Theo giải thích của Newton, thủy triều liên quan đến lực hấp dẫn của các thiên thể, trong đó mặt trời, mặt trăng và trái đất đóng vai trò quan trọng nhất. Hình 5-2 biểu diễn chuyển động của hệ thống mặt trời.
Sự chuyển động của hệ thống mặt trời như sau:
• Trái đất chuyển động quanh mặt trời khoảng 365 ngày
• Mặt trăng chuyển động quanh trái đất khoảng 27.3 ngày
• Trái đất tự quay xung quanh trục của nó 24 giờ
Hình 5-2: Chuyển động của hệ mặt trời và nguồn gốc của thủy triều
Để đơn giản hóa giải thích nguồn gốc của thủy triều, chúng ta nghiên cứu hệ thống mặt trăng - trái đất (hình 5-3) với các giả thiết sau:
a. Toàn bộ trái đất được bao phủ bởi một lớp nước
b. Quĩ đạo mặt trăng nằm trên mặt phẳng đi qua xích đạo của trái đất c. Trái đất không quay
Hình 5-3: Sơ đồ hóa hệ thống mặt trăng - trái đất
Hệ thống trái đất - mặt trăng có trọng tâm chung là điểm A. Nói một cách khác, hệ thống quay quanh điểm A trong khoảng thời gian xấp xỉ 27 ngày. Trong quá trình quay, 2 hành tinh ảnh hưởng tới nhau thông qua lực trọng trường và lực này phải cân bằng với lực ly tâm. Rõ ràng các lực này sẽ làm biến dạng lớp nước bao phủ trên mặt trái đất (giả thiết a), với hình dạng của nó như trên hình 5-4
Hình 5-4: Nước bao phủ bề mặt trái đất theo các giả thiết phần trên
Từ hình 5-4, có thể thấy có một số dạng thủy triều. Bây giờ, 2 giả thiết có sự điều chỉnh như sau: Giả thiết mặt trăng chuyển động trên mặt phẳng qũy đạo của trái đất không đúng thực tế; trục trái đất nghiêng 1 góc là 6605 (Tính trung bình) với mặt phẳng qũy đạo mặt trăng. Giả thiết trái đất không quay cũng không thực tế, vì trái đất quay quanh mặt trời.
Hình 5-5 cho biết sự biến dạng của lớp nước, khi thay đổi các giả thiết này.Khi quan sát điểm B trên hình 5-5, rõ ràng rằng có hai điểm nước cao và 2 điểm nước thấp trong khoảng thời gian 24 giờ. Thủy triều tại điểm B được gọi là bán nhật triều.
Nguyên tắc cơ bản của triều mặt trăng được trình bày và một số đặc điểm thể hiện trên hình 5-1 được giải thích. Nửa đầu của chu kỳ bán nhật triều dài hơn 12 giờ. Điều này có thể giải thích như sau: Chu kỳ triều bị chi phối bởi 2 chuyển động (i) sự quay của trái đất và (ii) sự quay của mặt trăng quanh trái đất.
Hình 5-5: Nước bao phủ trên bề mặt trái đất khi trái đất và mặt trăng chuyển động trong hệ thống
Với việc quay quanh trái đất (24 giờ), mặt trăng còn chuyển động trên qũi đạo của nó.
Do vậy, ở vị trí xác định trên bề mặt đất đối diện với mặt trăng, khoảng thời gian lớn hơn 24 giờ để thấy lại mặt trăng đối diện với trái đất ở điểm đó. Mặt khác mặt trăng chuyển động xung quanh trái đất một vòng trong khoảng thời gian 27.3 ngày. Như vậy trong 1 ngày mặt trăng chuyển động được góc tương ứng 1/27.3 của 3600, hay xấp xỉ 130 trên mặt phẳng qũi đạo của nó. Đối với điểm xem xét trên bề mặt trái đất, điều đó cũng có nghĩa là vị trí đối diện của mặt trăng trong ngày tiếp theo chậm hơn một khoảng thời gian bằng (13/360) * 24 giờ, hay khoảng 50 phút so với ngày hôm trước (điều này giải thích điểm đỉnh hay chân triều chậm dần khoảng 50 phút mỗi ngày.
Chẳng hạn hôm nay đỉnh triều tại vị trí A xảy ra lúc 11giờ sáng thì ngày mai sẽ xảy ra vào lúc 11giờ 50). Trong trường hợp bán nhật triều khoảng thời gian chỉ là một nửa hay 24h50/2 = 12h25.
Tuy nhiên cũng cần nhấn mạnh rằng giá trị trên chỉ là trung bình và thay đổi theo thời gian trong tháng vì qũi đạo của mặt trăng là một elip. Hơn nữa, vì ảnh hưởng tổng hợp của mặt trăng và mặt trời nên trong thực tế khoảng thời gian lặp lại của thủy triều tại khu vực triều cao ngắn hơn 50 phút và ở khu vực triều kém dài hơn 50 phút.
Đặc điểm thứ 2 trong hình 5-1 là độ lớn của hai đỉnh triều hay chân triều liên tiếp không bằng nhau. Điều này có thể giải thích do độ nghiêng của trục trái đất. Sự khác nhau này được gọi là hiện tượng không bằng nhau ngày.
Bằng một số giả thiết, các hiện tượng thủy triều được giải thích khá rõ ràng. Tuy nhiên, một giả thiết không chính xác đó là giả thiết toàn bề mặt trái đất được phủ một lớp nước. Trong thực tế trên bề mặt trái đất có sự phân bố biển và lục địa nên một phần trái đất không có nước. Thực tế có một vành đai biển bao quanh hoàn toàn vòng vĩ tuyến của trái đất. Đó là vòng vĩ tuyến từ 63 đến 640S gần với nam cực. Trong khu vực này thủy triều hình thành như các lực đã trình bày ở trên. Từ đây, các sóng triều chuyển động lên hướng bắc qua đại dương.
Hình 5-6: Các dạng thủy triều hình thành trên thế giới
Hình 5-6 biểu diễn các dạng triều. Bán nhật triều (một dạng triều phổ biến trên thế giới), nhật triều và triều hỗn hợp là các dạng cơ bản đã quan trắc được. Để giải thích được tại sao tại một vị trí lại chỉ gặp 1 trong 3 loại triều nêu trên là một vấn đề rất khó.
Thủy triều nếu đi vào các đại dương từ phương nam thường bị phản xạ lại bởi các lục địa và bị tiêu hao một phần khi đi vào vùng nước nông, tăng biên độ khi chuyển động giữa các vùng đất gây trở lại cho thủy triều hình thành ở phía bên kia của đất liền.
Hình 5-7: Đường quá trình triều
Trước đây, chỉ có ảnh hưởng của mặt trăng được nghiên cứu. Tuy nhiên vai trò của mặt trời cũng tương tự như của mặt trăng tác động lên các khối nước trên bề mặt trái đất, mặc dù ảnh hưởng của mặt trời đến thủy triều trái đất chỉ bằng 46% ảnh hưởng của mặt trăng. Xem xét thủy triều xảy ra ở trái đất chịu ảnh hưởng các quĩ đạo elliptic của cả mặt trăng và mặt trời thì thủy triều sinh ra có độ lớn không bằng nhau và chu kỳ dài hơn cũng cần được nghiên cứu.
Cuối cùng, qũi đạo nghiêng của mặt trăng và mặt trời cũng không phải là luôn luôn không đổi và đã tác dụng lên thủy triều trái đất. Chẳng hạn, thủy triều ở Indonesia ở rất nhiều địa phương là nhật triều, trong khi dọc theo bờ biển Việt nam, nhật triều và bán nhật triều xen kẽ nhau hay bờ biển Hà Lan thì bán nhật triều chiếm ưu thế.
Một vấn đề cần nghiên cứu về thủy triều là triều cao và triều kém, sự thay đổi về độ lớn triều khi xét tới vị trí tương đối của trái đất và mặt trăng (hình 5-7). Để giải thích điều này, cần thiết phải có một cái nhìn khác vào hệ mặt trời như biểu diễn ở hình 5-8.
Từ hình này có thể thấy như sau:
• Vào thời điểm bắt đầu có trăng và trăng tròn, các lực tạo triều của mặt trăng và mặt trời cùng phương, cùng chiều nên mực nước là lớn nhất (cao hơn so với trung bình)
• Khi mặt trăng ở cuối tuần đầu và cuối tuần thứ 3, các lực tạo triều ngược nhau, mực nước thấp hơn so với trung bình.
Từ hình 5-7 có thể thấy rằng triều cường và triều kém xảy ra chậm hơn so với vị trí đối diện của mặt trăng so với vị trí ban đầu. Đó là vì khoảng thời gian cần thiết để sóng triều chuyển động từ điểm hình thành (vùng nam cực) đến địa điểm xem xét. Khoảng thời gian này được gọi là tuổi triều.
Hình 5-8: Chuyển động của hệ thống mặt trời, trái đất, mặt trăng và sự hình thành thủy triều
Tóm lại, thủy triều có các đặc tính cơ bản sau đây:
• Nhật triều: Một lần nước cường và 1 lần nước kém trong 24 giờ 50 (trung bình).
• Bán nhật triều: 2 lần nước cường và 2 lần nước kém xảy ra liên tiếp nhau với chu kỳ 12 giờ 25 phút (tính trung bình).
• Triều hỗn hợp là dạng hỗn hợp của 2 loại trên
Loại thủy triều tại một vị trí là rất quan trọng vì nó cho biết trước khi nào nước cường và nước kém xảy ra ở một vị trí xác định
Sự không bằng nhau về mực nước giữa các chu kỳ liên tiếp trong bán nhật triều và triều hỗn hợp cũng là một đặc trưng quan trọng
Mực nước triều cường là mực nước lớn nhất (so sánh với giá trị trung bình) xảy ra sau thời điểm bắt đầu có mặt trăng và điểm trăng tròn.
Mực nước triều kém là mực nước thấp hơn mực nước trung bình xảy ra sau thời điểm cuối tuần thứ nhất và cuối tuần thứ 3 của mặt trăng (hình 5-8).