Приливы в Мировом океане

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приливы в Мировом океане



1. Понятие о приливах

Приливы - это сердцебиение океана, пульс, ощущаемый во всем мире.

Альберт Дефант немецкий океанограф

Приливами (приливными колебаниями уровня) в Мировом океане называются динамические и физико-химические процессы в водах морей и океанов, вызванные приливообразующими силами Луны и Солнца.

Приливы наблюдаются не только в водной оболочке Земли. Установлены приливные деформации твердого тела Земли и приливные колебания атмосферного давления. Действие приливов сказывается в изменениях некоторых характеристик высоких слоев атмосферы и глубинных слоев океанов. С приливами в атмосфере и гидросфере связаны также электромагнитные явления.

История приливов начинается на самой ранней стадии развития Вселенной. Поскольку взаимное притяжение тел в пространстве - закон Вселенной, то приливы, должно быть, действовали на других планетах еще до того, как образовалась Земля, потому что приливообразующие силы возникли уже тогда в скоплениях звезд.

На Земле приливы существовали задолго до того, как появились океаны. И даже до того, как образовалась Луна, которая отчасти управляет ими. Притяжение Солнца порождало огромные приливы на поверхности Земли еще в те времена, когда она представляла собой расплавленную массу. Согласно одной из теорий даже образование Луны связывается с отрывом от Земли в результате сильного прилива части расплавленной массы.

В начале своего космического путешествия Луна была намного ближе к Земле, чем теперь. И в то время, когда земные испарения, сконденсировавшись во влагу, образовали океаны, приливы, порождаемые Луной, достигали огромной высоты. Они обрушивались на острова - континенты, меняя их очертания и вымывая из твердых земных пород соль и другие химические вещества, которые теперь содержатся в морской воде.

По мере того как Луна отдалялась от Земли, приливы слабели и, наконец, стали такими, какими мы наблюдаем их сегодня. Но и теперь они испытывают заметные колебания. Каждые несколько столетий расположение Луны, Земли и Солнца относительно друг друга повторяется, что обуславливает длительные приливные циклы: около 550 года н. э. приливы были минимальны, в 1400 году они достигли максимума, а следующий минимум ожидается примерно в 2400 году.

В наши дни, по мере того как Луна неуклонно отдаляется от Земли, приливы продолжают незаметно ослабевать. Одновременно приливное трение замедляет вращение Земли, вследствие чего с каждым столетием земные сутки удлиняются на доли секунды. Так будет продолжаться и дальше, и через многие миллионы лет лунные приливы исчезнут вовсе.

Кроме космических сил притяжения между Землей, Луной и Солнцем существенное влияние на величину и характер приливов оказывают физико-географические условия моря или океана, очертания берегов, размеры, глубины, наличие островов и т.д. Если бы океан покрывал Землю сплошь слоем одинаковой глубины, приливы на одной и той же широте были бы одинаковыми и зависели бы только от приливообразующих сил Луны и Солнца. Однако приливные колебания уровня на одной и той же широте меняются в весьма широких пределах. В одних районах, как, например, в заливе Фанди (Канада), приливные колебания уровня достигают 16 м, по расчетным -- 18 м, а в других - Балтийском море, расположенном на той же широте, они практически отсутствуют.

Приливные явления представляют собой волновое движение. Под действием периодической приливообразующей силы в океане возникает сложная волна, имеющая период, соответствующий периоду силы, но отличную от нее амплитуду и фазу. Частицы воды в приливной волне движутся по орбитам, имеющим форму эллипса, с осью очень сильно вытянутой по горизонтали. Движение частиц по их орбитам наблюдатель воспринимает как периодические колебания уровня и течений.

В отличие от других видов волн в Мировом океане, приливные волны являются регулярными и выражены чрезвычайно ярко. В прибрежных районах приливные колебания в 5-6 м - не редкость. Вблизи берегов наблюдаются также сильные приливные течения. В узкостях они достигают скорости 5-10 и даже 12 миль в час. С удалением от берегов приливные колебания уровня и течения уменьшаются. Независимо от этого, они все же оказывают существенное влияние на состояние вод всего Мирового океана, так как длинные приливные волны охватывают всю водную толщу.

История исследования приливов

В древности приливы мало изучались. Цивилизации древних египтян, греков и римлян, от которых к нам дошли первые записи исторических фактов, развивались на берегах Средиземного моря, где приливы почти незаметны и потому практически не привлекают к себе внимания. Приливы и другие, связанные с океаном явления, не упоминаются в Библии.

Первое упоминание о приливах относится приблизительно к 425 году до н.э. и принадлежит древнегреческому историку Геродоту, который, описывая залив у побережья Аравии (вероятно, Красное море), заметил: “Там каждый день отступает и наступает прилив”.

Полутора веками позже Пифей из Массилии (современный Марсель) в 320 году до н.э., совершая плавание вокруг Европы, у берегов Британских островов заметил некую связь между приливами и Луной. Но ни Геродот, ни Пифей не дают объяснений этому странному явлению. К тому же Пифей не высаживался в Британии и, таким образом, не мог наблюдать с берега громадный подъем и спад уровня моря в Ла-Манше.

Большинство ученых Древнего Востока довольствовались чисто теоретическими представлениями. Некоторые из них считали Землю живым существом, а приливы - проявлением его дыхания. Другие полагали, что воды океана - это кровь Земли, приливы же - биение ее пульса. Аристотель, наблюдая влияние приливов на жизнь моря, пришел к выводу, что всякое живое существо умирает только во время отлива. Этот предрассудок кое-где не изжит и поныне.

Финикийцы, родная земля которых тянулась узкой полосой вдоль восточного побережья Средиземного моря, были самыми искусными мореходами древнего мира. Однако и они не оставили упоминаний о приливах, несмотря на то, что отваживались выходить в Атлантический океан, известный своими могучими приливами. Отчасти это может быть связано с тем, что для человека, находящегося на борту корабля в открытом море и не имеющего перед глазами неподвижного ориентира не берегу, приливы и отливы незаметны.

Юлий Цезарь и Александр Македонский, которые вели войны далеко за пределами бассейна Средиземного моря, неоднократно сталкивались с приливами и даже терпели от них бедствие, однако не смогли найти им сколько-нибудь удовлетворительного объяснения.

Первое описание приливов выполнил римский натуралист и писатель Плиний в 77 году н.э. в “Естественной истории”: “Многое было сказано о природе вод; но самое удивительное - это попеременное наступление и отступление приливов, проявляющееся по-разному, но всегда порождаемое Солнцем и Луной. Прилив дважды наступает и дважды отступает между каждыми двумя восхождениями Луны...”

Таким образом, Плиний впервые делает предположение о причинах приливов, отмечая их очевидную связь с фазами Солнца и Луны, хотя и он не был свободен от предрассудков.

К началу средних веков факт существования приливов и их связи с Луной стал общепризнанным. Английский ученый раннего средневековья Беда Достопочтенный утверждал, что прилив и Луна связаны теснейшими узами. Он отмечал, что море следует за Луной не только в ее восходах и закатах, но и в ее неизменно чередующемся прибывании и убывании. Прилив приходит каждый день позже, чем накануне и, как и Луна, то увеличивается, то уменьшается. Беда Достопочтенный отметил также некоторые географические различия приливов.

Однако в целом в эпоху средневековья приливы мало изучались. Ученые средневековой Европы были погружены во мрак суеверий и религиозных предрассудков и считали океан зловещей и необъяснимой силой. Даже викинги -- самые искусные мореплаватели раннего средневековья, не оставили сколько-нибудь заметных свидетельств о приливах.

Не больше было известно о приливах и за пределами Европы. В Малой Азии, Индии и Китае приливы считались проявлением гнева морского божества, а мусульмане считали, что прилив создает ангел, сидящий над морем, спуская в него ногу, а когда он поднимает ее, наступает отлив.

С началом Эпохи Возрождения начали быстро развиваться науки и искусства, стал заметен прогресс и в науке о море. Особенно интенсивно она развивалась в Англии, и изучение приливов было неотъемлемой ее частью. Уже в XIII веке английские шкиперы вели специальные книги, в которые заносили сведения о приливах в Ла-Манше, о времени наступления полной и малой воды в важных портах и бухтах, о продолжительности подъема и спада воды. Эти книги, называемые “раттерами”, широко использовались в Англии в практике мореплавания. Первый печатный раттер вышел в 1528 году, и вскоре они стали так популярны, что их наполняли не только сведениями о навигации и приливах, но и различной светской хроникой, так что они послужили прообразами альманахов для семейного чтения.

С 1545 года стали использоваться круговые таблицы приливов (таблицы порта), содержавшие сведения о моментах наступления полной воды в определенном порту в зависимости от фазы Луны.

В 60-х годах XVI века было изобретено вычислительное устройство для предсказания приливов по измерениям их высоты в любой заданной точке и в любой момент времени. С середины того же XVI века стали широко применяться траверзные доски, позволявшие записывать курс корабля в открытом море вне видимости земли.

Однако все это были еще робкие и грубые попытки обобщить накопленные знания без понимания причин происходивших явлений. Различные теории, пытавшиеся объяснить связь приливов с движением Солнца и Луны, в большинстве своем основывались на суеверии. Высказывались умозрительные и часто курьезные объяснения, например, что свет Луны “гипнотизирует” воду и т.д. Вплоть до работ Ньютона представление о причинах приливов оставалось неясным.

1. Ньютон и статическая теория приливов

В 1687 году великий английский математик Исаак Ньютон опубликовал свои “Начала”, в которых изложил закон всемирного тяготения. Этот закон послужил важнейшим шагом к научному пониманию природы приливов.

Этот закон гласит, что “каждые два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними”.

Поскольку Луна и Солнце - ближайшие соседи Земли в пространстве, то их гравитационные силы, в зависимости от их положения относительно Земли, тем или иным образом воздействуют на воду и сушу на Земле. И суша, и вода испытывают на себе действие этих сил, но вода, будучи жидкой и более подвижной, реагирует на них сильнее.

В разработанной Ньютоном статической теории приливов их возникновение объясняется различным притяжением Луной и Солнцем, по-разному удаленных от них частей земного шара. Поскольку Солнце более удалено от Земли, его приливообразующая сила в 17 раза меньше лунной. Поэтому лунная приливообразующая сила является основной в образовании приливов на Земле, а солнечная играет вспомогательную роль, но также должна приниматься во внимание.

Для упрощения расчетов Ньютон допустил, что Земля сплошь покрыта водой и имеет ровную поверхность. При таких условиях океан полностью покрывал бы ее слоем в 3.5 км толщины. Применяя закон всемирного тяготения к неподвижному океану и Луне, Ньютон установил, что воды такого океана будут притягиваться Луной, образуя под ней горб. И этот горб будет перемещаться вслед за Луной вокруг Земли в виде прогрессивной (т.е. меняющейся в пространстве и во времени по определенному закону) волны. Притяжение Солнца действует на поверхность Земли точно таким же образом и тоже создает приливные горбы, которые иногда совпадают с выпуклостями, образуемыми действием Луны, а иногда нет. Это приводит к увеличению или уменьшению суммарного прилива.

Теория Ньютона, объясняющая существование приливов действием космических приливообразующих сил Луны и Солнца, представляет собой лишь элементарное объяснение природы приливов, показывающее лишь самые общие ее закономерности.

Статическая теория Ньютона не позволяла понять все многообразие истинного поведения приливных явлений, например, почему в одних районах бывает два прилива в сутки, а в других - только один? И почему там, где бывает два прилива в сутки, они иногда равны по высоте, а иногда совершенно различны? Почему в географически близких районах приливы часто резко различаются по характеру и по высоте?

На эти вопросы статическая теория Ньютона ответов не давала. Это свидетельствовало о существовании еще многих факторов, влияющих на характер приливов, кроме космических приливообразующих сил и не учтенных Ньютоном. В этом сказалась ограниченность теории Ньютона. Однако она создала важные предпосылки для дальнейшего изучения приливов.

Лаплас и “динамическая” теория приливов

В 1775 году Лапласом была опубликована “динамическая” теория приливов, в которой устранялся главный недостаток статистической теории Ньютона - гипотеза о статическом состоянии явления, которое в действительности непрерывно меняется. В динамической теории приливы рассматриваются как волновое движение частиц воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Лаплас в рамках этой теории получил уравнения движения приливов на вращающейся Земле и дал их решение в предположении, что океан покрывает ровным слоем всю Землю. Выведенные Лапласом дифференцированные уравнения показали возможность выражения изменчивости приливов во времени в определенных точках в форме суммы ряда простых гармонических колебаний. Таким образом, Лаплас положил начало наиболее общему практическому методу предвычисления приливов, названному гармоническим анализом. Этот метод и сейчас является основным методом предвычисления приливов в практических целях.



2. Развитие идей Ньютона и Лапласа

После фундаментальных работ Ньютона и Лапласа предметом в основном теоретических исследований была задача о распространении приливных волн в бассейнах простых очертаний, а также в естественных каналах и морях. Это наиболее сложная задача теории приливов.

Исследования приливов в простых по очертаниям бассейнах представляют в основном теоретический интерес, так как условия в них сильно отличаются от реальных. Соответственно и математические результаты исследований имеют мало общего с реально наблюдаемым в океане явлением приливов. Поэтому такие исследования проводятся с целью получения выводов самого общего характера.

В результате обобщения материалов наблюдений с помощью той или иной гипотезы предпринимались попытки представления общей картины движения приливных волн в пределах всего Мирового океана.

Первая такая работа принадлежит Уэвеллу. Он рассматривал движение приливных волн как систему поступательных волн. Этот взгляд в наше время устарел.

В дальнейшем Гаррис, пренебрегая влиянием на приливы силы Кориолиса, представлял их в форме стоячих волн, обусловленных отражением волн от материков.

Штернек исследовал раздельно распространение полусуточных и суточных составляющих волн прилива.

Дитрих (1962 год) попытался обобщить данные о пространственном распределении характеристик четырех главных составляющих волн прилива. В последнее время такие материалы уточняются путем численного решения задачи о приливах в Мировом океане и путем специальных наблюдений приливов в открытом океане с помощью донных мареографов для построения карт, показывающих движения приливных волн.

В СССР исследования приливов в естественных бассейнах на моделях проводил академик В.В.Шулейкин.

Исследования на моделях проводились при проектировании Купером приливной электростанции (ПЭС) в заливе Фанди и при строительстве ПЭС в Сен-Мало. Важные работы по изучению приливов на моделях проводились также в Англии, начиная с модели Рейнольдса (1885 год). Моделирование применяется и сегодня.

После работ Лапласа развивались исследования, направленные на изучение изменений приливов во времени и предвычисление их в отдельных точках посредством разложения формулы высоты прилива в ряд, в котором используются эмпирически определяемые гармонические постоянные.

Разложением формулы высоты прилива в ряд занимались после Лапласа Дарвин и Дудсон.

Дудсоном разработаны наиболее простые методы гармонического анализа приливов.

Однако более широко применяется метод Дарвина. Он использовался в США и СССР.

Дудсоном и Варбургом разработан так называемый адмиралтейский метод гармонического анализа суточных наблюдений над приливами, упрощенный по сравнению с другими методами и учитывающий только четыре главные составляющие волны прилива.

Предпринимались попытки механизации предвычисления приливов. Английский ученый Томсон (Кельвин) впервые сконструировал машину - предвычислитель приливов для расчетов по нескольким десяткам гармонических составляющих волн.

В дальнейшем Раушельбах создал машину судового типа для расчетов по 10 гармоническим составляющим волнам. Помимо этого широко применялись различные вспомогательные средства для ускорения предвычисления - счетные линейки и круги, рациональные схемы вычислений и вспомогательные таблицы.

В английских и советских таблицах приливов рекомендовалось применять адмиралтейский метод, в немецких - метод Хорна.

Таблицы приливов содержат данные только об их изменении во времени в фиксированных точках. Характеристика приливов в пространстве достигается с помощью карт гармонических постоянных. Применяются навигационные атласы таких карт, позволяющие снять в любом месте исходные величины для предвычисления приливов.

В навигационной практике чаще всего применяются специальные пособия по приливным явлениям, объединяющие всесторонне проверенные и единообразно обработанные результаты наблюдений над приливами. С появлением численных методов расчета характеристик приливов в пространстве стало возможным полное использование материалов наблюдений. В последнее время для работ по предвычислению приливов широко используются компьютерные системы .



3. Элементы приливов и терминология

3.1 Термины и определения

Прилив - подъем уровня при прохождении приливной волны Термины “прилив” и “приливы” различны. Приливы” - приливные колебания уровня в Мировом океане. (рис. 16).

Отлив - падение уровня при прохождении приливной волны.

Рис. 16. Смешанный прилив и его характеристики

Полная вода (ПВ) - максимальный уровень в продолжение одного периода приливных колебаний.

Малая вода (МВ) - минимальный уровень в продолжение одного периода приливных колебаний.

Период прилива - промежуток времени между двумя последовательными полными или малыми водами.

В зависимости от периода различают:

Полусуточные приливы, имеющие средний период, равный половине лунных суток (12 ч 25 мин), два минимума и два максимума уровня в сутки.

Суточные приливы со средним периодом, равным лунным суткам (24 ч 50 мин), имеющие один максимум и один минимум в сутки.

Смешанные приливы, у которых в течение половины лунного месяца период меняется с полусуточного на суточный.

Если преобладает полусуточный период, то такой смешанный прилив называют неправильным полусуточным (НП).

Если преобладает суточный период - неправильным суточным приливом (НС).

Высота прилива (h) - положение приливного уровня по отношению к нулю глубин. (В СССР отсчет высот уровня на морях с приливами велся от наинизшего, возможного по астрономическим условиям уровня - наинизшей малой воды. Этот уровень называют наинизшим теоретическим уровнем (теоретическим нулем глубин).

Амплитуда прилива (H) - высота полной или малой воды от среднего приливного уровня. (Так как приливы бывают не всегда симметричными относительно среднего уровня, то и амплитуды, определяемые по полной и малой воде, не всегда будут равны между собой).

Величина прилива (В, в) - разность уровней соседних полной и малой вод.

Время полной воды (tПВ) - момент наступления полной воды.

Время малой воды (tМВ) - момент наступления малой воды.

Время роста (подъема) уровня (Тр) - промежуток времени, в течение которого происходит повышение уровня от малой до полной воды:

Тр = tПВ - tМВ

Время падения уровня (Тп) - промежуток времени, в течение которого происходит падение уровня от полной до малой воды:

Тп = tМВ - tПВ

Продолжительность стояния уровня (Тс) - интервал времени, за который наблюдался уровень, равный заданной высоте или превышающий ее.

Лунный промежуток (Тл) - разность между моментом времени кульминации Луны на меридиане места и моментом наступления ближайшей полной воды.

Средний прикладной час (СПЧ) - средний из лунных промежутков не менее чем за половину лунного месяца.

Прикладной час порта (ПЧП) - средний из лунных промежутков в полнолуние и новолуние при среднем расстоянии Земли и Луны от Солнца и при нулевых склонениях Луны и Солнца.

Для смешанных приливов существуют дополнительные термины:

Высокая полная вода (ВПВ) - большая из двух полных вод за сутки при полусуточных приливах.

Низкая полная вода (НПВ) - меньшая из двух полных вод за сутки при полусуточных приливах.

Высокая малая вода (ВМВ) - большая из двух малых вод за сутки при полусуточных приливах.

Низкая малая вода (НМВ) - меньшая из двух малых вод за сутки при полусуточных приливах.

Суточное неравенство высот полных вод (СН hПВ) - разность между высотами высокой и низкой полных вод.

Суточное неравенство высот малых вод (СН hМВ) - разность между высотами высокой и низкой малых вод.

Большая величина приливов (В) - разность высот высокой полной и низкой малой вод в течение суток (В = hВПВ - hНМВ).

Малая величина приливов (в) - разность между низкой, полной и высокой малой водой (в = hНПВ - hВМВ).



3.2 Классификация приливов

Основные виды изменчивости приливов в реальном явлении приливов представлены в совокупности. Поэтому наблюдаемые у берегов Мирового океана приливы отличаются значительным разнообразием.

В навигационных пособиях по приливам в основу их классификации положен ряд признаков:

период прилива или количество полных и малых вод в лунные сутки как основной признак классификации;

характер неравенств;

симметрия в нарастании и спада уровня.

Эти признаки, в конечном счете, определяются соотношением амплитуд главных суточных и полусуточных составляющих прилива, которые могут быть представлены так называемыми гармоническими постоянными приливов - постоянными характеристиками гармонических составляющих кривой приливного колебания уровня: средними амплитудами и фазовыми углами.

Как количественный критерий для классификации приливов используется отношение суммы амплитуд главных суточных составляющих волн прилива Нк1 и Но1 к амплитуде Нм2 главной полусуточной составляющей:

П =,

где к1 - лунно-солнечная деклинационная волна, о1 - главная лунная суточная волна, м2 - главная лунная полусуточная волна.

В зависимости от величины этого отношения выделяют несколько типов приливов:

Полусуточные приливы. В течение лунных суток бывают две полные и две малые воды (рис.17). Период равен половине лунных суток и составляет в среднем 12 часов 25 минут. Высоты следующих друг за другом полных и малых вод мало отличаются, то есть суточные неравенства почти отсутствуют. Подъем и падение уровня протекают правильно, ход уровня выражается симметричной синусоидальной кривой. Время роста и время падения уровня практически равны.

Рис. 17. Полусуточные приливы (по Г.Н. Смирнову, 1981)

? - новолуние; - первая четверть; _ - полнолуние; - последняя четверть; Е - Луна на экваторе; N - луна имеет наибольшее северное склонение; S - Луна имеет наибольшее южное склонение; А - Луна в апогее; Р - Луна в перигее

Полумесячные неравенства у полусуточных приливов связаны с фазами Луны. Приливы с большими амплитудами наблюдаются в дни полнолуния и новолуния (сизигийные приливы). Затем от сизигии величина приливов постепенно уменьшается и с переходом Луны в первую или третью четверть наступают приливы с малыми амплитудами (квадратурные приливы).

Наблюдаемые две полные и две малые воды в сутки следуют друг за другом через 12 часов 25 минут и поэтому наступают на 50 минут позже в каждые последующие сутки, так как лунные сутки длиннее земных. Это соответствует периоду кажущегося обращения Луны вокруг Земли.

Полусуточные приливы характеризуются величиной отношения:



0 <> 0.5

Хорошо выраженные полусуточные приливы наблюдаются почти по всему Атлантическому океану (бухта Бальбоа на Панамском канале);

Смешанные приливы (0.5 < П < 4.0). Среди них различаются:

а) Неправильные полусуточные приливы:

0.5 <> 0

Неправильные полусуточные приливы имеют в основном полусутoчный характер. В течение лунного месяца сохраняются две полные и две малые воды в лунные сутки, но в некоторые дни второе колебание уровня настолько незначительно, что период явления можно только условно считать полусуточным (рис.18). Bыcoты смежных полных и малых вод сильно отличаются друг от друга. С увеличением склонения Луны суточные неравенства в высотах увеличиваются, приобретая максимальное значение в дни наибольшего северного или южного склонения Луны (тропические приливы). В такие дни вторые полные и малые воды могут быть выражены слабо.

Рис. 18. Неправильные полусуточные приливы (по Г.Н. Смирнову, 1981)

С уменьшением склонения Луны сутoчные неравенства уменьшаются и во время прохождения Луны через экватор (нулевое склонение) имеют наименьшее значение - наблюдаются равноденственные приливы. Приливы имеют при этом характер правильных полусуточных.

Полумесячные неравенства в величине неправильных полусуточных приливов связаны преимущественно с фазами Луны. Наибольшие приливы наблюдаются в полнолуние и новолуние - это сизигийные приливы, а наименьшие, когда Луна находится в первой и последней четверти - квадратурные приливы. Однако, чем ближе отношение к 2, тем сильнее сказывается склонение Луны на величине прилива и тем больше проявляются суточные неравенства.

Подъем и падение уровня изображаются правильной кривой без перегибов, хотя большие суточные неравенства нарушают симметрию между высотами полных и малых вод. Это также создает разницу между временами роста и падения уровня.

Неправильные полусуточные приливы распространены в Индийском и Тихом океанах, типичный пример - устье реки Фрейзер на тихоокеанском побережье Канады.

б) Неправильные суточные приливы.

0 <>4.0

Неправильные суточные приливы характеризуются преобладанием в течение лунного месяца особенностей приливов суточного типа с одной полной и одной малой водой в лунные сутки (24 часа 50 минут) (рис.19). Но при прохождении Луны через экватор, когда склонение Луны близко к нулю, наблюдаются приливы с полусуточным периодом (то есть две полные и две малые воды в лунные сутки), имеющие малую амплитуду - это равноденственные приливы.



Рис. 19. Неправильные суточные приливы (по Г.Н. Смирнову, 1981)

Полумесячные неравенства связаны со склонением Луны. При наибольших склонениях Луны величина приливов наибольшая (cутoчные неравенства в высотах смежных полных и малых вод быстро увеличиваются с увеличением склонения), они имеют xaрaктер правильных суточных - это тропические приливы. При этом наблюдаются только одна полная и одна малая воды в лунные cутки, усложненные стояниями уровня.

С уменьшением склонения Луны величина приливов уменьшается и появляются вторые полные и малые воды, то есть приливы приближаются к полусуточному типу.

Изменение фаз Луны на величине прилива практически не сказывается. Чем ближе отношение к 4, тем ближе неправильные суточные приливы к суточным.

Неправильные суточные приливы чаще всего встречаются в бассейне Тихого океана, например, в устье реки Бангкок в Мьянме.

3) Суточные приливы.

Суточные приливы характеризуются одной полной и одной малой водой в течение лунных суток, то есть период явления равен суткам. Понятие о суточном неравенстве таких приливов не имеет смысла.

> 4



Полумесячные неравенства связаны со склонением Луны. При малых склонениях Луны амплитуды малы (равноденственные приливы) (рис.20). Во время прохождения Луны через экватор могут наблюдаться стояния уровня. В остальное время подъем и падение уровня определяется симметричной синусоидальной кривой.

Рис. 20. Суточные приливы (по Г.Н. Смирнову, 1981)

Возрастание величин приливов начинается с увеличением склонения Луны и амплитуда приливов достигает наибольшиx значений в дни, когда Луна больше всего удалена от экватора - начинаются тропические приливы. Однако наибольшие приливы наступают не точно в момент достижения Луной наибольшего склонения, а спустя некоторое время - это возраст суточного прилива.

Суточные приливы встречаются редко, главным образом в морях Tихогo океана (у побережья Китая, в некоторых местах у Аляски и Филиппин, у острова Хон-До во Вьетнаме), а также в Мексиканском заливе в порту Пенсакола во Флориде.

4) Аномальные приливы. Их несколько типов.

а) Полусуточные солнечные приливы.

Полусуточные солнечные приливы имеют период, равный половине средних солнечных суток, то есть 12 часов. Поэтому полные и малые воды при полусуточных солнечных приливах наблюдаются всегда в одни и те же часы суток. Примером таких приливов могут служить приливы в Котабару (о. Калимантан) и Эйре (южное побережье Австралии).

б) Полусуточные параллактические приливы.

Встречаются очень редко. У полусуточных параллактических приливов аномально выражено параллактическое неравенство. В режиме этих приливов существенное значение имеет месячное неравенство, опредeляющееся изменением расстояния от Земли до Луны. При наименьшем расстоянии между Землей и Луной в течение месяца приливы наибольшие, а при наибольшем - наименьшие. Встречаются такие приливы у мыса Кларка в заливе Креста в Беринговом море.

в) Полусуточные мелководные приливы.

Отличаются от обычных полусуточных приливов характером подъема и спада уровня. Кривая изменений уровня при таких приливах не симметрична, и время роста и время падения могут значительно различаться между собой. Это различие тем больше, чем больше влияние мелководья. В различной степени нарушение правильного нарастания и падения уровня весьма распространено в приливах Белого и Северного морей. Неравномерности в изменениях уровня беломорские жители называют “манихой” (порт Кемь на Белом море, Россия). Также это явление характерно для портов Вильгельмсхафен (Северное море, ФРГ) и Шанхай (Восточно-Китайское море, Китай).

г) Двойные полусуточные приливы.

Двойные полусуточные приливы характеризуются тем, что вследствие влияния мелководья в течение суток бывает по четыре полных и четыре малых воды. Высоты следующих друг за другом полных и малых вод сильно различаются между собой, что создает двойные полусуточные неравенства. Величина приливов меняется в зависимости от фаз Луны.

Встречаются двойные полусуточные приливы редко. В частности, они наблюдаются в районе села Зимняя Золотница на Белом море, в портах Портленд в США и Саутгемптон на Ла-Манше в Англии.

д) Бор.

К аномальным приливам относится и сравнительно редкое явление, известное в Англии под названием “бор”, во Франции - “маскарэ”, в Бразилии- “поророка или кулема”, у индейцев Амазонии - “амазуну” (гремящая вода), в Китае - “чау-дау” (большой прилив).

Бор наблюдается в устьях рек и представляет собой пример предельного искажения приливов под влиянием местных физико-географических условий. Вследствие тормозящего действия на приливную волну трения о дно, потока воды, выносимого рекой, и сужения устья сильно сокращается время роста. Передний достаточно крутой склон входящей в реку приливной волны становится почти отвесным и распространяется вверх по течению сплошной вертикальной стеной с грохотом, который слышен на много километров.

На Амазонке поророка наблюдается как водопад 2 километра длиной и до 7.5 м высотой, движущейся со скоростью 6 м/с вверх по реке на расстояние до 360 км, то есть дальше, чем на любой другой реке мира. Шум от него слышен на 30-40 км.

Другой знаменитый бор наблюдается в воронкообразном устье реки Фучуньцзян, впадающей в залив Ханчжоувань (Восточно-Китайское море) в Китае. Этот бор имеет фронт около 2 км в длину и от 4.5 до 7.5 м в высоту в зависимости от силы прилива. Подсчитано, что с этим бором, который движется вверх по реке со скоростью 22 км/ч, проносится почти 2 миллиона тонн воды. Рев его слышен за 30 км.

В Бенгалии (Индия) в устье рек Ганга, Брахмапутры и Мегхны в сизигию наблюдается бор высотой 9 м, распространяющийся со скоростью около 7.5 м/с.

Бор наблюдается также на реках Франции, на реках Северн и Трент в Англии, в заливе Кука на Аляске, на реке Птикодьяк в Канаде, впадающей в северную часть залива Фанди.

В устье реки Сент-Джон, также впадающей в залив Фанди, наблюдается интереснейшее явление - реверсивные водопады. При малой воде в заливе река низвергается в море через порог шириной 150 м. Когда прилив поднимается до уровня порога, воды залива и реки успокаиваются и наступает время затишья. А затем, когда прилив набирает полную высоту, вода начинает низвергаться в обратную сторону, перекатываясь через скалистую преграду; таким образом, водопад, обычно вливающийся в море, теперь низвергает свои воды вверх по течению реки. Эта картина повторяется дважды в сутки.

3.3 Неравенства приливов

Неравенства приливов - отклонения времени наступления полных и малых вод и величин приливов от их средних значений для данного места.

На практике это означает, что наблюдаемые величины прилива и время наступления полных и малых вод меняются ото дня ко дню, а в случае смешанных приливов - и в течение суток.

Неравенства приливов связаны с изменением положения Луны, Солнца и Земли. Так как приливообразующая сила Луны больше приливообразующей силы Солнца, основные неравенства связаны с изменениями взаимного положения Луны и Земли.

Выделяются следующие основные виды неравенств в явлении приливов: суточные, полумесячные, месячные (параллактические) и длиннопериодные.

3.3.1 Суточные неравенства

Всегда имеющаяся большая или меньшая разность высот двух последовательных полных или двух последовательных малых вод называется суточным неравенством в высоте приливов.

Это неравенство проявляется также во времени наступления приливов относительно моментов верхней и нижней кульминации Луны.

Суточные неравенства зависят от:

астрономических причин - склонения Луны и Солнца;

физико-географических условий места (очертаний берега, характера рельефа дна, наличия островов и т.п.)

Согласно статической теории Ньютона, Луна и Солнце вызывают возникновение приливных горбов непосредственно под собой и на противоположной стороне Земли (рис. 21). Если бы Луна находилась прямо над экватором, то в результате обращения Луны вокруг Земли Это обращение Луны вокруг Земли, как и обращение Солнца, - кажущееся, возникающее вследствие вращения Земли вокруг своей оси. два приливных горба двигались бы равномерно вокруг Земли в виде семейства двух волн, и теоретически в любой точке на экваторе в сутки имели бы место два прилива равной величины. Наблюдались бы две одинаковых по высоте полные и две малые воды.

Предположим, что мы переместились к северу (или к югу) от экватора, например, в точку А или В. Здесь также будут наблюдаться два равных прилива в сутки. Но эти приливы будут менее выраженными, так как точки А и В ближе к краям приливных горбов, чем к их серединам. И это относится к любой точке океана - равновеликие, правильные полусуточные приливы (период равен половине лунных суток - 12 часов 25 минут, две полные и две малые воды в сутки) становятся все менее выраженными в направлении от экватора к полюсам.

Все это было бы так, если бы положение Луны над экватором было неизменно. Но на самом деле этого нет.

Обращаясь вокруг Земли по своей 27Ѕ суточной орбите, Луна попеременно оказывается то к северу, то к югу от экватора. Над самим экватором она оказывается толъко при переходе из одного полушария в другое.



Рис. 21. Возникновение приливных горбов вследствие притяжения Луны

Максималъное «склонение» (или степень удаления ог экватора) Луны достигает величины в пределах колебаний 23.450 ±5.150 или от 18.300 до 28.600 на каждом обороте вокруг Земли.

При максимальном склонении Луны точка В оказывается в центре приливного горба, находящегося в точке 28.60 северной широты (рис.22). Но так как Земля вращается, то двенадцатью часами позже точка В оказывается на месте А. Но теперь она далеко от центра второго приливного горба. Поэтому вместо второй, равной по величине полной воды, наблюдается неравенство величин приливов.

Рис. 2 Суточное неравенство приливов

Таким образом, находясь над экватором или вблизи от него, Луна создает два раза в сутки одинаковые полные воды. По мере того, как Луна отклоняется к северу или к югу от экватора, неравенство между ними проявляется все больше. Это приводит в конечном итоге к полному исчезновению второй полной воды. Период приливов при этом превращается в суточный, а изменение уровня становится неравномерным за счет появления стояний уровня, зависящих, как и суточные неравенства, от изменений склонения Луны.

Солнце воздействует на приливы так же, как и Луна. Солнце во время своего кажущегося обращения вокруг Земли тоже отклоняется к северу и югу от экватора, что также приводит к неравной высоте двух последовательных полных или малых вод. Когда Солнце находится над экватором, полусуточные солнечные приливы должны быть равными, когда оно удаляется от экватора, то появляется разница между первой и второй полными и малыми водами, то есть суточное неравенство. Когда Солнце достигает максимального склонения, солнечные приливы становятся суточными В отношении суточных приливов с одной полной и одной малой водами в сутки понятие о суточном неравенстве смысла не имеет..

Нарушения хода уровня полусуточных приливов возникают и по другой причине.

В районах с малыми глубинами наблюдается уменьшение времени роста уровня при приливе за счет увеличения времени падения при отливе, или наоборот. Эти неравномерности в изменении уровня в некоторых местах достигают такого развития, что появляются дополнительные полные и малые воды. В этом случае полусуточные приливы превращаются в так называемые двойные полусуточные приливы. Однако вторые полные и малые воды при двойных полусуточных приливах обычно выражены слабо.

Очень важная особенность кривых хода уровня состоит в том, что они могут быть разложены на две простые составляющие, периоды которых относятся как 1: При этом одно колебание имеет суточный период, а второе - полусуточный. В случае мелководных приливов периоды составляющих волн оказывают равными четверти суток и полусуткам. При более тщательном анализе в суточной изменчивости приливных явлений выявляется присутствие колебаний и других периодов.

Полумесячные неравенства

Постепенное изменение характеристик приливных колебаний уровня и приливных течений, наблюдающихся от суток к суткам с полумесячной периодичностью, называется полумесячным неравенством приливов.

Полумесячные неравенства подразделяются на два вида:

фазовые (связанные с изменением фаз Луны);

тропические (связанные с изменением склонения Луны в течение месяца).

Фазовые неравенства характерны для полусуточных приливов. Время наступления приливов определяется в основном моментом кульминации Луны, который смещается каждые сутки вперед по времени в среднем на 50 минут. Приблизительно в течение полумесяца моменты верхней и нижней кульминаций Луны проходят через все часы суток. Затем цикл повторяется.

Соответственно за половину месяца через все часы суток проходит и время наступления полных и малых вод.

В зависимости от времени кульминации Луны меняется и величина приливов. В дни полнолуния и новолуния, то есть в сизигию, Луна и Солнце кульминируют одновременно (Луна кульминирует в 0 и 12 часов), располагаясь на одной линии с Землей, по одну сторону от нее или с противоположных сторон (рис. 23). Приливообразующие силы Луны и Солнца при этом складываются и создают приливы примерно на 20% выше обычного. Такие приливы называются сизигийными. Из-за влияния физико-географических условий наибольшие величины приливов наблюдаются не точно в сизигию, а спустя некоторое время. Интервал времени между полнолунием и новолунием и наибольшим приливом называется возрастом полусуточного прилива (лунным промежутком).



Рис. 23. Сизигийный прилив

Когда Луна находится в первой или третьей четверти, то ecть в положениях, называемых квадратурами (Луна кульминирует в 6 и 18 часов), Луна и Солнце располагаются под прямым углом друг к другу и их приливообразующие силы действуют противоположно. В это время наблюдаются приливы на 20% ниже обычных. Такие приливы называются квадратурными (рис.24).

Рис. 24. Квадратурный прилив

С изменением времени кульминации Луны связано также изменение величины лунных промежутков. Полумесячное изменение лунных промежутков определяет полумесячное нeрaвенство во времени полных и малых вод наступления приливов.

Средний период фазового полумесячного неравенства равен 14.77 суток, так как время, протекающее между двумя полнолуниями или новолуниями (синодический месяц) равно в среднем 29.53 cуток.

Тропические полумесячные неравенства характерны для суточных приливов и приливов, которые хотя бы на непродолжитeльное время в течение месяца становятся суточными.

Тропические неравенcтва связаны с изменениями склонения Луны.

С увеличением склонения Луны увеличиваются суточные неравенства и величина приливов. Наибольшей величины приливы достигают при наибольшем склонении Луны. Такие приливы называются тропическими (Луна находится вблизи тропиков).

При склонении Луны равном нулю, величины приливов нaимeньшиe и носят название равноденственных или экваториальных (Луна проходит через экватор).

Полный цикл изменений склонения Луны совершается на протяжении тропического месяца, который длится в среднем 27.32 суток. Неравенство определяется только величиной склонения и не зависит от его знака. Поэтому период тропического неравенства в приливах равен половине периода тропического месяца, то есть в среднем 13.66 суток.

В зависимости от склонения Луны меняются также лунные промежутки, следовательно, тропическое неравенство сказывается также на времени наступления приливов.

Из-за влияния физико-географических условий трoпические приливы отстают от момента наибольшего склонения Луны. Интервал времении между наибольшим cклонением Луны и ближайшим наибольшим суточным приливом называется возрастом суточного прилива (возрастом тропического нерaвeнcтвa).

3.3.3 Месячные (параллактические) неравенства

Месячные неравенства обусловлены изменением расстояния от Земли до Луны (рис.25). Так как Луна обращается вокруг Земли не по идеальному кругу, а по эллипсу, то Луна то ближе к Земле, то дальше от нее. Период обращения Луны вокруг Земли называется аномалистическим месяцем и равен 27.55 суток. Для количественной оценки расстояния между Землей и Луной служит угловой показатель - горизонтальный параллакс Луны, поэтому месячные неравенства называют также параллактическими.

Рис. 25. Месячные неравенства приливов

Когда Луна максимально приближается к Земле, то есть находитcя в перигее (П), сила ее притяжения возрастает и прилив становится примерно на 20% выше обычного - перигейный прилив (рис. 6). Наименьшее расстояние между Землей и Луной (перигей), соответствует наибольшему значению горизонтального параллакса Луны.

По мере увеличения расстояния между Землей и Луной приливные колебания уменьшаются. Когда Луна достигает точки максимально удаленной от Земли - апогея (А), ее приливообразующая сила уменьшаетcя и наблюдается прилив примерно на 20% ниже обычного - апогейный прилив. Наибольшее удаление Луны (А) характеризуется наименьшими значениями горизонтального параллакса Луны.

Кроме высоты приливов, месячные неравенства проявляются и в изменениях лунных промежутков, то есть врeмени наступления приливов.

Большие величины приливов при наименьшем расстоянии между Землей и Луной (перигей) и малые приливы при большом расстоянии между Землей и Луной (апогей) смещены относительно соответствующих астрономических условий на промежуток врeмени, называемый возрастом параллактического неравенства.

Иногда моменты сизигии и лунного перигея совпадают и можно наблюдать приливы необычайной высоты. Сизигийный прилив на 20% выше обычного, перигейный прилив также на 20% выше обычного. Когда они складываются, то создают прилив на 40% выше обычного - перигейно-сизигийный прилив. Соответственно, если квадратурный прилив совпадает с апогейным, то наблюдается противоположная картина - полная вода примерно на 40% ниже нормы - апогейно-квадратурный прилив.

3.3.4 Длиннопериодные неравенства

Длиннопериодные неравенства приливов связаны с кажущимся годовым движением Солнца.

Изменение склонения Солнца в течение года проявляется в приливах солнечным тропическим неравенством полугодового периода. С ним связаны изменения полугодового периода величин тропических и экваториальных приливов, а также суточных неравенств. При максимальном склонении Солнца в смешанном солнечном приливе будет усиливаться суточное неравенство (тропический солнечный прилив).

Изменения расстояния от Солнца до Земли (параллакса Солнца) определяют солнечное параллактическое неравенство годового периода. Оно приводит к увеличению прилива на 10% в момент перигелия (минимального расстояния от Солнца до Земли) по сравнению с моментом афелия (максимального расстояния от Солнца до Земли).

Также в практике принимается во внимание медленное, с периодом 18.61 года, изменение склонения Луны вследствие наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики на постоянный угол 5°08'. Связанное с этим многолетнее неравенство в приливах сказывается сравнительно небольшими изменениями полумесячных лунных тропических неравенств.



4. Основы теории приливов

4.1 Приливообразующие силы и их потенциал

На каждую частицу Земли действуют:

сила притяжения частицы к центру Земли;

центробежная сила, возникающая при вращении Земли вокруг своей оси;

центробежная сила, возникающая при обращении системы Земля - Луна вокруг общего центра тяжести;

центробежная сила, возникающая при обращении системы Земля - Солнце вокруг общего центра тяжести;

сила притяжения к центру Луны;

сила притяжения частицы к центру Солнца.

Сила притяжения к центру Земли и центробежная сила, возникающая при вращении Земли вокруг своей оси постоянны во времени, их равнодействующая является силой тяжести. Поскольку сила тяжести для данной точки Земли является величиной постоянной, она не участвует в создании прилива и поэтому ее можно не учитывать.

Силы притяжения Луны и Солнца в отдельных точках Земли неодинаковы (переменны) и зависят от расстояния от этих точек до центров соответственно Луны и Солнца.

Центробежные силы систем Земля - Луна и Земля - Солнце для каждой точки Земли одинаковы и равны силам притяжения Луны и Солнца, но только в центре Земли. Это вполне понятно, так как в противном случае расстояние между Землей и Луной и Землей и Солнцем или увеличивалось бы или уменьшалось.

Равнодействующая всех сил, действующих на частицу Земли, оказывается переменной.

Для простоты рассуждения положим, что на частицу Земли действует только приливообразующая сила Луны, и рассмотрим вначале только взаимодействие в системе Земля - Луна вокруг их общего центра тяжести (приливообразующая сила Солнца выводится аналогично). При этом суточное вращение Земли и движение всей системы вокруг Солнца во внимание не принимается.

Общий центр тяжести между Землей и Луной находится на расстоянии 0.73 земного радиуса, то есть внутри тела Земли (в системе Земля - Солнце общий центр тяжести системы лежит внутри Солнца). Система Земля - Луна совершает полный оборот вокруг общего центра тяжести за лунный месяц (27 1/2 суток).

4.1.1 Приливообразующие силы

Силы притяжения Луны.

Центробежные силы.

Возьмем систему прямоугольных координат с началом в центре Земли.

Поместим плоскость XOУ так, чтобы она совпала с плоскостью экватора, а ось Z направим вертикально вверх (рис. 26). Пусть масса Луны - Мл, а точка Р расположена на поверхности океана и представляют некоторую частицу, масса которой равна единице. Ее координаты - x,у,z, расстояние от нее до Луны равно D, а до центра Земли - с (радиус Земли). Расстояние от центра Земли до центра Луны - rл а приведенное к центру Земли зенитное расстояние Луны (угол между направлением на Луну и точку Р из центра Земли) - zл.

Согласно 1-му закону Ньютона, сила притяжения пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому на частицу единичной массы, находящуюся в точке Р1, будет действовать сила притяжения Fр, равная по величине:

Fр = kMл / D2,

а на частицу, расположенную в центре Земли (О), сила притяжения F0:

Fo = kMл / rл 2,

где k - коэффициент пропорциональности, называемый гравитационной постоянной.

Силы притяжения к Луне частиц на поверхности океана и в центре Земли неодинаковы, так как удаление их от центра притяжения Луны различно.

Рис. 26. К выводу потенциала приливообразующих сил

Сила притяжения, действующая на частицы, находящиеся в центре Земли (в точке О) (), равна по величине центробежной силе , возникающей от обращения системы Земля - Луна” вокруг их общего центра тяжести, но обратна ей по направлению. В векторной форме это запишется так:

Силы притяжения Луны, действующие на частицы, расположенные вне центра Земли, не уравновешены центробежной силой. Поэтому эти частицы будут смещаться относительно центра Земли.

В результате в каждой точке Земли вследствие геометрического сложения силы притяжения Луны в данной точке и центробежной силы возникает равнодействующая, которая и является приливообразующей силой :

= +

Поскольку сила притяжения в центре Земли равна по величине и обратна по направлению центробежной силе системы Земля -- Луна”, то есть: , то приливообразующую силу Луны можно представить и как разность сил притяжения Луны в данной точке (Р) и в центре Земли (О):

На половине Земли, обращённой к Луне, , поэтому векторы приливообразующих сил направлены к Луне (рис. 27).

На противоположной половине наоборот, , поэтому векторы приливообразующих сил направлены от Луны.

Приливообразующая сила в результате сложения силы притяжения и центробежной силы будет равна:

Аналогично, приливообразующая сила Солнца равна:

,

Рис. 27. Равнодействующие или приливообразующие силы Луны в каждой точке Земли

где Fc - приливообразующая сила Солнца, Мс - масса Солнца, rс - расстояние между центрами Земли и Солнца).

В образовании прилива основную роль играют горизонтальные составляющие приливообразующих сил, направленные по касательной к поверхности Земли (оси Х и У). Вертикальная составляющая в величине приливообразующей силы практически роли не играет, она изменяет только силу тяжести.

Приливообразующие силы наибольшие и равные друг другу в зените и надире (если пренебречь радиусом Земли по сравнению с расстоянием до Луны). (В действительности приливообразующая сила в зените на 1/43 больше, чем в надире). На полюсах приливообразующие силы вертикальны и минимальны.