Прилив

Упрощенная схема только лунной части земных приливов, показывающая (преувеличенно) приливы в подлунной точке и ее антипод для гипотетического случая океана постоянной глубины без суши. Солнечные приливы не показаны.

В штате Мэн (США) отлив происходит примерно при восходе Луны, а прилив — при высокой Луне, что соответствует простой гравитационной модели двух приливных выпуклостей; однако в большинстве мест Луна и приливы имеют фазовый сдвиг .

Воспроизвести медиа

Наступает прилив, видео останавливается примерно за 1 + 1 ⁄ 2 часа до прилива.

Приливы — это повышение и понижение уровня моря, вызванное совместным действием гравитационных сил Луны и Солнца и вращения Земли .

Таблицы приливов и отливов можно использовать для любого заданного места, чтобы найти предсказанное время и амплитуду (или « диапазон приливов »). На прогнозы влияют многие факторы, включая выравнивание Солнца и Луны, фазу и амплитуду прилива (характер приливов в глубоком океане), амфидромные системы океанов, а также форму береговой линии и прибрежной зоны. батиметрия (см. Хронометраж ). Однако это всего лишь прогнозы, на фактическое время и высоту прилива влияют ветер и атмосферное давление. Многие береговые линии испытывают полусуточные приливы — два почти равных прилива и отлива каждый день. В других местах есть дневнойприлив — один прилив и отлив каждый день. «Смешанный прилив» — два прилива разной величины в день — это третья регулярная категория. ^{[1] [2] [а]}

Приливы изменяются в масштабах времени от часов до лет из-за ряда факторов, которые определяют лунный интервал . Чтобы вести точные записи, мареографы на стационарных станциях измеряют уровень воды с течением времени. Датчики игнорируют изменения, вызванные волнами с периодами короче минут. Эти данные сравниваются с эталонным (или исходным) уровнем, обычно называемым средним уровнем моря . ^[3]

Хотя приливы обычно являются крупнейшим источником краткосрочных колебаний уровня моря, на уровень моря также влияют такие силы, как ветер и изменения атмосферного давления, что приводит к штормовым нагонам , особенно на мелководье и вблизи побережья.

Приливные явления не ограничиваются океанами, но могут возникать и в других системах всякий раз, когда присутствует гравитационное поле, изменяющееся во времени и пространстве. Например, на форму твердой части Земли слегка влияет земной прилив , хотя это не так легко увидеть, как приливные движения воды.

Характеристики

Приливные изменения проходят через два основных этапа:

• Вода перестает падать, достигая локального минимума , называемого отливом .
• Вода перестает подниматься, достигая локального максимума, называемого приливом .

В некоторых регионах возможны дополнительные два этапа:

• Уровень моря поднимается в течение нескольких часов, охватывая приливную зону ; прилив .
• Уровень моря падает в течение нескольких часов, обнажая приливную зону; отлив .

Осциллирующие течения , создаваемые приливами, известны как приливные течения или приливные течения . Момент, когда приливное течение прекращается, называется слабой водой или слабым приливом . Затем прилив меняет направление и, как говорят, поворачивается. Застой воды обычно возникает вблизи половодья и малой воды, но есть места, где моменты застоя значительно отличаются от моментов прилива и малой воды. ^[4]

Приливы обычно полусуточные (два прилива и два отлива каждый день) или суточные (один приливный цикл в день). Два паводка в данный день обычно не имеют одинаковой высоты (дневное неравенство); это более высокий паводок и более низкий паводок в таблицах приливов и отливов . Точно так же два маловодья каждый день - это более высокая межень и более низкая межень . Ежедневное неравенство непостоянно и обычно невелико, когда Луна находится над экватором . ^[b]

Опорные уровни

Можно определить следующие контрольные уровни приливов, от самого высокого уровня до самого низкого:

• Самый высокий астрономический прилив (HAT) — самый высокий прилив, который можно предсказать. Обратите внимание, что метеорологические условия могут увеличить высоту HAT.
• Средние приливы (MHWS) – среднее значение двух приливов в дни весенних приливов.
• Средние приливы (MHWN) – среднее значение двух приливов в дни приливов.
• Средний уровень моря (MSL) — это средний уровень моря. MSL является постоянным для любого местоположения в течение длительного периода времени.
• Средняя маловодность (MLWN) – среднее значение двух отливов в дни маловодья.
• Средняя маловодность источников (MLWS) – среднее значение двух отливов в дни весенних приливов.
• Самый низкий астрономический прилив (LAT) — самый низкий прилив, который можно предсказать. ^[6]

Приливные составляющие

Приливные составляющие являются чистым результатом множественных влияний, влияющих на приливные изменения в течение определенных периодов времени. Основные составляющие включают вращение Земли, положение Луны и Солнца относительно Земли, высоту (возвышение) Луны над экватором Земли и батиметрию . Вариации с периодами менее половины суток называются гармоническими составляющими . И наоборот, циклы дней, месяцев или лет называются составляющими длительного периода .

Приливные силы воздействуют на всю Землю , но движение твердой Земли происходит на считанные сантиметры. Напротив, атмосфера гораздо более текучая и сжимаемая, поэтому ее поверхность перемещается на километры в смысле контурного уровня определенного низкого давления во внешней атмосфере.

Основная лунная полусуточная составляющая

В большинстве мест самой большой составляющей является основная лунная полусуточная составляющая , также известная как приливная составляющая M2 или _{приливная} составляющая M2 . Его период составляет около 12 часов 25,2 минуты, ровно половину приливных лунных суток , что является средним временем, отделяющим один лунный зенит от другого, и, таким образом, это время, необходимое Земле для одного оборота относительно Луны. Простые приливные часы отслеживают эту составляющую. Лунный день длиннее земного, потому что Луна вращается в том же направлении, что и Земля. Это аналогично тому, как минутная стрелка на часах пересекает часовую стрелку в 12:00, а затем снова примерно в 1:05½ (не в 1:00).

Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, что и Земля вокруг своей оси, поэтому Луне требуется чуть больше суток — около 24 часов 50 минут, чтобы вернуться в то же место на небе. За это время он один раз прошел над головой ( кульминация ) и один раз под ногами (под часовым углом 00:00 и 12:00 соответственно), поэтому во многих местах период наибольшего приливно-отливного воздействия совпадает с указанным выше, около 12 часов. и 25 минут. Момент наивысшего прилива не обязательно наступает тогда, когда Луна находится ближе всего к зениту или надиру , но период воздействия по-прежнему определяет время между приливами.

Поскольку гравитационное поле, создаваемое Луной, ослабевает по мере удаления от Луны, оно оказывает немного большую, чем в среднем, силу на стороне Земли, обращенной к Луне, и немного меньшую силу на противоположной стороне. Таким образом, Луна имеет тенденцию слегка «растягивать» Землю вдоль линии, соединяющей два тела. Твердая Земля немного деформируется, но океанская вода, будучи жидкой, может двигаться гораздо больше в ответ на приливную силу, особенно в горизонтальном направлении (см. Равновесный прилив ).

По мере вращения Земли величина и направление приливной силы в любой конкретной точке земной поверхности постоянно меняются; хотя океан никогда не достигает равновесия - у жидкости никогда не бывает времени, чтобы «догнать» состояние, которого она в конечном итоге достигла бы, если бы приливная сила была постоянной, - изменяющаяся приливная сила, тем не менее, вызывает ритмические изменения высоты поверхности моря.

Когда каждый день бывает два прилива разной высоты (и два отлива тоже разной высоты), такая картина называется смешанным полусуточным приливом . ^[8]

Вариация диапазона: пружины и рывки

Полусуточный ход (разность высот между половодьем и меженью примерно за полдня) изменяется по двухнедельному циклу. Приблизительно два раза в месяц, в период новолуния и полнолуния , когда Солнце, Луна и Земля образуют линию (конфигурация, известная как сизигия ^[9] ), приливная сила Солнца усиливает приливную силу Луны. Тогда диапазон прилива максимален; это называется весенним приливом . Он не назван в честь времени года , но, как и это слово, происходит от значения «прыгать, вырываться, подниматься», как в естественном источнике . Весенние приливы иногда называют сизигийными приливами . ^[10]

Когда Луна находится в первой четверти или третьей четверти, Солнце и Луна разделены на 90 °, если смотреть с Земли, и солнечная приливная сила частично компенсирует приливную силу Луны. В эти моменты лунного цикла амплитуда прилива минимальна; это называется neap tide , или neaps . «Neap» — это англосаксонское слово, означающее «без силы», как и в forðganges nip (идущий вперед без силы). ^[11] Неаптальные приливы иногда называют квадратурными приливами . ^[10]

Весенние приливы приводят к паводкам, которые выше среднего, отливам, которые ниже среднего, время « застойной воды » короче, чем в среднем, и более сильным приливным течениям, чем в среднем. Неапы приводят к менее экстремальным приливным условиям. Между весной и месяцем проходит около семи дней.

• Весенний прилив: Солнце и Луна на одной стороне (0°)

• Квадратный прилив: Солнце и Луна под углом 90° .

• Весенний прилив: Солнце и Луна на противоположных сторонах (180°)

• Краткосрочный прилив: Солнце и Луна на 270° .

• Весенний прилив: Солнце и Луна на одной стороне (цикл перезапускается)

Лунное расстояние

Изменение расстояния, разделяющего Луну и Землю, также влияет на высоту приливов. Когда Луна находится ближе всего, в перигее , дальность увеличивается, а когда она находится в апогее , дальность уменьшается. Шесть или восемь раз в год перигей совпадает либо с новолунием, либо с полнолунием, вызывая перигейские весенние приливы с наибольшим диапазоном приливов . Разница между высотой прилива во время перигейского весеннего прилива и весеннего прилива, когда Луна находится в апогее, зависит от местоположения, но может быть больше, чем на фут. ^[12]

Другие составляющие

К ним относятся солнечные гравитационные эффекты, наклон (наклон) земного экватора и оси вращения, наклон плоскости лунной орбиты и эллиптическая форма земной орбиты Солнца.

Сложный прилив (или прилив) возникает в результате взаимодействия двух его родительских волн на мелководье. ^[13]

Фаза и амплитуда

Поскольку в большинстве мест преобладает приливная составляющая M _{2 , полезным понятием является стадия или} фаза прилива, обозначаемая временем в часах после половодья. Приливная стадия также измеряется в градусах, с 360 ° за приливный цикл. Линии постоянной приливной фазы называются котидальными линиями , которые аналогичны контурным линиям постоянной высоты на топографических картах и при нанесении на них образуют котидальную карту или котидальную диаграмму . ^[16]Половодье достигается одновременно вдоль котидальных линий, идущих от берега в океан, а котидальные линии (и, следовательно, приливные фазы) продвигаются вдоль берега. Полусуточные и длиннофазные составляющие отсчитываются от прилива, суточные от максимального прилива. Это и последующее обсуждение верно только для одной приливной составляющей.

Для океана в форме круглого бассейна, окруженного береговой линией, котидальные линии направлены радиально внутрь и должны в конечном итоге встретиться в общей точке, амфидромной точке . Амфидромная точка одновременно котидальна с приливом и отливом, что удовлетворяется нулевым приливным движением. (Редкое исключение возникает, когда прилив окружает остров, как это происходит вокруг Новой Зеландии, Исландии и Мадагаскара .) Приливное движение обычно уменьшается по мере удаления от континентальных берегов, так что пересекающиеся котидальные линии представляют собой контуры с постоянной амплитудой .(половина расстояния между приливом и отливом), которые уменьшаются до нуля в амфидромной точке. Для полусуточных приливов амфидромную точку можно представить себе примерно как центр циферблата часов, при этом часовая стрелка указывает в направлении котидальной линии прилива, которая находится прямо напротив котидальной линии отлива. Половодье совершает оборот вокруг амфидромной точки каждые 12 часов в направлении восходящих котидальных линий и в сторону от отливных котидальных линий. Это вращение, вызванное эффектом Кориолиса , обычно происходит по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой стрелки в северном полушарии. Отличие котидальной фазы от фазы опорного прилива есть эпоха. Эталонный прилив - это гипотетическая составляющая «равновесного прилива» на безземной Земле, измеренная на 0 ° долготы Гринвичского меридиана. ^[17]

В Северной Атлантике, поскольку котидальные линии вращаются вокруг амфидромной точки против часовой стрелки, прилив проходит через гавань Нью-Йорка примерно на час раньше гавани Норфолк. К югу от мыса Хаттерас приливные силы более сложны, и их нельзя надежно предсказать на основе котидальных линий Северной Атлантики.

История

История приливной теории

Исследование физики приливов имело важное значение на раннем этапе развития небесной механики , поскольку существование двух ежедневных приливов объяснялось гравитацией Луны. Позднее суточные приливы стали объяснять более точно взаимодействием гравитации Луны и Солнца.

Около 150 г. до н.э. Селевк из Селевкии предположил, что приливы вызываются Луной. Влияние Луны на водоемы также упоминается в « Тетрабиблос » Птолемея . ^[c]

В De temporum ratione ( «Исчисление времени» ) 725 г. Беда связал полусуточные приливы и явление различной высоты приливов с Луной и ее фазами. Беде начинает с того, что отмечает, что каждый день приливы и отливы на 4/5 часа позже, так же как Луна восходит и заходит на 4/5 часа позже. ^[19] Далее он подчеркивает, что за два лунных месяца (59 дней) Луна совершает оборот вокруг Земли 57 раз и происходит 114 приливов. ^[20] Затем Беда замечает, что высота приливов меняется в течение месяца. Приливы называются malinae , а приливы - ledones , и что месяц делится на четыре части по семь или восемь дней с чередованием malinae.и ледоны . ^[21] В том же отрывке он также отмечает, что ветры сдерживают приливы. ^[21] Беда также отмечает, что время приливов варьируется от места к месту. К северу от местонахождения Беды ( Monkwearmouth ) приливы раньше, к югу позже. ^[22] Он объясняет, что прилив «оставляет эти берега для того, чтобы быть в состоянии затопить другие [берега], когда он достигает их», отмечая, что «Луна, которая сигнализирует о подъеме прилива здесь, сигнализирует о его отступлении». в других областях, далеких от этой четверти неба». ^[22]

Средневековое понимание приливов и отливов основывалось прежде всего на работах мусульманских астрономов , которые стали доступны в латинском переводе , начиная с 12 века. ^[23] Абу Машар (ум. около 886 г.) в своем « Введении в астрономию » учил, что приливы и отливы вызываются Луной. ^[23] Абу Машар обсудил влияние ветра и фаз Луны относительно Солнца на приливы и отливы. ^[23] В 12 веке аль-Битруджи (ум. около 1204 г.) высказал идею о том, что приливы и отливы вызываются общим круговоротом небес. ^[23]

Саймон Стевин в своей книге 1608 года «De spiegheling der Ebbenvloet» ( «Теория приливов и отливов ») отверг большое количество существовавших до сих пор неверных представлений о приливах и отливах. Стевин отстаивал идею о том, что притяжение Луны вызывает приливы, и ясно говорил об отливах, приливах, весенних и квадрантных приливах , подчеркивая необходимость дальнейших исследований. ^{[24] [25]}

В 1609 году Иоганн Кеплер также правильно предположил, что гравитация Луны вызывает приливы, ^[d] что он основывал на древних наблюдениях и корреляциях.

Галилео Галилей в своем «Диалоге о двух главных мировых системах» 1632 года, рабочим названием которого было «Диалог о приливах », дал объяснение приливам. Полученная теория, однако, была неверной, поскольку он приписывал приливы выплескиванию воды, вызванному движением Земли вокруг Солнца. Он надеялся предоставить механические доказательства движения Земли. Ценность его приливной теории оспаривается. Галилей отверг кеплеровское объяснение приливов и отливов.

Исаак Ньютон (1642–1727) был первым, кто объяснил приливы как продукт гравитационного притяжения астрономических масс. Его объяснение приливов (и многих других явлений) было опубликовано в Principia (1687 г.) ^{[27] [28]} и использовало его теорию всемирного тяготения для объяснения лунного и солнечного притяжения как источника приливных сил. ^[e] Ньютон и другие до Пьера-Симона Лапласа работали над проблемой с точки зрения статической системы (теория равновесия), которая обеспечивала приближение, описывающее приливы, которые могли бы происходить в неинерционном океане, равномерно покрывающем всю Землю. ^[27]Приливообразующая сила (или соответствующий ей потенциал ) по-прежнему актуальна для теории приливов, но скорее как промежуточная величина (вынуждающая функция), чем как конечный результат; теория должна также учитывать накопленную динамическую приливную реакцию Земли на приложенные силы, на которую влияют глубина океана, вращение Земли и другие факторы. ^[29]

В 1740 году Королевская академия наук в Париже предложила приз за лучшее теоретическое эссе о приливах и отливах. Даниэль Бернулли , Леонард Эйлер , Колин Маклорен и Антуан Каваллери разделили приз. ^[30]

Маклорен использовал теорию Ньютона, чтобы показать, что гладкая сфера, покрытая достаточно глубоким океаном под действием приливной силы одиночного деформирующегося тела, представляет собой вытянутый сфероид (по сути, трехмерный овал) с большой осью, направленной к деформирующемуся телу. Маклорен был первым, кто написал о влиянии вращения Земли на движение. Эйлер понял, что горизонтальная составляющая приливной силы (больше, чем вертикальная) управляет приливом. В 1744 году Жан ле Рон д'Аламбер изучал приливные уравнения для атмосферы, которые не включали вращение.

В 1770 году барк Джеймса Кука HMS Endeavour сел на мель у Большого Барьерного рифа . Были предприняты попытки снять его с мели во время следующего прилива, которые не увенчались успехом, но последующий прилив с легкостью поднял ее. Пока судно ремонтировалось в устье реки Индевор, Кук наблюдал за приливами в течение семи недель. Во время приливов оба прилива в течение дня были одинаковыми, но весной приливы поднимались на 7 футов (2,1 м) утром и на 9 футов (2,7 м) вечером. ^[31]

Пьер-Симон Лаплас сформулировал систему дифференциальных уравнений в частных производных, связывающую горизонтальный поток океана с высотой его поверхности, что стало первой крупной динамической теорией приливов и отливов. Приливные уравнения Лапласа используются до сих пор . Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , переписал уравнения Лапласа с точки зрения завихренности , которые позволили найти решения, описывающие прибрежные захваченные волны, известные как волны Кельвина . ^{[32] [33] [34]}

Другие, включая Кельвина и Анри Пуанкаре , развили теорию Лапласа. На основе этих разработок и лунной теории Э. У. Брауна , описывающей движения Луны, Артур Томас Дудсон разработал и опубликовал в 1921 г. ^[35] первую современную разработку приливообразующего потенциала в гармонической форме: Дудсон выделил 388 приливных частот. ^[36] Некоторые из его методов остаются в использовании. ^[37]

История приливных наблюдений

С древних времен наблюдения за приливами и их обсуждение стали более изощренными, сначала отмечая ежедневное повторение, а затем связь приливов с Солнцем и Луной. Пифей отправился на Британские острова около 325 г. до н.э. и, кажется, был первым, кто связал весенние приливы с фазой луны.

Во 2 веке до нашей эры эллинистический астроном Селевк из Селевкии правильно описал явление приливов, чтобы поддержать свою гелиоцентрическую теорию. ^[38] Он правильно предположил, что приливы были вызваны Луной , хотя он считал, что взаимодействие было опосредовано пневмой . Он отметил, что приливы различаются по времени и силе в разных частях мира. Согласно Страбону (1.1.9), Селевк первым связал приливы с лунным притяжением и что высота приливов зависит от положения Луны относительно Солнца. ^[39]

В Naturalis Historia Плиния Старшего собрано множество наблюдений за приливами, например, весенние приливы наступают через несколько дней после (или до) новолуния и полнолуния и достигают наибольшего значения в дни равноденствий, хотя Плиний отметил многие взаимосвязи, которые теперь считаются вымышленными. В своей « Географии » Страбон описал, что приливы в Персидском заливе имеют наибольшую амплитуду, когда Луна находится дальше всего от плоскости экватора. И все это, несмотря на относительно небольшую амплитуду приливов Средиземноморского бассейна. (Сильные течения через пролив Еврип и Мессинский пролив озадачили Аристотеля .) Филостратобсуждал приливы и отливы в пятой книге «Жизни Аполлония Тианского» . Филострат упоминает луну, а приливы приписывает «духам». В Европе около 730 г. н.э. преподобный Беда описал, как прилив на одном побережье Британских островов совпадал с отливом на другом, и описал течение времени половодья вдоль побережья Нортумбрии.

Первая таблица приливов и отливов в Китае была зарегистрирована в 1056 году нашей эры в первую очередь для посетителей, желающих увидеть знаменитый приливный канал в реке Цяньтан . Считается, что первая известная британская таблица приливов и отливов принадлежит Джону Уоллингфорду , умершему аббатом Сент-Олбанса в 1213 году, на основании паводка, который каждый день происходит на 48 минут позже и на три часа раньше в устье Темзы , чем вверх по реке в Лондоне . ^[40]

В 1614 году Клод д'Абвиль опубликовал работу «Histoire de la Mission de pères capucins en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines» , в которой он показал, что народ тупинамба уже имел представление о связи между Луной и приливами до Европы. . ^[41]

Уильям Томсон (лорд Кельвин) возглавил первый систематический гармонический анализ записей о приливах, начиная с 1867 года. Основным результатом стало создание машины для предсказания приливов, использующей систему шкивов для сложения шести гармонических функций времени. Он был «запрограммирован» путем сброса шестерен и цепей для регулировки фаз и амплитуд. Подобные машины использовались до 1960-х годов. ^[42]

Первая известная запись уровня моря для всего цикла весна–сезон была сделана в 1831 году в военно-морском доке в устье Темзы . К 1850 году во многих крупных портах были автоматические водомерные станции.

Джон Лаббок был одним из первых, кто нанес на карту соприливные линии для Великобритании, Ирландии и прилегающих побережий в 1840 году . ^{[ 43]} Уильям Уэвелл расширил эту работу, закончив ее почти глобальной картой в 1836 году. эти карты согласовывались, он выдвинул гипотезу о существовании региона без приливов и отливов, где соприливные линии встречаются в середине океана. Существование такой амфидромной точки , как они теперь известны, было подтверждено в 1840 г. капитаном Уильямом Хьюеттом, штат Р.Н. , путем тщательного зондирования в Северном море . ^{[45] [46] [32]}

Физика

Силы

Приливная сила, создаваемая массивным объектом (далее — Луной) на маленькую частицу, расположенную на протяженном теле (Земля, далее) или внутри него, — это разность векторов между гравитационной силой, действующей на частицу со стороны Луны, и гравитационной силой, которая действует на частицу. действовало бы на частицу, если бы она находилась в центре масс Земли.

В то время как гравитационная сила , действующая на небесное тело на Земле, изменяется обратно пропорционально квадрату его расстояния до Земли, максимальная приливная сила изменяется обратно пропорционально кубу этого расстояния. ^[47] Если бы приливная сила, вызванная каждым телом, была равна его полной гравитационной силе (что не так из-за свободного падения всей Земли, а не только океанов, к этим телам), то другая картина приливных сил наблюдалось бы, например, при гораздо более сильном влиянии со стороны Солнца, чем со стороны Луны: Солнечная гравитационная сила на Земле в среднем в 179 раз сильнее лунной, но поскольку Солнце находится в среднем в 389 раз дальше от Земли, его градиент поля слабее. Приливная сила пропорциональна

${\displaystyle {\text{tidal force}}\propto {\frac {M}{d^{3}}}\propto \rho \left({\frac {r}{d}}\right)^{3}}$

где M — масса небесного тела, d — расстояние до него, ρ — его средняя плотность, r — его радиус. Отношение r/d связано с углом, под которым находится объект в небе. Поскольку Солнце и Луна имеют практически одинаковый диаметр на небе, приливная сила Солнца меньше, чем у Луны, потому что его средняя плотность намного меньше, и он всего на 46% больше лунного. ^[f] Точнее, лунное приливное ускорение (вдоль оси Луна-Земля, у поверхности Земли) составляет около 1,1 × 10 ^-7 g , а солнечное приливное ускорение (вдоль оси Солнце-Земля, у поверхности Земли) составляет около 0,52 × ^10–7 г , гдеg — ускорение свободного падения у поверхности Земли. ^[g] Влияние других планет зависит от их расстояния от Земли. Когда Венера находится ближе всего к Земле, ее эффект в 0,000113 раз превышает солнечный эффект. В другое время наибольший эффект могут оказать Юпитер или Марс.

Поверхность океана аппроксимируется поверхностью, называемой геоидом , которая учитывает гравитационную силу Земли, а также центробежную силу .из-за вращения. Теперь рассмотрим влияние массивных внешних тел, таких как Луна и Солнце. Эти тела имеют сильные гравитационные поля, которые уменьшаются с расстоянием и заставляют поверхность океана отклоняться от геоида. Они устанавливают новую равновесную поверхность океана, которая выпячивается к Луне с одной стороны и от Луны с другой стороны. Вращение Земли относительно этой формы вызывает суточный приливный цикл. Поверхность океана стремится к этой равновесной форме, которая постоянно меняется, и никогда полностью ее не достигает. Когда поверхность океана не выровнена с ним, создается впечатление, что поверхность наклонена, и вода ускоряется в направлении вниз по склону.

Равновесие

Равновесный прилив - это идеализированный прилив, предполагающий безземельную Землю. ^[48] Это создаст приливную выпуклость в океане, имеющую форму эллипсоида, вытянутого к притягивающему телу (Луне или Солнцу). Это не вызвано вертикальным натяжением, ближайшим или самым дальним от тела, которое очень слабо; скорее, это вызвано касательной или «тяговой» приливной силой, которая наиболее сильна примерно под углом 45 градусов от тела, что приводит к горизонтальному приливному течению. ^{[ч] [и] [й] [52]}

Приливные уравнения Лапласа

Глубины океана намного меньше их горизонтальной протяженности. Таким образом, реакцию на приливное воздействие можно смоделировать с помощью приливных уравнений Лапласа, которые включают следующие особенности:

• Вертикальная (или радиальная) скорость пренебрежимо мала, вертикального сдвига нет — это плоскостное течение.
• Форсирование только горизонтальное ( тангенциальное ).
• Эффект Кориолиса проявляется как сила инерции (фиктивная), действующая сбоку от направления потока и пропорциональная скорости.
• Скорость изменения высоты поверхности пропорциональна отрицательной дивергенции скорости, умноженной на глубину. По мере того, как горизонтальная скорость растягивает или сжимает океан как лист, объем, соответственно, утончается или утолщается.

Граничные условия диктуют отсутствие течения через береговую линию и свободное скольжение по дну.

Эффект Кориолиса (сила инерции) направляет потоки, движущиеся к экватору, на запад, и потоки, удаляющиеся от экватора на восток, что позволяет волнам захватывать прибрежные воды. Наконец, можно добавить член диссипации, который является аналогом вязкости.

Амплитуда и время цикла

Теоретическая амплитудаокеанских приливов, вызванных Луной, составляет около 54 сантиметров (21 дюйм) в самой высокой точке, что соответствует амплитуде, которая была бы достигнута, если бы океан имел одинаковую глубину, не было массивов суши, а Земля вращалась в ногу с орбита Луны. Солнце также вызывает приливы, теоретическая амплитуда которых составляет около 25 сантиметров (9,8 дюйма) (46% амплитуды Луны) с периодом цикла 12 часов. Во время весеннего прилива эти два эффекта складываются друг с другом до теоретического уровня 79 сантиметров (31 дюйм), а во время прилива теоретический уровень снижается до 29 сантиметров (11 дюймов). Поскольку орбиты Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли имеют эллиптическую форму, приливные амплитуды несколько меняются в результате различных расстояний Земля-Солнце и Земля-Луна.Это вызывает изменение приливной силы и теоретической амплитуды примерно на ± 18% для Луны и ± 5% для Солнца. Если бы и Солнце, и Луна находились в своих ближайших позициях и выровнялись в новолуние, теоретическая амплитуда достигла бы 93 сантиметров (37 дюймов).

Реальные амплитуды значительно различаются не только из-за вариаций глубины и континентальных препятствий, но и потому, что распространение волн через океан имеет естественный период того же порядка, что и период вращения: если бы не было массивов суши, для этого потребовалось бы около 30 часов, чтобы длинноволновая поверхностная волна распространилась вдоль экватора на полпути вокруг Земли (для сравнения, литосфера Земли имеет естественный период около 57 минут). Земные приливы , которые поднимают и опускают дно океана, и собственное гравитационное притяжение прилива являются значительными и еще больше усложняют реакцию океана на приливные силы.

рассеяние

Приливные колебания Земли вносят диссипацию со средней скоростью около 3,75 тераватт . ^[53] Около 98% этого рассеивания приходится на морское приливное движение. ^[54] Рассеивание возникает, когда приливные потоки в масштабе бассейна управляют потоками меньшего масштаба, которые испытывают турбулентное рассеяние. Это приливное сопротивление создает на Луне крутящий момент, который постепенно передает угловой момент на ее орбиту, а также постепенное увеличение расстояния между Землей и Луной. Равный и противоположный крутящий момент на Земле соответственно уменьшает скорость ее вращения. Таким образом, в течение геологического времени Луна удаляется от Земли примерно на 3,8 сантиметра (1,5 дюйма) в год, что удлиняет земные сутки. ^[k] Продолжительность дня увеличиласьпримерно на 2 часа за последние 600 миллионов лет. Если предположить (в качестве грубого приближения), что скорость замедления была постоянной, это будет означать, что 70 миллионов лет назад продолжительность дня была примерно на 1% короче, а в году было еще примерно 4 дня.

Батиметрия

Форма береговой линии и дна океана меняет способ распространения приливов, поэтому не существует простого общего правила, позволяющего предсказывать время половодья по положению Луны на небе. Прибрежные характеристики, такие как подводная батиметрия и форма береговой линии, означают, что индивидуальные характеристики местоположения влияют на прогнозирование приливов и отливов; фактическое время и высота половодья могут отличаться от предсказаний модели из-за влияния морфологии побережья на приливный поток. Однако для данного местоположения соотношение между лунной высотой и временем прилива или отлива ( лунный интервал ) относительно постоянно и предсказуемо, как и время прилива или отлива относительно других точек на том же побережье. Например, прилив вНорфолк, штат Вирджиния , США, как и следовало ожидать, произойдет примерно за два с половиной часа до того, как Луна пройдет прямо над головой.

Массивы суши и океанические бассейны действуют как барьеры для воды, свободно перемещающейся по земному шару, а их разнообразные формы и размеры влияют на величину частоты приливов и отливов. В результате приливы и отливы меняются. Например, в США на восточном побережье преобладают полусуточные приливы, как и на атлантическом побережье Европы, а на западном побережье преобладают смешанные приливы. ^{[56] [57] [58]} Человеческие изменения ландшафта также могут значительно изменить местные приливы. ^[59]

Наблюдение и предсказание

Сроки

Приливные силы, вызванные Луной и Солнцем, создают очень длинные волны, которые распространяются по всему океану, следуя путям, показанным на картах приливов и отливов . Время, когда гребень волны достигает порта, дает время паводка в порту. Время, необходимое волне, чтобы пройти вокруг океана, также означает, что существует задержка между фазами Луны и их влиянием на прилив. Весна и рай в Северном море , например, на два дня отстают от новолуния/полнолуния и первой/третьей четверти луны. Это называется эпохой прилива . ^{[60] [61]}

Батиметрия океана сильно влияет на точное время и высоту прилива в конкретной точке побережья . Есть несколько крайних случаев; часто говорят, что в заливе Фанди на восточном побережье Канады наблюдаются самые высокие в мире приливы из-за его формы, батиметрии и удаленности от края континентального шельфа. ^[62] Измерения, проведенные в ноябре 1998 года в Бернткоут-Хед в заливе Фанди, зафиксировали максимальную дальность 16,3 метра (53 фута) и максимальную прогнозируемую дальность 17 метров (56 футов). ^{[63] [64]} Аналогичные измерения, проведенные в марте 2002 г. в бассейне Лиф, залив Унгава в северной части Квебека .дал аналогичные значения (с учетом ошибок измерения), максимальную дальность 16,2 метра (53 фута) и максимальное прогнозируемое значение 16,8 метра (55 футов). ^{[63] [64]} Залив Унгава и залив Фанди находятся на одинаковом расстоянии от края континентального шельфа, но залив Унгава свободен от паковых льдов примерно четыре месяца в году, а залив Фанди редко замерзает.

Саутгемптон в Соединенном Королевстве имеет двойное половодье, вызванное взаимодействием между приливными составляющими M ₂ и M 4 (мелководные приливы основных лунных). ^[65] Портленд имеет двойное маловодье по той же причине. Прилив М ₄ наблюдается по всему южному побережью Соединенного Королевства, но его влияние наиболее заметно между островом Уайт и Портлендом , поскольку в этом регионе прилив М _{2 самый низкий.}

Поскольку режимы колебаний Средиземного и Балтийского морей не совпадают с каким-либо значительным астрономическим периодом воздействия, самые большие приливы близки к их узким соединениям с Атлантическим океаном. Крайне малые приливы возникают по той же причине в Мексиканском заливе и Японском море . В других местах, например, вдоль южного побережья Австралии , отливы могут быть связаны с наличием поблизости амфидромы .

Анализ

Теория гравитации Исаака Ньютона впервые позволила объяснить, почему обычно бывает два прилива в день, а не один, и дала надежду на детальное понимание приливных сил и поведения. Хотя может показаться, что приливы и отливы можно предсказать посредством достаточно детального знания мгновенных астрономических воздействий, фактический прилив в данном месте определяется астрономическими силами, накапливаемыми водоемом в течение многих дней. Кроме того, точные результаты потребуют подробного знания формы всех океанских бассейнов — их батиметрии и формы береговой линии.

Текущая процедура анализа приливов следует методу гармонического анализа, введенному в 1860-х годах Уильямом Томсоном .. Он основан на том принципе, что астрономические теории движения Солнца и Луны определяют большое количество составляющих частот, и на каждой частоте есть составляющая силы, стремящаяся вызвать приливное движение, но в каждом интересующем месте на Земля, приливы реагируют на каждой частоте с амплитудой и фазой, характерными для этой местности. Поэтому в каждом интересующем месте высота прилива измеряется в течение достаточно длительного периода времени (обычно более года в случае нового порта, который ранее не изучался), чтобы можно было различить реакцию на каждой значимой частоте приливов. путем анализа и извлечения приливных констант для достаточного количества самых сильных известных компонентов астрономических приливных сил, чтобы сделать возможным практическое предсказание приливов.Ожидается, что высота приливов будет соответствовать приливной силе с постоянной амплитудой и фазовой задержкой для каждого компонента. Поскольку астрономические частоты и фазы могут быть рассчитаны с уверенностью, высота прилива в другое время может быть предсказана после того, как будет найдена реакция на гармонические составляющие астрономических приливообразующих сил.

Основные закономерности приливов

• вариация два раза в день
• разница между первым и вторым приливом в день
• весенне-летний цикл
• годовая вариация

Высший астрономический прилив — это весенний прилив в перигее, когда и Солнце, и Луна находятся ближе всего к Земле.

При столкновении с периодически изменяющейся функцией стандартный подход заключается в использовании ряда Фурье , формы анализа, в которой в качестве базового набора используются синусоидальные функции , имеющие частоты, которые в ноль, один, два, три и т. д. раза превышают частоту конкретного фундаментальный цикл. Эти кратные называются гармониками основной частоты, а сам процесс называется гармоническим анализом . Если базовый набор синусоидальных функций соответствует моделируемому поведению, необходимо добавить относительно небольшое количество гармонических членов. Орбитальные траектории очень близки к круговым, поэтому синусоидальные вариации подходят для приливов.

Для анализа высоты прилива подход с использованием ряда Фурье на практике должен быть более сложным, чем использование одной частоты и ее гармоник. Приливные узоры разлагаются на множество синусоид, имеющих много основных частот, соответствующих (как и в лунной теории ) множеству различных комбинаций движений Земли, Луны и углов, определяющих форму и положение их орбит.

Таким образом, для приливов гармонический анализ не ограничивается гармониками одной частоты. ^[l] Другими словами, гармонии кратны многим основным частотам, а не только основной частоте более простого подхода ряда Фурье. Их представление в виде ряда Фурье, имеющего только одну основную частоту и ее (целые) кратные, потребовало бы многих членов и было бы строго ограничено во временном диапазоне, для которого оно было бы действительным.

Изучение высоты прилива с помощью гармонического анализа было начато Лапласом, Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и Джорджем Дарвином . AT Doodson расширил свою работу, введя обозначение числа Дудсона для организации сотен результирующих терминов. С тех пор этот подход стал международным стандартом, и возникают следующие сложности: приливно-отливная сила условно определяется суммой нескольких членов. Каждый член имеет вид

${\displaystyle A_{o}\cos \,(\omega t+p)}$

где

• A_o - амплитуда.
• ω — угловая частота, обычно выражаемая в градусах в час, соответствующая t , измеренному в часах.
• p - смещение фазы по отношению к астрономическому состоянию в момент времени t = 0.

Есть один термин для Луны и второй термин для Солнца. Фаза p первой гармоники для члена Луны называется лунным интервалом или интервалом половодья.

Следующее уточнение состоит в том, чтобы учесть гармонические члены из-за эллиптической формы орбит. Для этого значение амплитуды принимается не постоянным, а изменяющимся во времени около средней амплитуды A_o . Для этого замените A_o в приведенном выше уравнении на A ( t ) , где A — другая синусоида, аналогичная циклам и эпициклам теории Птолемея . Это дает:

${\displaystyle A(t)=A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos \,(\omega _{a}t+p_{a}){\bigr )}}$

то есть среднее значение A_o с синусоидальным изменением относительно него величины A _a , с частотой ω _a и фазой p _a . Подставив это вместо A_o в исходное уравнение, мы получим произведение двух косинусоидальных множителей:

${\displaystyle A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos \,(\omega _{a}t+p_{a}){\bigr )}\cos \,(\omega t+p)}$

Учитывая, что для любых x и y

${\displaystyle \cos x\cos y={\textstyle {\frac {1}{2}}}\cos \,(x+y)+{\textstyle {\frac {1}{2}}}\cos \,(x-y)}$

ясно, что составной член, включающий произведение двух членов косинуса, каждый со своей частотой, аналогичен трем простым членам косинуса, которые должны быть добавлены к исходной частоте, а также к частотам, которые являются суммой и разностью двух частот. срока действия продукта. (Три, а не два члена, так как все выражение${\displaystyle (1+\cos x)\cos y}$.) Учтите далее, что приливная сила на месте зависит еще и от того, находится ли Луна (или Солнце) выше или ниже плоскости экватора, и что эти атрибуты имеют свои периоды, также несоизмеримые с днем ​​и месяцем, и ясно, что получается много комбинаций. При тщательном выборе основных астрономических частот число Дудсона аннотирует конкретные добавления и различия, чтобы сформировать частоту каждого члена простого косинуса.

Помните, что астрономические приливы не включают погодные эффекты. Кроме того, изменения местных условий (движение песчаной отмели, дноуглубительные работы в устье гавани и т. д.), отличные от тех, которые преобладали во время измерения, влияют на фактическое время и величину прилива. Организации, указывающие «самый высокий астрономический прилив» для какого-либо места, могут преувеличивать эту цифру в качестве фактора безопасности от аналитических неопределенностей, расстояния от ближайшей точки измерения, изменений с момента последнего наблюдения, оседания грунта и т. д., чтобы избежать ответственности в случае инженерных работ. быть превышенным. Требуется особая осторожность при оценке размера «погодного прилива» путем вычитания астрономического прилива из наблюдаемого прилива.

Тщательный анализ данных Фурье за девятнадцатилетний период ( национальная эпоха приливов и отливов в США) использует частоты, называемые составляющими приливных гармоник . Девятнадцать лет предпочтительнее, потому что относительные положения Земли, Луны и Солнца почти точно повторяются в 19-летнем цикле Метона , что достаточно долго, чтобы включать 18,613-летний лунный узловой приливный компонент . Этот анализ можно провести, используя только знание периода воздействия , но без детального понимания математического вывода, а это означает, что полезные таблицы приливов и отливов строились веками. ^[66]Полученные амплитуды и фазы можно затем использовать для прогнозирования ожидаемых приливов. Обычно преобладают составляющие около 12 часов ( полусуточные составляющие), но есть и основные составляющие около 24 часов ( суточные ). Более долгосрочные составляющие: 14-дневные или двухнедельные , ежемесячные и полугодовые. Полусуточные приливы преобладают на побережье, но некоторые районы, такие как Южно-Китайское море и Мексиканский залив , в основном дневные. В полусуточных областях первичные составляющие M ₂  (лунная) и S ₂ (солнечные) периоды немного различаются, так что относительные фазы и, следовательно, амплитуда комбинированного прилива меняются каждые две недели (14-дневный период). ^[67]

На приведенном выше графике M ₂ каждая котидальная линия отличается от соседних на один час, а более толстые линии показывают приливы в фазе с равновесием в Гринвиче. Линии вращаются вокруг амфидромных точек против часовой стрелки в северном полушарии, так что от полуострова Нижняя Калифорния до Аляски и от Франции до Ирландии прилив М ₂ распространяется на север. В южном полушарии это направление по часовой стрелке. С другой стороны, М ₂прилив распространяется вокруг Новой Зеландии против часовой стрелки, но это потому, что острова действуют как плотина и позволяют приливам иметь разную высоту на противоположных сторонах островов. (Приливы действительно распространяются на север с восточной стороны и на юг с западного побережья, как и предсказывает теория.)

Исключение составляет пролив Кука, где приливные течения периодически связывают приливы с отливами. Это связано с тем, что котидальные линии на 180 ° вокруг амфидромов находятся в противоположной фазе, например, половодье напротив маловодья на каждом конце пролива Кука. Каждая приливная составляющая имеет различный набор амплитуд, фаз и амфидромных точек, поэтому шаблоны M ₂ нельзя использовать для других компонентов приливов.

Пример расчета

Поскольку Луна движется по своей орбите вокруг Земли и в том же смысле, что и вращение Земли, точка на Земле должна вращаться немного дальше, чтобы наверстать упущенное, так что время между полусуточными приливами составляет не двенадцать, а 12,4206 часов — a чуть более двадцати пяти дополнительных минут. Две вершины не равны. Два прилива в день чередуются по максимальной высоте: более низкая высота (чуть менее трех футов), более высокая высота (чуть более трех футов) и снова более низкая высота. Так же и с отливами.

Когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной линии (Солнце-Земля-Луна или Солнце-Луна-Земля), два основных влияния объединяются, вызывая весенние приливы; когда две силы противостоят друг другу, например, когда угол Луна-Земля-Солнце близок к девяноста градусам, возникают квазиприливы. Когда Луна движется по своей орбите, она меняется с севера от экватора на юг от экватора. Чередование высот приливов становится меньше, пока они не станут одинаковыми (в день лунного равноденствия Луна находится над экватором), затем перестраиваются, но с другой полярностью, увеличиваясь до максимальной разницы, а затем снова уменьшаясь.

Текущий

Влияние приливов на течение или течение гораздо труднее анализировать, а данные собирать гораздо труднее. Приливная высота является скалярной величиной и плавно меняется в широкой области. Поток – это векторная величина, с величиной и направлением, которые могут существенно меняться с глубиной и на коротких расстояниях из-за местной батиметрии. Кроме того, хотя центр водного канала является наиболее полезным местом для измерения, моряки возражают, когда оборудование для измерения течений перекрывает водные пути. Поток, идущий вверх по криволинейному каналу, может иметь одинаковую величину, даже если его направление постоянно меняется вдоль канала. Удивительно, но приливы и отливы часто не идут в противоположных направлениях. Направление потока определяется формой канала вверх по течению, а не формой канала вниз по течению. Точно так же водовороты могут образовываться только в одном направлении потока.

Тем не менее, анализ приливных течений аналогичен анализу высоты приливов: в простом случае в данном месте приливное течение идет в основном в одном направлении, а отливное — в другом. Скорости приливов имеют положительный знак, а скорости отливов - отрицательный. Анализ продолжается, как если бы это были высоты прилива.

В более сложных ситуациях основные приливы и отливы не доминируют. Вместо этого направление и величина потока следуют эллипсу в течение приливного цикла (на полярном графике), а не вдоль линий приливов и отливов. В этом случае анализ может проводиться по парам направлений, при этом первичное и вторичное направления находятся под прямым углом. Альтернативой является рассмотрение приливных потоков как комплексных чисел, поскольку каждое значение имеет как величину, так и направление.

Информацию о приливах чаще всего можно увидеть на морских картах , представленных в виде таблицы скоростей течения и пеленгов с часовыми интервалами, с отдельными таблицами для весенних и квадрантных приливов. Время определяется относительно паводка в какой-либо гавани, где поведение приливов аналогично по характеру, хотя оно может быть далеко.

Как и в случае прогнозов высоты прилива, прогнозы приливов, основанные только на астрономических факторах, не учитывают погодные условия, которые могут полностью изменить результат.

Приливный поток через пролив Кука между двумя основными островами Новой Зеландии особенно интересен, поскольку приливы на каждой стороне пролива почти точно не совпадают по фазе, так что прилив на одной стороне совпадает с отливом на другой стороне. вода. В результате возникают сильные течения с почти нулевым изменением высоты прилива в центре пролива. Тем не менее, хотя приливная волна обычно течет в одном направлении в течение шести часов и в обратном направлении в течение шести часов, конкретная волна может длиться восемь или десять часов с ослабленной обратной волной. В особо бурных погодных условиях обратный нагон может быть полностью преодолен, так что поток будет продолжаться в одном направлении в течение трех или более периодов нагона.

Еще одна сложность для схемы течения в проливе Кука заключается в том, что прилив на южной стороне (например, в Нельсоне ) следует обычному двухнедельному циклу весенне-северного прилива (как это наблюдается на западной стороне страны), но характер приливов на северной стороне имеет только один цикл в месяц, как и на восточной стороне: Веллингтон и Нейпир .

На графике приливов в проливе Кука отдельно показаны высота и время паводка и отлива до ноября 2007 г .; это не измеренные значения, а рассчитанные на основе параметров приливов, полученных на основе многолетних измерений. Морская карта пролива Кука содержит информацию о приливных течениях. Например, издание за январь 1979 г. для 41°13·9' ю.ш. 174°29·6' в.д. (к северо-западу от мыса Терауити ) указывает время на Вестпорт .в то время как январский выпуск 2004 г. относится к Веллингтону. У мыса Терауити в середине пролива Кука колебания высоты приливов почти нулевые, а приливные течения достигают своего максимума, особенно вблизи пресловутого разлома Карори. Помимо погодных эффектов, на фактические течения через пролив Кука влияет разница в высоте приливов между двумя концами пролива, и, как можно видеть, только один из двух весенних приливов на северо-западном конце пролива возле Нельсона имеет аналогичный весенний прилив на юго-востоке (Веллингтон), поэтому результирующее поведение не соответствует ни одной из эталонных гаваней. ^{[ нужна ссылка ]}

Выработка энергии

Приливную энергию можно извлечь двумя способами: вставить водяную турбину в приливное течение или построить пруды, которые выпускают/впускают воду через турбину. В первом случае количество энергии полностью определяется временем и величиной приливного течения. Однако лучшие течения могут быть недоступны, потому что турбины будут мешать кораблям. Во-вторых, строительство водохранилищ дорого обходится, полностью нарушается естественный круговорот воды, нарушается судоходство. Однако при наличии нескольких прудов электроэнергия может вырабатываться в выбранное время. На данный момент существует несколько установленных систем для производства приливной энергии (наиболее известная, La Rance в Сен-Мало )., Франция), которые сталкиваются со многими трудностями. Помимо экологических проблем, просто противостояние коррозии и биологическому загрязнению создает инженерные проблемы.

Сторонники приливной энергии отмечают, что, в отличие от ветроэнергетических систем, уровни генерации можно надежно предсказать, за исключением погодных эффектов. Хотя некоторая генерация возможна в течение большей части приливного цикла, на практике турбины теряют эффективность при более низких рабочих скоростях. Поскольку мощность, получаемая от потока, пропорциональна кубу скорости потока, время, в течение которого возможна выработка высокой мощности, невелико.

Навигация

Приливные течения важны для навигации, и если их не учитывать, возникают значительные ошибки в определении местоположения. Высота приливов также важна; например, многие реки и гавани имеют неглубокую «перемычку» на входе, которая препятствует заходу лодок со значительной осадкой во время отлива.

До появления автоматизированной навигации умение рассчитывать приливные эффекты было важно для морских офицеров. В свидетельстве об экзамене на лейтенанта Королевского флота однажды говорилось, что будущий офицер способен «изменить свое направление». ^[68]

Время и скорость приливных течений отображаются на картах приливов и отливов или в атласе приливов и отливов . Графики приливов поставляются наборами. Каждая диаграмма охватывает один час между одним паводком и другим (они игнорируют оставшиеся 24 минуты) и показывает средний приливный поток за этот час. Стрелка на карте приливов указывает направление и среднюю скорость течения (обычно в узлах ) для весенних и квадрантных приливов. Если карта приливов недоступна, на большинстве морских карт есть « ромбы приливов », которые связывают определенные точки на карте с таблицей, указывающей направление и скорость приливов.

Стандартная процедура противодействия приливно-отливным воздействиям на навигацию состоит в следующем: (1) вычислить положение « счисления пути» (или DR) по пройденному пути и направлению, (2) отметить карту (вертикальным крестом, похожим на знак плюса) и (3) ) проведите линию от ДР в направлении прилива. Расстояние, на которое прилив перемещает лодку по этой линии, рассчитывается по скорости прилива, и это дает «оценочное положение» или EP (традиционно отмечается точкой в ​​треугольнике).

На морских картах отображается «нанесенная на карту глубина» воды в определенных местах с « промерами » и использованием батиметрических изолиний для изображения формы подводной поверхности. Эти глубины относятся к « исходной точке карты », которая обычно представляет собой уровень воды при минимально возможном астрономическом приливе (хотя обычно используются другие датумы, особенно исторически, и приливы могут быть ниже или выше по метеорологическим причинам) и, следовательно, являются минимальными. возможная глубина воды во время приливно-отливного цикла. На карте также могут быть указаны «высоты высыхания», которые представляют собой высоты открытого морского дна во время самого низкого астрономического прилива.

В таблицах приливов и отливов указаны высота и время прилива и отлива каждый день. Чтобы рассчитать фактическую глубину воды, добавьте глубину на карте к опубликованной высоте прилива. Глубина для другого времени может быть получена из кривых приливов, опубликованных для крупных портов. Правило двенадцатых может быть достаточным, если точная кривая недоступна. Это приближение предполагает, что увеличение глубины за шесть часов между малой и высокой водой составляет: первый час — 1/12, второй — 2/12, третий — 3/12, четвертый — 3/12, пятый — 2/12, шестой — 1/12.

Биологические аспекты

Приливная экология

Приливная экология - это изучение экосистем между линиями отлива и прилива вдоль берега. При малой воде приливно-отливная зона обнажается (или всплывает ), а при высокой воде она находится под водой (или погружена ). Поэтому экологи приливной зоны изучают взаимодействие между литоральными организмами и окружающей их средой, а также между различными видами . Наиболее важные взаимодействия могут различаться в зависимости от типа литорального сообщества. Самые широкие классификации основаны на субстратах — скалистый берег или мягкое дно.

Приливные организмы находятся в очень изменчивой и часто враждебной среде и приспособились справляться с этими условиями и даже использовать их. Одной из легко заметных особенностей является вертикальная зональность , при которой сообщество делится на отдельные горизонтальные полосы определенных видов на каждой высоте над уровнем воды. Способность вида справляться с высыханием определяет его верхний предел, тогда как конкуренция с другими видами устанавливает его нижний предел.

Люди используют приливные зоны для еды и отдыха. Чрезмерная эксплуатация может напрямую повредить приливы. Другие антропогенные действия, такие как интродукция инвазивных видов и изменение климата , имеют большие негативные последствия. Охраняемые морские районы -- это один из вариантов , который сообщества могут использовать для защиты этих районов и содействия научным исследованиям .

Биологические ритмы

Приблизительно 12-часовой и двухнедельный приливный цикл оказывает большое влияние на литоральные ^[69] и морские организмы. ^[70] Следовательно, их биологические ритмы , как правило, примерно кратны этим периодам. ^[71] Многие другие животные, такие как позвоночные , демонстрируют сходные циркатидальные ритмы. ^[72] Примеры включают беременность и инкубацию яиц. У человека менструальный цикл длится примерно один лунный месяц , что даже кратно приливному периоду. Такие параллели как минимум намекают на общее происхождение всех животных от морского предка. ^[73]

Другие приливы

Осциллирующие приливные течения в стратифицированном течении океана над неровным рельефом дна генерируют внутренние волны с приливными частотами. Такие волны называются внутренними приливами .

Неглубокие участки в открытой воде могут испытывать вращательные приливные течения, текущие в направлениях, которые постоянно меняются, и, таким образом, направление потока (а не поток) совершает полный оборот за 12 + 1 ⁄ 2 часа (например, отмели Нантакет ). ^[74]

В дополнение к океаническим приливам небольшие приливы могут наблюдаться в больших озерах, и даже планеты могут испытывать атмосферные и земные приливы . Это сплошные механические явления. Первые два происходят в жидкостях . Третий воздействует на тонкую твердую кору Земли, окружающую ее полужидкие недра (с различными модификациями).

Озерные приливы

Большие озера, такие как Верхнее и Эри , могут испытывать приливы от 1 до 4 см (от 0,39 до 1,6 дюйма), но они могут быть замаскированы метеорологически вызванными явлениями, такими как сейши . ^[75] Прилив в озере Мичиган описывается как от 1,3 до 3,8 см (от 0,5 до 1,5 дюйма) ^[76] или 4,4 см ( 1 + 3 ⁄ 4  дюйма). ^[77] Это настолько мало, что другие более крупные эффекты полностью маскируют любой прилив, и поэтому эти озера считаются неприливными. ^[78]

Атмосферные приливы

Атмосферные приливы незначительны на уровне земли и на высоте полета, они маскируются гораздо более важными эффектами погоды . Атмосферные приливы имеют как гравитационное, так и тепловое происхождение и являются доминирующей динамикой на высоте от 80 до 120 километров (от 50 до 75 миль), выше которой молекулярная плотность становится слишком низкой, чтобы поддерживать поведение жидкости.

Земные приливы

Земные приливы или земные приливы воздействуют на всю массу Земли, которая действует подобно жидкостному гироскопу с очень тонкой корой. Земная кора смещается (внутрь/наружу, восток/запад, север/юг) в ответ на лунное и солнечное тяготение, океанские приливы и атмосферные нагрузки. Полусуточная амплитуда земных приливов, хотя и незначительна для большинства видов деятельности человека, может достигать около 55 сантиметров (22 дюйма) на экваторе - 15 сантиметров (5,9 дюйма) из-за Солнца, что важно для калибровки GPS и измерений РСДБ . Точные астрономические угловые измерения требуют знания скорости вращения Земли и движения полюсов , на которые влияют земные приливы. Полусуточный М ₂Земные приливы почти совпадают по фазе с Луной с отставанием около двух часов. ^{[ нужна ссылка ]}

Галактические приливы

Галактические приливы — это приливные силы, воздействующие галактиками на звезды внутри них и галактики-спутники, вращающиеся вокруг них. Считается , что влияние галактического прилива на облако Оорта вСолнечной системе вызывает появление 90 процентов долгопериодических комет. ^[79]

Неправильные названия

Цунами , большие волны, возникающие после землетрясений, иногда называют приливными волнами , но это название дано из-за их сходства с приливом, а не какой-либо причинно-следственной связи с приливом. Другими явлениями, не связанными с приливами, но использующими слово « прилив » , являются приливы , штормовые приливы , ураганные приливы и черные или красные приливы . Многие из этих употреблений являются историческими и относятся к более раннему значению прилива как «части времени, сезона». ^[80]

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

• Саймон, Бернар (2013) [2007]. Прибрежные приливы . Перевод Мэнли, Дэвид. Океанографический институт, Фонд Альберта Иера, принца Монако . ISBN 978-2-903581-83-1.

внешняя ссылка

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Приливами

Викискладе есть медиафайлы, связанные с приливами .

• Информация и данные NOAA о приливах и течениях
• История предсказания приливов
• Департамент океанографии Техасского университета A&M . Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine .
• Адмиралтейство Великобритании Easytide
• Время приливов и отливов в Великобритании, Южной Атлантике, британских заморских территориях и Гибралтаре по данным Национального центра приливов и отливов Великобритании.
• Прогнозы приливов и отливов для Австралии, южной части Тихого океана и Антарктиды
• Предсказатель приливов и течений для станций по всему миру