Энциклопедия Кольера - приливы и отливы
Приливы и отливы
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 большую 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 приблизительно в 89 раз 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 143/4 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 271/2 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 11/2 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 0В°. 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 0В°. 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 большими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.
Бор. 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.
ЛИТЕРАТУРА
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
Вопрос-ответ:
