С чем связаны приливы и отливы на земле
Почему образуются приливы и отливы?
Приливы и отливы — периодические повышения и понижения уровня воды в океанах и морях. Дважды в течение суток с промежутком около 12 ч 25 мин вода у берега океана или открытого моря поднимается и, если нет преград, заливает иногда большие пространства − так происходит прилив, а затем уровень воды понижается и вода отступает, обнажая дно, − так происходит отлив.
Еще в древние времена люди связывали приливы и отливы с Луной. И действительно, основная причина приливов, как впервые указал Ньютон, это притяжение Земли Луной, точнее говоря, разность между притяжением Луной всей Земли в целом, с одной стороны, и водной оболочки планеты — с другой.
Теория Ньютона объясняет приливы и отливы следующим образом. Притяжение Земли Луной складывается из притяжения Луной отдельных частиц Земли. Частицы, находящиеся в данный момент ближе к Луне, притягиваются ею сильнее, а более далекие — слабее. Если бы Земля была абсолютно твердой, то это различие в силе притяжения не играло бы никакой роли. Но Земля — не абсолютно твердое тело. Поэтому разность сил притяжения частиц, находящихся вблизи поверхности Земли и вблизи ее центра (эту разность называют приливообразующей силой), смещает частицы друг относительно друга, и водная оболочка Земли деформируется.
В результате на стороне Земли, обращенной к Луне, и на противоположной стороне (красные выпуклости) вода поднимается, образуя приливные выступы, и там накапливается излишек воды. За счет этого уровень воды в точках, равноудаленных от Луны (отмечены красными стрелками), в это время снижается — здесь наступает отлив.
Приливные выступы стремятся сохранить по отношению к Луне одно и то же положение, и если бы Земля не вращалась, а Луна оставалась неподвижной, то Земля вместе со своей водной оболочкой всегда сохраняла бы одну и ту же вытянутую форму. Но Земля вращается, а Луна движется вокруг Земли, причем для земного наблюдателя Луна делает оборот вокруг Земли примерно за 24 ч 50 мин. С таким же периодом приливные выступы следуют за Луной и перемещаются по поверхности океанов и морей с востока на запад. Поскольку таких выступов два, над каждым пунктом в океане дважды в сутки с интервалом около 12 ч 25 мин проходит приливная волна.
В открытом океане вода поднимается при прохождении приливной волны незначительно (примерно на 1 м и менее), что остается практически незаметным для мореплавателей. Но у берегов даже такой подъем уровня воды заметен. В бухтах и узких заливах уровень воды поднимается во время приливов гораздо выше, так как берег препятствует движению приливной волны, и вода накапливается здесь в течение всего времени между отливом и приливом. Самый большой прилив (около 18 м) наблюдается в одной из бухт на побережье Канады. В России наибольшие приливы (около 13 м) происходят в Гижигинской и Пенжинской губах Охотского моря. Во внутренних морях, например в Балтийском и Черном, приливы и отливы почти незаметны, поскольку в эти моря не успевают проникнуть за время от отлива до прилива массы воды, перемещающиеся вместе с океанской приливной волной. Правда, в каждом закрытом море или даже озере возникают самостоятельные приливные волны, но они несут с собой относительно небольшие массы воды. Высота приливов в Черном море достигает лишь 10 см.
В одной и той же местности высота прилива непостоянна, так как расстояние от Луны до Земли и наибольшая высота Луны над горизонтом с течением времени не остаются неизменными, а это приводит к изменению величины приливообразующих сил. В частности, изменение расстояния от Луны до Земли в течение месяца от 356 тыс. км до 406 тыс.км приводит к изменению этих сил в 1,4 раза.
Заметное приливное действие оказывает также и Солнце. Подсчитано, что в среднем приливные силы Солнца меньше приливные сил Луны в 2,2 раза.
Во время новолуния и полнолуния приливные силы Солнца и Луны действуют в одном направлении, и получаются наиболее высокие приливы. Во время же первой и третьей четвертей Луны приливные силы Солнца и Луны как бы противодействуют одна другой, и приливы бывают значительно меньшими. Во многих странах издаются «Таблицы приливов», где указана высота прилива в различных портах на каждый час в течение всех дней в году.
Явления приливов происходят не только в водной, но и в воздушной оболочке Земли (атмосферные приливы и отливы), а также в твердом теле Земли (поскольку Земля не является абсолютно твердой). Вертикальные колебания поверхности Земли вследствие приливов достигают нескольких десятков сантиметров.
Из-за высокой периодичности этих явлений и по причине переноса большого количества воды свою экономическую эффективность доказали приливные электростанции, в которых перемещающиеся во время приливов и отливов массы воды вращают колеса турбин. В 1967 г. во Франции пущена в эксплуатацию приливная электростанция в устье реки Ране. В 1968 г. дала ток опытная приливная электростанция, построенная еще в СССР в Кислой губе близ Мурманска. В будущем планируется строительство и других приливных электростанций.
Приливы и отливы
В древности мореплаватели ежедневно наблюдали повышение и понижение уровня воды, но не имели представления о природе этих процессов. Считалось, что таким образом дышит живая планета. На протяжении многих столетий ученые разгадывали загадку циклических изменений уровня воды в Мировом океане. Но лишь в 20 веке океанологи выяснили, что приливы и отливы на Земле – следствие гравитационного влияния Луны.
Что такое прилив и отлив
Прилив и отлив – изменение уровня воды в Мировом океане, вызванное влиянием на планету Луны и Солнца.
Механизм приливно-отливного процесса следующий:
Средняя продолжительность цикла – 12-13 часов. Из-за вращения Земли процесс имеет определенную периодичность, отмечается 2 раза в сутки. Вертикальный промежуток между уровнями «полной» и «малой воды» – это приливная амплитуда.
Явление имеет не только суточную, но и месячную цикличность. Положение «полной» и «малой» точки изо дня в день меняется, находится в зависимости от фаз Луны – полнолуния и новолуния. Поэтому частота максимальной приливной амплитуды составляет 2 раза в месяц, минимальной – такая же.
Также высота прилива определятся особенностями рельефа берегов. Если участок суши воронкообразной формы, то при движении приливной волны берег сжимается. В итоге уровень воды становится выше, чем на соседних участках суши, имеющих другую форму. Так, из мест самых высоких приливов следует назвать:
Что вызывает приливы и отливы
Главные причины образования приливов и отливов:
Воздействие Луны
Земля и Луна пребывают в непрерывной связи согласно закону всемирного тяготения. Планета притягивает спутник, но и Луна влияет на планету. Благодаря такой связи, сохраняется определенное расстояние между орбитами космических объектов. Земля и Луна при движении то приближаются друг к другу, то отдаляются.
Когда спутник приближается к планете, планетарная кора изгибается в сторону объекта притяжения. Из-за этого воды Мирового океана смещаются, поднимаются над планетарной поверхностью. Но куда уходит вода во время отлива, когда Луна отдаляется? Водная масса не исчезает, она возвращается в исходное положение. То есть на планете вода постоянно перемещается с места на место.
Причем приливы в аналогичное время происходят и на противоположной к Луне стороне Земли. Но если в первом случае вспучивание земной коры и подъем воды обусловлены прямым притяжением спутника, то на противоположной стороне явление вызвано снижением притяжения. То есть земная кора оседает, и освободившееся пространство заполняется водой.
Поскольку оборот Луны вокруг планеты чуть больше 24 часов, то каждые следующие сутки время наступления прилива и отлива сдвигается на 50 минут. То есть волна, движущаяся со скоростью 1600 км/ч, «догоняет» спутник, за планетарные сутки переместившийся на 13°.
В астрономии считается, что приливные волны влияют на скорость движения Земли. Они создают течения, а те движутся, испытывая сопротивление земной коры. В результате планета постепенно замедляется. Несколько миллиардов лет назад земные сутки длились 22 часа. В далеком будущем Земля замедлится настолько, что ее сутки синхронизируются с лунными, и тогда приливно-отливные явления исчезнут.
Воздействие Солнца
Гравитационное воздействие Солнца на Землю не так выражено, как лунное. Звезда как притягивающий объект гораздо крупнее Луны, но находится на значительном расстоянии от планеты. Поэтому солнечная приливная амплитуда меньше в 2 раза, чем лунная.
При полнолунии и новолунии три космических тела (Солнце, Луна, Земля) выстраиваются в линию. В результате солнечная амплитуда накладывается на лунную, отмечаются максимальные колебания воды – сизигийные.
Минимальный по силе прилив наблюдается при действии сил Луны и Солнца под прямым углом друг к другу. Он носит название квадратурный.
Разновидности
По длительности цикла приливы и отливы бывают следующих видов:
Как человек использует приливы и отливы
Приливно-отливный процесс обладает огромной силой, но эффективному использованию ее на данном этапе пока не научились. Гидроэлектростанции, работающие на энергии морских приливов, начали сооружать еще в 50 годы 20 века. Но они технически несовершенны, их производительность неудовлетворительная. Поэтому сегодня приливная энергетика не распространена в мире.
Существует связь между судоходными реками и приливами. Во время морского прилива суда получают возможность зайти в реку на многие километры против течения, добраться до портового пункта. График движения судов капитаны сопоставляют с таблицами, в которых отмечено, когда будет подъем и спад воды.
В завершение следует отметить влияние колебаний океанической воды на живую природу. Особенно зависимы от процесса мелкие организмы прибрежной зоны. Их цикл жизни зависит от спада и подъема воды. Во время приливов и отливов представители фауны ищут пищу, перебираются на новое место обитания. Но даже глубоководные организмы чувствительны к колебаниям воды: с приливным циклом у них связаны изменения метаболизма и половой активности.
Приливы и отливы на Земле
Приливы и отливы — это периодические повышения и понижения уровня воды в океане или море. Они происходят под влиянием на Землю приливных сил Луны и Солнца.
Прилив поднимает воду к Земле, когда вода отступает, возникает отлив. Дважды в течение суток с промежутком времени можно наблюдать, как вода у берега поднимается и заливает часть суши. Спустя время уровень воды снова понижается и вода отступает, обнажая прибрежное дно.
Еще с древности люди наблюдали за этим явлением. Основную причину приливов и отливов впервые указал Исаак Ньютон. В 1687 году великий математик изложил закон всемирного тяготения. Этот закон послужил важнейшим шагом к научному пониманию природы приливов.
Что такое приливы и отливы
Приливы и отливы — ритмические поднятия и опускания уровня воды в океанах, вызванные притяжением Луны и Солнца. Они возникают два раза в день и регулярно сменяют друг друга.
Наша планета Земля входит в состав солнечной системы и является третьей по счёту планетой от Солнца. Она имеет единственный спутник — Луну. Положение Земли и её спутника определяют многие процессы, происходящие на Земле. Сила лунного притяжения и сила, возникающая при взаимном вращении Земли и Луны приводит к образования приливов и отливов на Земле.
Солнце гораздо удалено от Земли, поэтому оказывает меньшее влияние. Приливообразующая сила Луны больше в 2,17 раз, поэтому характеристики прилива в основном зависят от взаимного положения Луны и Земли.
Приливно-отливные процессы имеют следующий механизм:
В ходе отлива, когда вода начинает отходить (с разной скоростью) обратно в море может возникнуть отбойное течение – это сильное движение воды от берега. Оно наблюдаются в прибрежных зонах. Отбойное течение представляет угрозу для отдыхающих.
Опасность этого течения заключается в том, что оно формируется на малых глубинах. Человек может находиться недалеко от берега (на мелководье), а нарастающая вода может сбить с его ног и унести в открытое море (океан). Главное в таком случае, соблюдать меры предосторожности и технику безопасности. Даже первоклассные пловцы могут не справиться с отбойным течением в результате неправильных действий.
Продолжительность
В среднем полный приливно-отливной цикл длится 12-13 часов. Вращение планеты оказывает на процесс своё влияние — он имеет периодичность (т.е. происходит дважды в сутки). Вертикальный промежуток между пиком и минимумом называется приливной амплитудой.
Но гораздо важнее в приливно-отливном процессе не столько суточная, сколько месячная цикличность. Положение «малой» и «полной» отметки изменяется в зависимости от лунной фазы (т.е. полнолуния и новолуния). Так что частота максимальной приливной амплитуды составляет дважды в месяц, это же касается и минимальной.
На показатели приливной высоты влияет и особенность рельефа побережья. Например, если участок имеет воронкообразную форму, то во время движения приливной волны берег будет сжиматься. Уровень воды станет выше, чем на соседних участках суши, которые имеют отличную от него форму.
Наиболее высокие точки приливов наблюдаются в:
Причина приливов и отливов
Здесь оказывают влияние два главных фактора:
Рассмотрим подробнее каждый из них.
Воздействие Луны
Земля и её спутник — Луна неразрывно связаны друг с другом. Они оказывают друг на друга значительное влияние. Именно благодаря этой связи сохраняется определённое расстояние между орбитами этих космических тел. Планета и спутник стремительно приближаются друг к другу и также стремительно друг от друга отдаляются.
Во время приближения Луны к Земле, планетарная кора последней как бы выгибается в сторону объекта, который к ней притягивается. Именно по этой причине воды Мирового океана начинают смещаться, поднимаются над поверхностью планеты.
Но вот вопрос — куда же уходит вода при отливе, когда Луна отдаляется от Земли? Естественно, водная масса никуда не исчезает, она просто возвращается на своё прежнее место. Это говорит о том, что водные объёмы Земли постоянно перемещаются с места на место.
Интересно, что приливы в то же время происходят и на противоположной к Луне стороне Земли. И если в первом случае планетарная кора выгибается, что объясняет подъём водного пространства при притяжении спутника, то с противоположной стороны это же явление вызывается снижением силы притяжения. То есть там кора как бы оседает, а свободное пространство заполняется водой.
Так как оборот спутника Земли вокруг планеты составляет чуть больше 24 часов, то каждые последующие сутки время наступления прилива и отлива будет отодвигаться на 50 минут. Волна, которая движется со скоростью 1600 км/ч, будет «гнаться» за спутником, смещаясь за планетарные сутки на 13°.
В астрономии принято считать, что приливные волны оказывают влияние на скорость движения Земли. Они формируют течения, а те, в свою очередь, движутся, подвергая испытаниям силу сопротивления земной коры. Это замедляет планету.
Ещё каких-то несколько миллиардов лет назад земные сутки составляли 22 часа, поэтому можно с уверенностью прогнозировать, что в будущем Земля замедлится настолько, что её сутки полностью синхронизируются с лунными сутками, а приливно-отливные процессы прекратят существовать.
Воздействие Солнца
Солнце оказывает только небольшое воздействие на приливные силы. Оно находится на значительном расстоянии от планеты и её спутника (почти в 400 раз дальше от Земли, чем Луна).
При своём движении вокруг Земли Луна занимает различное положение относительно Солнца. Эти положении называются фазами (новолуние, нарождающаяся Луна, неполная Луна, полнолуние, неполная Луна, убывающая).
Во время полнолуния и новолуния сразу три косметических тела (Луна, Солнце и Земля) выстраиваются в линию. В результате таких перемещений солнечная амплитуда накладывается поверх лунной, это приводит к выраженным (максимальным) колебаниям воды. Их называют сизигийными. А минимальный прилив наблюдается тогда, когда действие сил Луны и Солнца находится под прямым углом. Такое явление называется квадратурным приливом.
Разновидности
Приливно-отливные циклы принято разделять по длительности:
Воздействие и использование человеком
Огромная сила приливно-отливных процессов не могла остаться без внимания человека.
Высочайшие на Земле приливы (15,6 — 18 м) наблюдаются в бухте Фанди (заливе в северо-восточной части залива Мэн). В России самые высокие приливы случаются в Пенжинской губе Охотского моря — до 12,9 м.
ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ
ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ, периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.
Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня – стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря – условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже – во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) – осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.
Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды – приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана.
В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».
Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.
Объяснение происхождения приливообразующих сил.
Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно бóльшую роль, чем массы тел.
Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.
Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30–60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной – обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.
Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
Неравенства величин прилива.
Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.
Полусуточный эффект.
Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе – вращению Земли вокруг своей оси – образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, – против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.
Полумесячное неравенство.
Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 14 3 /4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.
Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы – не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.
Лунное параллактическое неравенство.
Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 27 1 /2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 1 1 /2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.
Суточное неравенство.
Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения – вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.
Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.
Полугодовое неравенство.
Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0°. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0°. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.
Солнечное параллактическое неравенство.
Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.
Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.
Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.
Футшток
– это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.
Поплавковый футшток.
Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.
Гидростатический самописец уровня моря.
На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.
Таблицы приливов.
При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.
Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.
Приливы на реках и течения.
Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются бóльшими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.
Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60–90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р.Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу. См. также БОР.
Реверсивный водопад
(меняющий направление на противоположное) – это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример – водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного – 3,7 м.
Наибольшие амплитуды приливов.
Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.
Ветер и погода.
Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.
За счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм рт. ст., уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами).
Использование энергии приливов.
Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. В настоящее время крупные приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове и в Приморье, во Франции в эстуарии р.Ранс, в Китае близ Шанхая, а также в других районах земного шара.
| СВЕДЕНИЯ О ПРИЛИВАХ В НЕКОТОРЫХ ПОРТАХ МИРА | ||||
| Порт | Интервал между приливами | Средняя высота прилива, м | Высота сизигийного прилива, м | |
| ч | мин | |||
| м. Моррис-Джесеп, Гренландия, Дания | 10 | 49 | 0,12 | 0,18 |
| Рейкьявик, Исландия | 4 | 50 | 2,77 | 3,66 |
| р. Коксоак, Гудзонов пролив, Канада | 8 | 56 | 7,65 | 10,19 |
| Сент-Джонс, Ньюфаундленд, Канада | 7 | 12 | 0,76 | 1,04 |
| Барнтко, залив Фанди, Канада | 0 | 09 | 12,02 | 13,51 |
| Портленд, шт. Мэн, США | 11 | 10 | 2,71 | 3,11 |
| Бостон, шт. Массачусетс, США | 11 | 16 | 2,90 | 3,35 |
| Нью-Йорк, шт. Нью-Йорк, США | 8 | 15 | 1,34 | 1,62 |
| Балтимор, шт. Мэриленд, США | 6 | 29 | 0,33 | 0,40 |
| Майами-Бич, шт. Флорида, США | 7 | 37 | 0,76 | 0,91 |
| Галвестон, шт. Техас, США | 5 | 07 | 0,30 | 0,43* |
| о. Марака, Бразилия | 6 | 00 | 6,98 | 9,15 |
| Рио-де-Жанейро, Бразилия | 2 | 23 | 0,76 | 1,07 |
| Каллао, Перу | 5 | 36 | 0,55 | 0,73 |
| Бальбоа, Панама | 3 | 05 | 3,84 | 5,00 |
| Сан-Франциско, шт. Калифорния, США | 11 | 40 | 1,19 | 1,74* |
| Сиэтл, шт.Вашингтон, США | 4 | 29 | 2,32 | 3,45* |
| Нанаймо, пров.Британская Колумбия, Канада | 5 | 00 | . | 3,42* |
| Ситка, шт.Аляска, США | 0 | 07 | 2,35 | 3,02* |
| Санрайз, залив Кука, шт. Аляска, США | 6 | 15 | 9,24 | 10,16 |
| Гонолулу, шт. Гавайи, США | 3 | 41 | 0,37 | 0,58* |
| Папеэте, о. Таити, Французская Полинезия | . | . | 0,24 | 0,33 |
| Дарвин, Австралия | 5 | 00 | 4,39 | 6,19 |
| Мельбурн, Австралия | 2 | 10 | 0,52 | 0,58 |
| Рангун, Мьянма | 4 | 26 | 3,90 | 4,97 |
| Занзибар, Танзания | 3 | 28 | 2,47 | 3,63 |
| Кейптаун, ЮАР | 2 | 55 | 0,98 | 1,31 |
| Гибралтар, влад. Великобритании | 1 | 27 | 0,70 | 0,94 |
| Гранвиль,Франция | 5 | 45 | 8,69 | 12,26 |
| Лит, Великобритания | 2 | 08 | 3,72 | 4,91 |
| Лондон, Великобритания | 1 | 18 | 5,67 | 6,56 |
| Дувр, Великобритания | 11 | 06 | 4,42 | 5,67 |
| Эйвонмут, Великобритания | 6 | 39 | 9,48 | 12,32 |
| Рамси, о. Мэн, Великобритания | 10 | 55 | 5,25 | 7,17 |
| Осло, Норвегия | 5 | 26 | 0,30 | 0,33 |
| Гамбург, Германия | 4 | 40 | 2,23 | 2,38 |
| * Суточная амплитуда прилива. | ||||
Шулейкин В.В. Физика моря. М., 1968
Гарвей Дж. Атмосфера и океан. М., 1982
Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М., 1982