นวันพระ
- วันแรม 15 ค่ำ (New Moon): เมื่อดวงจันทร์อยู่ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์หันด้านเงามืดเข้าหาโลก ตำแหน่งปรากฏของดวงจันทร์อยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์ แสงสว่างของดวงอาทิตย์ ทำให้เราไม่สามารถมองเห็นดวงจันทร์ได้เลย
- วันขึ้น 8 ค่ำ (First Quarter): เมื่อดวงจันทร์เคลื่อนมาอยู่ในตำแหน่งมุมฉากระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ทำให้เรามองเห็นด้านสว่างและด้านมืดของดวงจันทร์มีขนาดเท่ากัน
- วันขึ้น 15 ค่ำ หรือ วันเพ็ญ (Full Moon): ดวงจันทร์โคจรมาอยู่ด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์หันด้านที่ได้รับแสงอาทิตย์เข้าหาโลก ทำให้เรามองเห็นดวงจันทร์เต็มดวง
- วันแรม 8 ค่ำ (Third Quarter): ดวงจันทร์โคจรมาอยู่ในตำแหน่งมุมฉากระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ทำให้เรามองเห็นด้านสว่างและด้านมืดของดวงจันทร์มีขนาดเท่ากัน
วิธีสังเกตข้างขึ้นข้างแรม
คนโบราณมองเห็นพื้นที่สีคล้ำซึ่งเต็มไปด้วยหลุมอุกาบาตบนดวงจันทร์เป็นรูปกระต่าย ดังภาพที่ 2 เราสามารถใช้รูปกระต่ายบนดวงจันทร์ช่วยสังเกตข้างขึ้นข้างแรมได้ดังนี้
- วันขึ้น 15 ค่่ำ (Full Moon): ดวงจันทร์อยู่ทางด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ เราจะมองเห็นดวงจันทร์เต็มดวง ขึ้นที่ขอบฟ้าด้านทิศตะวันออกเวลาประมาณ 6 โมงเย็น
- ข้างแรม (Waning Moon): เนื่องจากดวงจันทร์โคจรรอบโลก 1 รอบใช้เวลา 29.5 วัน ทำให้เรามองเห็นดวงจันทร์ขึ้นช้าวันละ 50 นาที หรือประมาณ 12 องศา เราจึงมองเห็นดวงจันทร์ตอนเย็นก่อนดวงอาทิตย์ตก และเห็นหัวกระต่าย เสี้ยวของดวงจันทร์บางขึ้นจนกระทั่งมืดหมดทั้งดวงในวันแรม 15 ค่ำ
- วันแรม 15 ค่ำ (New Moon): ดวงจันทร์อยู่ระหว่างดวงอาทิตย์กับโลก เราจึงมองเห็นแต่เงามืดของดวงจันทร์ ดวงจันทร์จะขึ้นและตกพร้อมๆ กับดวงอาทิตย์
- ข้างขึ้น (Waxing Moon): เราจะมองเห็นดวงจันทร์ตอนรุ่งเช้าก่อนดวงอาทิตย์ขึ้น และไม่เห็นหัวกระต่าย เสี้ยวของดวงจันทร์จะหนาขึ้นจนกระทั่งสว่างเต็มดวงในวันขึ้น 15 ค่ำ
น้ำขึ้นน้ำลงคือปรากฏการณ์ที่ระดับน้ำทะเลสูงขึ้น และลดลงเป็นช่วงๆในแต่ละวัน โดยเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงจันทร์และโลก น้ำขึ้นจะเกิดบนผิวโลกบริเวณที่มีตำแหน่งใกล้ดวงจันทร์และตรงกันข้ามกับตำแหน่งของดวงจันทร์ ส่วนน้ำลงเกิดในพื้นที่บนโลกที่มีพื้นที่ตั้งฉากกับตำแหน่งของดวงจันทร์ เมื่อโลกหมุนรอบตัวเองพื้นที่บนโลกที่มีตำแหน่ง ใกล้ ตรงกันข้าม หรือตั้งฉากกับดวงจันทร์จะมีการเปลี่ยนตำแหน่งไป จึงทำให้พื้นที่หนึ่งๆเกิดน้ำขึ้น น้ำลงวันละ 2 ครั้ง
โดยปกติน้ำทะเลขึ้นวันละ 2 ครั้งและลงวันละ 2 ครั้ง โดยมีช่วงเวลาระหว่างการขึ้น – การลงประมาณ 6 ชั่วโมง 12 นาที ทำให้น้ำขึ้นครั้งแรกถึงครั้งถัดไปห่างกันประมาณ 12 ชั่วโมง 25 นาที และวันถัดไปน้ำจะขึ้นช้าวันละประมาณ 50 นาที เพราะดวงจันทร์เคลื่อนไปอยู่ทางตะวันออกของจุดเดิมเกือบ 13 องศา
การที่วัตถุใดๆจะเคลื่อนที่ได้จะต้องมีแรงมากระทำกับวัตถุนั้น ในกรณีนี้ น้ำในส่วนต่างๆของโลกถูกทำให้เคลื่อนที่โดยแรงโน้มถ่วง (Gravity) ที่เกิดขึ้นจากดวงจันทร์ แรงโน้มถ่วงจากทั้งโลกและดวงจันทร์กระทำซึ่งกันและกัน ทำให้ดวงจันทร์ (คล้ายกับ) โคจรรอบโลก หรือถ้าจะกล่าวให้ถูกต้องก็คือ ทำให้โลกและดวงจันทร์โคจรรอบศูนย์กลางมวลร่วมกัน แต่แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่มีขนาดแปรผกผันกับค่ากำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุ ดังนั้น แรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างโลกและดวงจันทร์จึงมีค่าไม่เท่ากันในแต่ละตำแหน่งบนพื้นผิวของโลกและดวงจันทร์ เรียกว่าเป็นแรงไทดัล (Tidal force)
รูปที่ 1 แรงโน้มถ่วงระหว่างโลกและดวงจันทร์มีค่าไม่เท่ากันในแต่ละตำแหน่งเรียกเป็นแรงไทดัล
แรงไทดัลทำให้รูปร่างของโลกและดวงจันทร์ไม่เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ ทำให้โลกมีรูปร่างแป้น คือมีรัศมีในแนวเส้นศูนย์สูตรมากกว่ารัศมีในแนวขั้วโลกเล็กน้อย และทำให้ดวงจันทร์หันด้านเดียวเข้าหาโลกตลอดเวลา มีแก่นกลางที่ไม่อยู่ในตำแหน่งใจกลาง แต่ค่อนมาทางโลกเล็กน้อย และด้วยเหตุนี้เอง น้ำ ซึ่งเป็นองค์ประกอบถึง 2 ใน 3 ของพื้นโลก และเป็นของไหล (Fluid) ที่เคลื่อนที่ไหลเวียนไปได้ทั่วทั้งโลก จึงแสดงผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ให้เห็นอย่างเด่นชัด น้ำที่อยู่ด้านใกล้กับดวงจันทร์จะถูกแรงดึงดูดดึงเข้าไปหาดวงจันทร์มากกว่าน้ำที่อยู่อีกซีกโลกหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 2 และแสดงด้วยเส้นสีแดงในรูปที่ 3
รูปที่ 2 แรงไทดัลที่ตำแหน่ง A มีค่ามากกว่าที่ตำแหน่ง B และที่ตำแหน่ง C แรงไทดัลมีค่าน้อยที่สุด
รูปที่ 3 แรงน้ำขึ้นน้ำลงที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงที่ดวงจันทร์กระทำต่อโลกในจุดต่างๆ แสดงด้วยเส้นสีแดง ความเฉื่อยของโลกที่เกิดจากการเคลื่อนที่รอบจุดศูนย์มวลของโลกซึ่งแสดงด้วยลูกศรสีน้ำเงินและผลลัพท์ของแรงทั้งสองทำให้เกิดน้ำขึ้นทั้งในด้านที่หันเข้าหาดวงจันทร์และด้านตรงกันข้าม
ทำให้ด้านที่อยู่ใกล้กับดวงจันทร์เกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้น (High tide) แต่ในขณะเดียวกัน ที่ด้านตรงข้ามกันบนโลก ก็จะเกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้นเช่นกัน ทั้งนี้เพราะการเคลื่อนที่ของโลกรอบจุดศูนย์มวล (barycenter) ของระบบโลกและดวงจันทร์ ทำให้โลกเสมือนถูกกระทำด้วยแรงสู่ศูนย์กลางที่เท่ากันทุกตำแหน่งบนโลก (หรืออาจกล่าวได้ว่าเกิดจากความเฉื่อยของโลกเอง) แสดงแรงดังกล่าวด้วยลูกศรสีน้ำเงินในรูปที่ 3 เมื่อรวมผลลัพท์ของแรงทั้งสองจะได้ผลเป็นแรงที่แสดงด้วยลูกศรสีเขียวในรูปที่ 3 เป็นผลให้น้ำที่อยู่อีกด้านหนึ่งที่อยู่ไกลจากดวงจันทร์มากที่สุดเกิดน้ำขึ้นเช่นกัน
ตำแหน่งที่น้ำขึ้นทั้งสองผ่านจุดศูนย์กลางของโลก ดังนั้น ในขณะที่ดวงจันทร์โคจรไปรอบโลก ตำแหน่งต่างๆบนโลกก็จะเกิดน้ำขึ้นสองครั้ง คือเมื่อดวงจันทร์อยู่เหนือบริเวณนั้น และอยู่ใต้บริเวณนั้นพอดี และ เกิดน้ำลงสองครั้งในช่วงเวลาระหว่างน้ำขึ้นแต่ละครั้ง โดยความแตกต่างของระดับน้ำระหว่างการเกิดน้ำขึ้นและน้ำลง อาจสูงถึง 15 เมตร ในทะเลเปิดที่มีลักษณะแคบและยาว หรือเพียงแค่ 1 เมตร ในทะเลทั่วไป
ดวงอาทิตย์ก็มีบทบาทต่อการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงเช่นกัน เพราะดวงอาทิตย์ก็มีแรงโน้มถ่วง แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์อยู่ไกลจากโลกมาก ผลของแรงไทดัลของดวงอาทิตย์ที่มีต่อการเกิดน้ำขึ้นน้ำลงบนโลกจึงมีแค่เพียงครึ่งหนึ่งของผลจากดวงจันทร์เท่านั้น ในวันเพ็ญ (ขึ้น 15 ค่ำ) หรือวันเดือนมืด (แรม 15 ค่ำ) ดวงจันทร์ โลกและดวงอาทิตย์จะอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน ทำให้แรงไทดัลจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์เสริมหรือหักล้างกันมากที่สุด
ดังนั้น ในวันทั้งสองนี้ น้ำจึงขึ้นสูงที่สุดและลดลงต่ำที่สุด เรียกว่าเป็น น้ำเกิด (Spring tide) (คำว่า Spring ในชื่อภาษาอังกฤษ ไม่ได้หมายถึงฤดูใบไม่ผลิแต่อย่างใด แต่มาจากภาษาเยอรมัน Springen หมายถึง สูงขึ้น) น้ำจะขึ้นสูงสุดและลดลงต่ำสุดเดือนละสองวัน
ส่วนในวันขึ้น 7 (หรือ 8) ค่ำ และแรม 7 (หรือ 8) ค่ำ ดวงจันทร์จะทำมุมตั้งฉากกับดวงอาทิตย์เมื่อมองจากโลก ทำให้แรงไทดัลจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์หักล้างกัน น้ำจึงขึ้นต่ำที่สุดและลงน้อยที่สุด หรือมีความแตกต่างของระดับน้ำที่ขึ้นและลงน้อยที่สุด เรียกว่าเป็น น้ำตาย (Neap tide) ซึ่งจะเกิดขึ้นเดือนละสองวันเช่นกัน
รูปที่ 4 แรงไทดัลที่เกิดขึ้นเนื่องจากดวงอาทิตย์ทำให้เกิดน้ำขึ้นและน้ำลงสูงสุด หรือที่เรียกว่าน้ำเกิดและน้ำตาย
แรงไทดัลไม่เพียงแต่ทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลงเท่านั้น แต่ยังทำให้โลกหมุนช้าลงทุกวันด้วย เนื่องจากน้ำถูกแรงไทดัลดึงให้เคลื่อนที่ไปตามการโคจรของดวงจันทร์ ในขณะที่โลกก็โคจรรอบตัวเอง ทำให้เกิดแรงเสียดทานระหว่างเปลือกโลกและน้ำ แรงเสียดทานนี้ ทำให้ตำแหน่งที่จะเกิดน้ำขึ้นเลื่อนนำการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ไป ในขณะที่ดวงจันทร์ก็พยายามดึงให้ตำแหน่งน้ำขึ้นอยู่ใต้ดวงจันทร์ แรงดึงนี้ส่งผลให้โลกหมุนรอบตัวเองช้าลง ด้วยอัตราประมาณ 2 มิลลิวินาทีต่อศตวรรษ นั่นหมายถึง เมื่อประมาณ 500 ล้านปีมาแล้ว โลกหมุนรอบตัวเองใช้เวลาเพียง 21 ชั่วโมง และมีถึง 410 วันในหนึ่งปี และโลกในยุคเริ่มแรกนั้น 1 วันสั้นเพียง 6 ชั่วโมงเท่านั้น
ในอนาคตต่อจากนี้ไป โลกจะหมุนรอบตัวเองช้าลงเรื่อยๆ จนในที่สุด เมื่ออัตราการหมุนรอบตัวเองของโลกสอดคล้องกับการโคจรของดวงจันทร์ ที่ 47 วัน ดวงจันทร์จะปรากฏที่ตำแหน่งเดิมบนโลกเสมอ และจะเกิดความแตกต่างระหว่างน้ำขึ้นและน้ำลงเพียงเล็กน้อย เพราะได้รับแรงไทดัลจากดวงอาทิตย์เท่านั้น และเนื่องจากระบบโลกและดวงจันทร์จะต้องมีการอนุรักษ์พลังงานภายใน ทำให้ในขณะที่โลกโคจรช้าลงเรื่อยๆ ดวงจันทร์จะเคลื่อนที่ออกห่างจากโลกเรื่อยๆเช่นกัน
