Fase Bulan, Pasang Surut dan Gerhana Dijelaskan

Fase: separuhnya selalu terang

Bulan tidak memancarkan cahaya sendiri; Matahari selalu menyinari separuh yang menghadapnya. Yang berubah sepanjang bulan adalah seberapa banyak separuh terang itu menghadap Bumi. Saat bulan baru, Bulan kira-kira berada di antara Bumi dan Matahari dan sisi terangnya menghadap ke arah lain; pada kuartal pertama Bulan berada 90° dari Matahari dan kita melihat separuh dari separuh yang terang, setengah piringan; saat purnama Bulan berseberangan dengan Matahari dan seluruh sisi terangnya menghadap kita. Bagian piringan yang terang adalah

k = (1 − cos E) ÷ 2

dengan E, elongasi, yaitu sudut antara Bulan dan Matahari dilihat dari Bumi. Tujuh hari setelah bulan baru E sekitar 85° dan k = (1 − 0,087) ÷ 2 = 46%. Siklus dari bulan baru ke bulan baru, bulan sinodis, lamanya 29,53 hari, dua hari lebih lama dari orbit 27,32 hari, karena Bumi sementara itu bergerak mengelilingi Matahari dan Bulan harus menyusul. Bayangan Bumi tidak berperan apa pun dalam fase.

Pasang surut: peregangan, bukan tarikan

Gravitasi melemah dengan jarak, jadi Bulan menarik lautan di sisi Bumi yang dekat sedikit lebih kuat daripada pusat Bumi, dan pusat sedikit lebih kuat daripada lautan yang jauh. Relatif terhadap pusat, air yang dekat tertarik ke Bulan dan air yang jauh tertinggal: dua tonjolan di sisi yang berseberangan. Selisih tarikan itu, gaya pasang, berkurang dengan pangkat tiga jarak. Bumi berputar di bawah tonjolan-tonjolan itu, jadi sebagian besar pantai mengalami dua kali air tinggi dan dua kali air rendah sehari, sekitar 50 menit lebih lambat setiap hari, karena Bulan sudah bergerak di orbitnya.

Tinggi tonjolan, seandainya lautan bisa mengambil bentuk idealnya (pasang setimbang), adalah

A = (M ÷ M_B) × (R_B ÷ d)³ × R_B

Untuk Bulan, 0,0123 × (6.371 ÷ 384.400)³ × 6.371 km = 0,36 m. Untuk Matahari, 27 juta kali lebih berat tetapi 389 kali lebih jauh, 333.000 × (6.371 ÷ 149,6 juta)³ × 6.371 km = 0,16 m, sedikit kurang dari separuh nilai Bulan. Pasang di suatu tempat adalah A dikali P₂(cos ψ) = (3 cos² ψ − 1) ÷ 2 untuk tiap benda, dengan ψ sudut dari tempat itu ke titik tepat di bawah Bulan atau Matahari: tertinggi pada ψ = 0° dan 180°, terendah pada 90°.

Pasang purnama dan pasang perbani

Saat bulan baru dan purnama, tonjolan Matahari segaris dengan tonjolan Bulan, dan pasangnya saling menambah: pasang purnama, dengan amplitudo sekitar 0,36 + 0,16 = 0,52 m menurut teori setimbang. Saat kuartal, kedua pasang tonjolan bersudut siku-siku dan sebagian saling meniadakan: pasang perbani, 0,36 − 0,16 = 0,20 m. Jadi tunggang pasang berubah dengan faktor sekitar 2,6 setiap dua minggu.

Jarak Bulan juga berpengaruh. Orbitnya elips, dari sekitar 356.500 km di perige sampai 406.700 km di apoge, dan karena gaya pasang sebanding dengan 1 ÷ d³, pasang Bulan sekitar 49% lebih kuat di perige daripada di apoge. Pasang purnama di perige disebut pasang purnama perige atau pasang raja (king tide), yang bersama gelombang badai menimbulkan banyak banjir pesisir.

Gerhana

Orbit Bulan miring 5,14° terhadap bidang orbit Bumi. Pada sebagian besar bulan baru Bulan lewat di atas atau di bawah Matahari dilihat dari Bumi, dan pada sebagian besar purnama di atas atau di bawah bayangan Bumi. Gerhana memerlukan bulan baru atau purnama di dekat salah satu dari dua simpul, tempat kedua orbit berpotongan:

• Gerhana Matahari saat bulan baru, bila Bulan berada dalam jarak sekitar 1,5° dari Matahari. Bila piringan Bulan tampak lebih besar daripada piringan Matahari (terjadi ketika Bulan lebih dekat dari sekitar 380.000 km) gerhananya bisa total; bila lebih kecil, cincin, dengan lingkaran Matahari yang tersisa.
• Gerhana Bulan saat purnama, bila Bulan berada dalam jarak sekitar 1° dari pusat bayangan Bumi. Pada gerhana Bulan total, Bulan memerah, hanya disinari cahaya Matahari yang dibelokkan oleh atmosfer Bumi, cahaya dari semua matahari terbenam di dunia.

Matahari segaris dengan simpul setiap 173,3 hari, musim gerhana yang berlangsung sekitar sebulan, jadi setidaknya ada empat gerhana setahun, gerhana Matahari dan Bulan. Garis simpul sendiri berputar sekali setiap 18,6 tahun, dan Matahari kembali ke simpul yang sama setiap 346,6 hari, yaitu tahun gerhana.

Memakai simulasi

Di Simulator Fase Bulan, Pasang Surut dan Gerhana, Matahari bersinar dari kanan. Jalankan satu bulan dan perhatikan sisi Bulan yang terang serta ikon fase di grafik. Lapisan biru menunjukkan tonjolan lautan, dibesar-besarkan puluhan ribu kali; titik merah adalah alat ukur pasang surut yang pasangnya selama sebulan ke depan tampil di grafik. Yang bisa dicoba:

• Perhatikan grafik: pasang harian membesar menjadi pasang purnama dekat bulan baru dan purnama, dan mengecil menjadi pasang perbani saat kuartal.
• Hapus centang orbit elips: semua pasang purnama menjadi sama tinggi. Bila dicentang, pasang yang dekat perige lebih besar.
• Geser alat ukur ke arah kutub: pasang mengecil, karena dalam model ini Bulan dan Matahari tetap di atas khatulistiwa.
• Geser sudut simpul sampai gerhana berikutnya dekat, lalu jalankan sampai saat itu: Bulan memerah, atau bayangannya melintasi Bumi.

Apa yang diasumsikan model

• Pasang setimbang. Lautan adalah lapisan mulus yang menutupi seluruh Bumi dan seketika mengambil bentuk gaya pasang. Ini model Newton; model ini tepat soal penyebab, dua tonjolan, dan siklus purnama-perbani.
• Matahari, Bulan, dan alat ukur berada dalam satu bidang dengan khatulistiwa untuk pasang surut. Sebenarnya keduanya bergeser sampai 28,6° ke utara dan selatan, sehingga dua pasang harian biasanya tidak sama.
• Orbit Bulan yang sederhana: elips dengan eksentrisitas 0,0549 dan perige setiap 27,55 hari, garis simpul yang melewati Matahari setiap 346,6 hari, dan kemiringan 5,14°. Orbit sebenarnya diganggu Matahari dengan banyak cara lain yang lebih kecil.
• Batas gerhana yang dikira-kira, diukur dari pusat Bumi (1,5° untuk gerhana Matahari sebagian di suatu tempat, 0,94° untuk gerhana total atau cincin, 1,0° dan 0,45° untuk gerhana Bulan sebagian dan total). Batas sebenarnya berubah beberapa persepuluh derajat menurut jaraknya.
• Tidak berskala. Bulan digambar jauh lebih dekat dan Bumi serta Bulan jauh lebih besar daripada aslinya; Matahari tampak dekat, padahal sebenarnya 390 kali lebih jauh daripada Bulan. Kemiringan orbit Bulan digambar empat kali lebih curam agar terlihat.
• Fase dinamai menurut umur, dengan bulan baru, kuartal, dan purnama masing-masing diberi sekitar satu hari di sekitar saat tepatnya.

Kasus batas

• Di kutub pasang dalam model ini berupa pergeseran kecil yang tetap tanpa naik turun harian, karena tonjolan tetap di atas khatulistiwa.
• Pada lintang 35,3°, tempat cos² φ = 2/3, rata-rata harian pasang setimbang sama dengan bila tanpa pasang; lebih dekat ke khatulistiwa rata-ratanya naik, lebih dekat ke kutub turun. Tunggang pasang dua kali sehari sendiri mengecil secara bertahap ke arah kutub.
• Bulan baru tidak selalu tak terlihat: sehari atau dua hari sebelum atau sesudahnya, sabit tipis tampak rendah di langit senja atau fajar, dan cahaya Bumi menerangi bagian gelapnya dengan samar.
• Gerhana total dan cincin bergantung pada jarak Bulan; di dekat 380.000 km gerhananya bisa hibrida, total di sebagian jalur dan cincin di sisanya.

Di mana model tidak lagi berlaku

• Pasang surut sungguhan ditentukan bentuk lautan. Air tidak bisa mengikuti Bulan mengelilingi Bumi; air berayun di cekungan, beresonansi di sebagian dan saling meniadakan di yang lain. Pasang berputar mengelilingi titik amfidromik yang hampir tanpa pasang, dan diperkuat di corong: lebih dari 15 m di Teluk Fundy, kurang dari 30 cm di sebagian besar Laut Tengah. Teori setimbang tidak bisa memprediksi pasang setempat.
• Waktu. Air tinggi di sebagian besar pelabuhan terjadi berjam-jam dari saat Bulan melintasi meridian, dan pasang purnama biasanya datang sehari atau dua hari setelah bulan baru dan purnama (umur pasang). Tabel pasang surut berasal dari pengukuran puluhan tahun yang diuraikan menjadi puluhan komponen harmonik, bukan dari rumus ini.
• Pasang tunggal. Beberapa pantai, seperti sebagian Teluk Meksiko, hanya mengalami satu pasang sehari, karena deklinasi Bulan dan bentuk cekungannya; model ini selalu memberi dua.
• Cuaca menambahkan gelombang badai dan perubahan tekanan udara satu meter atau lebih; angin dan sungai juga mengubah muka air.
• Gerhana memerlukan efemeris yang tepat. Dari mana gerhana terlihat dan berapa lama berlangsung bergantung pada rincian yang jauh lebih halus daripada model ini; model ini hanya menyatakan apakah gerhana terjadi.

Simulasi terkait

Simulator Musim dan Panjang Siang menampilkan kemiringan Bumi dan orbitnya mengelilingi Matahari, dan Simulator Orbit menunjukkan bagaimana orbit elips muncul dari gravitasi.