Raport o przypływach i odpływach. Wpływ Księżyca na przypływy i odpływy

Dwa lata temu byłem na wakacjach na wybrzeżu Oceanu Indyjskiego na cudownej wyspie Cejlon. Mój mały hotel znajdował się zaledwie 50 metrów od oceanu. Każdego dnia obserwowałem na własne oczy cały potężny ruch i burzliwe życie oceanu. Pewnego wczesnego ranka stałem na brzegu, patrzyłem na fale i myślałem o tym, co dodaje siły tak potężnym wibracjom oceanu, jego codziennym przypływom i odpływom.

Co daje moc przypływom i odpływom

Grawitacja wpływa jednakowo na ruch wszystkich obiektów. Ale jeśli grawitacja powoduje przypływy w oceanach, a woda powoduje wodę w Afryce, to dlaczego w jeziorach nie ma przypływów? Hmm, a co, jeśli założymy, że wszystko, co wiemy, jest błędne. Wielu inteligentnych ludzi ze świata nauki wyjaśnia to w ten sposób. Grawitacja Ziemi w punkcie A jest słabsza niż w punkcie B. Efekt netto grawitacji Ziemi rozciąga ocean. Następnie pęcznieje po przeciwnych stronach.

Tak, rzeczywiście fakty są prawdziwe i istnieje różnica w sile grawitacji Księżyca w punktach A i B.

Nieporozumienie leży w wyjaśnieniu wybrzuszeń. Być może nie pojawiają się z powodu różnic w atrakcyjności. Ale przyczyny są mniej oczywiste i są zdezorientowane. Chodzi raczej o skumulowane ciśnienie w różnych miejscach słupa wody. Księżyc zamienia Ziemię w pompę hydrauliczną na skalę planetarną, a woda pęcznieje, naciskając na środek. Dlatego wystarczy nawet najmniejsze uderzenie, aby rozpoczął się ruch fali.

Trochę więcej o przypływach

Ale chciałbym zrozumieć, dlaczego nie znajdują się w kolejnym nagromadzeniu wody:

w organizmie człowieka (składa się w 80% z wody);
w wypełnionej wannie;
w jeziorach;
w filiżankach kawy itp.

Najprawdopodobniej z powodu niższego ciśnienia niż w oceanie i słabej hydrauliki. W przeciwieństwie do oceanu są to małe skupiska wody. Powierzchnia jeziora, kubka i reszty nie jest wystarczająca, aby przy minimalnym nacisku na nią zmienić poziom wody, tworząc fale.

Duże jeziora mogą powodować ciśnienie w przypadku minipływów. Ale ponieważ wiatry i rozpryski tworzą duże zmarszczki, po prostu ich nie zauważamy. Pływy powstają wszędzie, są po prostu bardzo mikroskopijne.

Poziom powierzchni oceanów i mórz zmienia się okresowo, około dwa razy dziennie. Wahania te nazywane są przypływami i odpływami. Podczas przypływu poziom oceanu stopniowo podnosi się i osiąga najwyższą pozycję. Podczas odpływu poziom stopniowo spada do najniższego poziomu. Podczas przypływu woda płynie w kierunku brzegów, podczas odpływu – z dala od brzegów.

Przypływy i odpływy są stałe. Powstają pod wpływem ciał kosmicznych, takich jak Słońce. Zgodnie z prawami interakcji ciał kosmicznych, nasza planeta i Księżyc wzajemnie się przyciągają. Księżycowa grawitacja jest tak silna, że powierzchnia oceanu wydaje się wyginać w jej stronę. Księżyc porusza się wokół Ziemi, a fala pływowa „płynie” za nim przez ocean. Kiedy fala dociera do brzegu, jest to przypływ. Minie trochę czasu, woda podąży za Księżycem i odsunie się od brzegu - to odpływ. Zgodnie z tymi samymi uniwersalnymi prawami kosmicznymi, przypływy i odpływy powstają również w wyniku przyciągania Słońca. Jednak siła pływowa Słońca, ze względu na jego odległość, jest znacznie mniejsza niż księżycowa, a gdyby nie było Księżyca, pływy na Ziemi byłyby 2,17 razy mniejsze. Wyjaśnienie sił pływowych po raz pierwszy podał Newton.

Pływy różnią się między sobą czasem trwania i wielkością. Najczęściej w ciągu dnia występują dwa przypływy i dwa odpływy. Na łukach i wybrzeżach Ameryki Wschodniej i Środkowej dziennie występuje jeden przypływ i jeden odpływ.

Wielkość pływów jest jeszcze bardziej zróżnicowana niż ich okres. Teoretycznie jeden przypływ księżycowy wynosi 0,53 m, słoneczny - 0,24 m. Zatem największy przypływ powinien mieć wysokość 0,77 m. Na otwartym oceanie i w pobliżu wysp wartość przypływu jest dość zbliżona do teoretycznej: na Hawajach Wyspy – 1 m, na Wyspie Św. Heleny – 1,1 m; na wyspach - 1,7 m. Na kontynentach wielkość przypływów waha się od 1,5 do 2 m. Na morzach śródlądowych przypływy są bardzo nieznaczne: - 13 cm, - 4,8 cm Uważa się, że nie ma pływów, ale w pobliżu Wenecji pływy dochodzą do 1 m. Największe pływy to następujące, zarejestrowane w:

W Zatoce Fundy () przypływ osiągnął wysokość 16-17 m. Jest to najwyższy przypływ na całym świecie.

Na północy, w Zatoce Penżyńskiej, wysokość przypływu osiągnęła 12-14 m. Jest to najwyższy przypływ u wybrzeży Rosji. Jednakże powyższe dane dotyczące pływów stanowią raczej wyjątek niż regułę. W zdecydowanej większości punktów pomiaru poziomu pływów są one niewielkie i rzadko przekraczają 2 m.

Znaczenie pływów jest bardzo duże dla żeglugi morskiej i budowy portów. Każda fala pływowa niesie ze sobą ogromną ilość energii.

Następuje wzrost i spadek poziomu wody. Jest to zjawisko przypływów i odpływów morskich. Już w starożytności obserwatorzy zauważyli, że przypływ następuje jakiś czas po kulminacji Księżyca w miejscu obserwacji. Co więcej, pływy są najsilniejsze w dni nowiu i pełni księżyca, kiedy środki Księżyca i Słońca znajdują się w przybliżeniu na tej samej linii prostej.

Biorąc to pod uwagę, I. Newton wyjaśnił pływy działaniem grawitacji Księżyca i Słońca, a mianowicie faktem, że różne części Ziemi są przyciągane przez Księżyc w różny sposób.

Ziemia obraca się wokół własnej osi znacznie szybciej niż Księżyc wokół Ziemi. W rezultacie garb pływowy (względne położenie Ziemi i Księżyca pokazano na ryc. 38) porusza się, fala pływowa przepływa przez Ziemię i powstają prądy pływowe. Gdy fala zbliża się do brzegu, jej wysokość wzrasta wraz ze wzrostem dna. Na morzach śródlądowych wysokość fali pływowej wynosi zaledwie kilka centymetrów, ale na otwartym oceanie sięga około jednego metra. W korzystnie położonych wąskich zatokach wysokość przypływu wzrasta kilkakrotnie.

Tarciu wody o dno, a także deformacji stałej powłoki Ziemi towarzyszy wydzielanie ciepła, co prowadzi do rozproszenia energii z układu Ziemia-Księżyc. Ponieważ garb pływowy znajduje się na wschodzie, maksymalny przypływ następuje po kulminacji Księżyca, przyciąganie garbu powoduje przyspieszenie Księżyca i spowolnienie obrotu Ziemi. Księżyc stopniowo oddala się od Ziemi. Rzeczywiście, dane geologiczne pokazują, że w okresie jurajskim (190-130 milionów lat temu) przypływy były znacznie wyższe, a dni krótsze. Należy zauważyć, że gdy odległość do Księżyca zmniejsza się 2 razy, wysokość przypływu wzrasta 8 razy. Obecnie dzień wydłuża się o 0,00017 s rocznie. Zatem za około 1,5 miliarda lat ich długość wzrośnie do 40 dni współczesnych. Miesiąc będzie miał tę samą długość. W rezultacie Ziemia i Księżyc będą zawsze zwrócone ku sobie tą samą stroną. Następnie Księżyc zacznie stopniowo zbliżać się do Ziemi i za kolejne 2-3 miliardy lat zostanie rozerwany przez siły pływowe (jeśli oczywiście do tego czasu Układ Słoneczny nadal będzie istniał).

Wpływ Księżyca na pływy

Rozważmy, za Newtonem, bardziej szczegółowo pływy spowodowane przyciąganiem Księżyca, ponieważ wpływ Słońca jest znacznie (2,2 razy) mniejszy.

Zapiszmy wyrażenia na przyspieszenia wywołane przyciąganiem Księżyca dla różnych punktów Ziemi, biorąc pod uwagę, że dla wszystkich ciał w danym punkcie przestrzeni przyspieszenia te są takie same. W inercyjnym układzie odniesienia powiązanym ze środkiem masy układu wartości przyspieszeń będą wynosić:

ZA A = -GM / (R - r) 2 , za B = GM / (R + r) 2 , za O = -GM / R 2 ,

Gdzie A, O, B— przyspieszenia spowodowane punktowym przyciąganiem Księżyca A, O, B(ryc. 37); M— masa Księżyca; R— promień Ziemi; R- odległość między środkami Ziemi i Księżyca (do obliczeń można przyjąć równą 60 R); G— stała grawitacyjna.

Ale my żyjemy na Ziemi i wszystkie obserwacje prowadzimy w układzie odniesienia związanym ze środkiem Ziemi, a nie ze środkiem masy Ziemi – Księżycem. Aby przejść do tego układu, należy od wszystkich przyspieszeń odjąć przyspieszenie środka Ziemi. Następnie

A’ A = -GM ☾ / (R - r) 2 + GM ☾ / R 2 , a’ B = -GM ☾ / (R + r) 2 + GM / R 2 .

Wykonajmy działania w nawiasach i weźmy to pod uwagę R niewiele w porównaniu do R a w sumach i różnicach można to pominąć. Następnie

A’ A = -GM / (R - r) 2 + GM ☾ / R 2 = GM ☾ (-2Rr + r 2) / R 2 (R - r) 2 = -2GM ☾ r / R 3 .

Przyśpieszenie A’A I A’B identyczne pod względem wielkości i przeciwne w kierunku, każde skierowane od środka Ziemi. Nazywają się przyspieszenia pływowe. W punktach C I D przyspieszenia pływowe są mniejsze i skierowane w stronę środka Ziemi.

Przyspieszenia pływowe są przyspieszeniami, które powstają w układzie odniesienia związanym z ciałem na skutek tego, że ze względu na skończone wymiary tego ciała różne jego części są w różny sposób przyciągane przez ciało zakłócające. W punktach A I B przyspieszenie ziemskie okazuje się mniejsze niż w punktach C I D(ryc. 37). W konsekwencji, aby ciśnienie na tej samej głębokości było w tych punktach takie samo (jak w statkach połączonych), woda musi się podnieść, tworząc tzw. garb pływowy. Obliczenia pokazują, że przypływ wody lub przypływu na otwartym oceanie wynosi około 40 cm, na wodach przybrzeżnych jest znacznie większy i rekord wynosi około 18 m. Teoria Newtona nie jest w stanie tego wyjaśnić.

Na wybrzeżach wielu mórz zewnętrznych można zobaczyć ciekawy obraz: sieci rybackie są rozciągnięte wzdłuż brzegu niedaleko wody. Co więcej, sieci te nie były instalowane do suszenia, ale do połowu ryb. Jeśli zostaniesz na brzegu i popatrzysz na morze, wszystko się wyjaśni. Teraz poziom wody zaczyna się podnosić, a tam, gdzie jeszcze kilka godzin temu znajdowała się mielizna, rozpryskują się fale. Kiedy woda opadła, pojawiły się sieci, w których splątane ryby mieniły się łuskami. Rybacy okrążyli sieci i usunęli połów. Materiał ze strony

Naoczny świadek tak opisuje początek przypływu: „Dotarliśmy do morza” – powiedział mi towarzysz podróży. Rozglądałem się dookoła ze zdziwieniem. Przede mną naprawdę był brzeg: smuga fal, na wpół zakopane zwłoki foki, rzadkie kawałki drewna wyrzuconego na brzeg, fragmenty muszli. A potem była płaska przestrzeń... i żadnego morza. Ale po około trzech godzinach nieruchoma linia horyzontu zaczęła oddychać i stała się niespokojna. A teraz fala morska za nią zaczęła błyszczeć. Przypływ toczył się w niekontrolowany sposób po szarej powierzchni. Fale, wyprzedzając się, wbiegły na brzeg. Odległe skały tonęły jedna po drugiej, a dookoła widoczna była tylko woda. Rzuca mi słoną ciecz w twarz. Zamiast martwej równiny, przede mną żyje i oddycha przestrzeń wody.

Kiedy fala pływowa wpływa do zatoki, która ma kształt lejka, brzegi zatoki zdają się ją ściskać, powodując kilkukrotny wzrost wysokości przypływu. Tak więc w Zatoce Fundy u wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej wysokość przypływów sięga 18 m. W Europie najwyższe przypływy (do 13,5 m) występują w Bretanii w pobliżu miasta Saint-Malo.

Bardzo często fala pływowa wpływa do ujścia rzek

Kontynuujmy rozmowę na temat sił działających na ciała niebieskie i powodowanych przez to skutków. Dzisiaj będę mówić o pływach i zaburzeniach niegrawitacyjnych.

Co to oznacza – „zaburzenia niegrawitacyjne”? Zaburzenia są zwykle nazywane małymi poprawkami do dużej, głównej siły. Oznacza to, że porozmawiamy o niektórych siłach, których wpływ na obiekt jest znacznie mniejszy niż grawitacyjny

Jakie inne siły istnieją w przyrodzie oprócz grawitacji? Pomińmy silne i słabe oddziaływania jądrowe, mają one charakter lokalny (działają na bardzo krótkich dystansach). Ale elektromagnetyzm, jak wiemy, jest znacznie silniejszy niż grawitacja i rozciąga się równie daleko – w nieskończoność. Ale ponieważ ładunki elektryczne o przeciwnych znakach są zwykle zrównoważone, a „ładunek” grawitacyjny (którego rolę odgrywa masa) ma zawsze ten sam znak, to przy wystarczająco dużych masach na pierwszy plan wysuwa się oczywiście grawitacja. W rzeczywistości więc będziemy mówić o zakłóceniach w ruchu ciał niebieskich pod wpływem pola elektromagnetycznego. Nie ma już opcji, chociaż nadal istnieje ciemna energia, ale porozmawiamy o tym później, kiedy będziemy rozmawiać o kosmologii.

Jak wyjaśniłem w , proste prawo grawitacji Newtona F = G∙M∙M/R² jest bardzo wygodny w użyciu w astronomii, ponieważ większość ciał ma kształt zbliżony do kulistego i jest od siebie na tyle odległa, że przy obliczeniach można je zastąpić punktami - obiektami punktowymi zawierającymi całą ich masę. Ale ciało o skończonych rozmiarach, porównywalnych z odległością między sąsiednimi ciałami, mimo to doświadcza różnych wpływów sił w różnych jego częściach, ponieważ te części są inaczej zlokalizowane od źródeł grawitacji i należy to wziąć pod uwagę.

Przyciąganie miażdży i rozdziera

Aby poczuć efekt pływowy, przeprowadźmy popularny wśród fizyków eksperyment myślowy: wyobraźmy sobie, że znajdujemy się w swobodnie opadającej windzie. Odcinamy linę trzymającą chatę i zaczynamy spadać. Zanim upadniemy, możemy obserwować, co dzieje się wokół nas. Wieszamy swobodne masy i obserwujemy jak się zachowują. Na początku spadają synchronicznie i mówimy, że jest to nieważkość, ponieważ wszystkie obiekty w tej kabinie i ona sama odczuwają w przybliżeniu takie samo przyspieszenie swobodnego spadania.

Ale z biegiem czasu nasze punkty materialne zaczną zmieniać swoją konfigurację. Dlaczego? Ponieważ dolny na początku znajdował się nieco bliżej środka przyciągania niż górny, zatem dolny przy silniejszym przyciąganiu zaczyna wyprzedzać górny. A punkty boczne zawsze pozostają w tej samej odległości od środka ciężkości, ale gdy się do niego zbliżają, zaczynają się do siebie zbliżać, ponieważ przyspieszenia o jednakowej wielkości nie są równoległe. W efekcie dochodzi do deformacji układu niepołączonych ze sobą obiektów. Nazywa się to efektem pływowym.

Z punktu widzenia obserwatora, który rozsypał wokół siebie ziarna i obserwuje, jak poruszają się poszczególne ziarna, podczas gdy cały układ opada na masywny obiekt, można wprowadzić takie pojęcie jak pole sił pływowych. Zdefiniujmy te siły w każdym punkcie jako różnicę wektorową między przyspieszeniem grawitacyjnym w tym punkcie a przyspieszeniem obserwatora lub środka masy i jeśli za odległość względną przyjmiemy tylko pierwszy wyraz rozwinięcia szeregu Taylora, otrzymamy obraz symetryczny: najbliższe ziarna będą przed obserwatorem, te odległe pozostaną w tyle, tj. układ będzie się rozciągał wzdłuż osi skierowanej w stronę grawitującego obiektu, a w kierunkach do niej prostopadłych cząstki będą dociskane w stronę obserwatora.

Jak myślisz, co się stanie, gdy planeta zostanie wciągnięta w czarną dziurę? Ci, którzy nie słuchali wykładów z astronomii, zwykle myślą, że czarna dziura wyrwie materię tylko z powierzchni zwróconej do siebie. Nie wiedzą, że niemal równie silny efekt występuje po drugiej stronie swobodnie opadającego ciała. Te. jest rozdarty w dwóch diametralnie przeciwnych kierunkach, a nie w jednym.

Niebezpieczeństwa przestrzeni kosmicznej

Aby pokazać, jak ważne jest uwzględnienie efektu pływowego, weźmy Międzynarodową Stację Kosmiczną. On, podobnie jak wszystkie satelity Ziemi, opada swobodnie w polu grawitacyjnym (jeśli silniki nie są włączone). A pole sił pływowych wokół niego jest rzeczą dość namacalną, więc astronauta pracując na zewnątrz stacji musi się do niego przywiązać i z reguły dwoma kablami - na wszelki wypadek nigdy nie wiadomo co mogłoby się stać. A jeśli w warunkach, w których siły pływowe odciągają go od centrum stacji, znajdzie się nieskrępowany, może łatwo stracić z nią kontakt. Często dzieje się tak w przypadku narzędzi, ponieważ nie da się ich wszystkich połączyć. Jeśli coś wypadnie z rąk astronauty, wówczas obiekt ten odlatuje w dal i staje się niezależnym satelitą Ziemi.

Plan pracy ISS obejmuje testy w przestrzeni kosmicznej osobistego plecaka odrzutowego. A kiedy jego silnik ulegnie awarii, siły pływowe unoszą astronautę i tracimy go. Nazwiska zaginionych są utajnione.

To oczywiście żart: na szczęście taki incydent jeszcze się nie wydarzył. Ale to może się bardzo dobrze zdarzyć! I może kiedyś tak się stanie.

Planeta-ocean

Wróćmy na Ziemię. Jest to dla nas najciekawszy obiekt, a działające na niego siły pływowe są dość zauważalne. Z jakich ciał niebieskich one działają? Głównym z nich jest Księżyc, ponieważ jest blisko. Kolejnym co do wielkości uderzeniem jest Słońce, ponieważ jest masywne. Inne planety również mają pewien wpływ na Ziemię, ale jest on ledwo zauważalny.

Aby przeanalizować zewnętrzne wpływy grawitacyjne na Ziemię, zwykle przedstawia się ją jako solidną kulę pokrytą płynną powłoką. To dobry model, ponieważ nasza planeta faktycznie ma ruchomą powłokę w postaci oceanu i atmosfery, a wszystko inne jest dość solidne. Chociaż skorupa ziemska i wewnętrzne warstwy mają ograniczoną sztywność i są nieco podatne na wpływy pływowe, ich odkształcenie sprężyste można pominąć przy obliczaniu wpływu na ocean.

Jeśli narysujemy wektory sił pływowych w układzie środka masy Ziemi, otrzymamy następujący obraz: pole sił pływowych ciągnie ocean wzdłuż osi Ziemia-Księżyc i w płaszczyźnie prostopadłej do niego dociska go do środka Ziemi . Zatem planeta (przynajmniej jej ruchoma powłoka) ma tendencję do przybierania kształtu elipsoidy. W tym przypadku pojawiają się dwa wybrzuszenia (nazywa się je garbami pływowymi) po przeciwnych stronach globu: jedno zwrócone jest w stronę Księżyca, drugie w stronę od Księżyca, a w pasie pomiędzy nimi pojawia się odpowiadające „wybrzuszenie” (dokładniej , powierzchnia oceanu ma tam mniejszą krzywiznę).

Bardziej interesująca rzecz dzieje się w szczelinie - gdzie wektor siły pływowej próbuje przesunąć płynną powłokę po powierzchni Ziemi. I to jest naturalne: jeśli chcesz podnieść poziom morza w jednym miejscu i obniżyć go w innym miejscu, musisz przenieść wodę stamtąd tam. A między nimi siły pływowe kierują wodę do „punktu podksiężycowego” i do „punktu przeciwksiężycowego”.

Ilościowe określenie efektu pływowego jest bardzo proste. Grawitacja Ziemi stara się nadać oceanowi kulisty kształt, a pływowa część wpływów Księżyca i Słońca próbuje rozciągnąć go wzdłuż własnej osi. Gdybyśmy zostawili Ziemię w spokoju i pozwolili jej swobodnie spaść na Księżyc, wysokość zgrubienia osiągnęłaby około pół metra, tj. Poziom oceanu wznosi się zaledwie 50 cm powyżej swojego średniego poziomu. Jeśli płyniesz statkiem po otwartym morzu lub oceanie, pół metra nie jest zauważalne. Nazywa się to przypływem statycznym.

Niemal na każdym egzaminie spotykam studenta, który z przekonaniem twierdzi, że przypływ występuje tylko po jednej stronie Ziemi – tej zwróconej w stronę Księżyca. Z reguły tak mówi dziewczyna. Zdarza się jednak, choć rzadziej, że młodzi mężczyźni mylą się w tej kwestii. Jednocześnie na ogół dziewczęta mają głębszą wiedzę z astronomii. Ciekawie byłoby poznać przyczynę tej asymetrii „pływów i płci”.

Aby jednak utworzyć półmetrowe zgrubienie w punkcie podksiężycowym, trzeba tutaj destylować dużą ilość wody. Ale powierzchnia Ziemi nie pozostaje nieruchoma, obraca się szybko w stosunku do kierunku Księżyca i Słońca, dokonując pełnego obrotu w ciągu jednego dnia (a Księżyc porusza się po orbicie powoli - jeden obrót wokół Ziemi w ciągu prawie miesiąc). Dlatego garb pływowy stale biegnie wzdłuż powierzchni oceanu, tak że stała powierzchnia Ziemi znajduje się pod garbem pływowym 2 razy dziennie i 2 razy pod spadkiem pływowym poziomu oceanu. Oszacujmy: 40 tysięcy kilometrów (długość równika ziemskiego) dziennie, czyli 463 metry na sekundę. Oznacza to, że ta półmetrowa fala, niczym mini-tsunami, uderza z prędkością ponaddźwiękową we wschodnie wybrzeża kontynentów w rejonie równika. Na naszych szerokościach geograficznych prędkość sięga 250-300 m/s - to też całkiem sporo: choć fala nie jest zbyt duża, to dzięki bezwładności potrafi zrobić świetny efekt.

Drugim obiektem pod względem wpływu na Ziemię jest Słońce. Znajduje się 400 razy dalej od nas niż Księżyc, ale jest 27 milionów razy masywniejszy. Dlatego wpływ Księżyca i Słońca jest porównywalny pod względem wielkości, chociaż Księżyc nadal działa nieco silniej: grawitacyjny efekt pływowy ze Słońca jest o połowę słabszy niż z Księżyca. Czasami ich wpływ jest łączony: dzieje się to podczas nowiu, gdy Księżyc przechodzi na tle Słońca, oraz podczas pełni księżyca, gdy Księżyc znajduje się po przeciwnej stronie Słońca. W te dni – kiedy Ziemia, Księżyc i Słońce ustawiają się w jednej linii, a dzieje się to co dwa tygodnie – całkowity efekt pływowy jest półtora razy większy niż w przypadku samego Księżyca. A po tygodniu Księżyc mija jedną czwartą swojej orbity i znajduje się w kwadraturze ze Słońcem (kąt prosty między kierunkami na nich), a następnie ich wpływ osłabia się nawzajem. Średnio wysokość pływów na otwartym morzu waha się od ćwierć metra do 75 centymetrów.

Żeglarze znają pływy od dawna. Co robi kapitan, gdy statek osiada na mieliźnie? Jeśli czytałeś powieści przygodowe o morzu, to wiesz, że od razu sprawdza, w jakiej fazie znajduje się Księżyc i czeka na następną pełnię lub nów księżyca. Wtedy maksymalny przypływ może podnieść statek i wypłynąć na powierzchnię.

Problemy i cechy wybrzeża

Pływy są szczególnie ważne dla pracowników portowych i marynarzy, którzy mają zamiar wprowadzić swój statek do portu lub z niego wyprowadzić. Z reguły problem płytkiej wody powstaje w pobliżu wybrzeża i aby nie zakłócał ruchu statków, wykopuje się podwodne kanały - sztuczne tory wodne, aby dostać się do zatoki. Ich głębokość powinna uwzględniać wysokość maksymalnego odpływu.

Jeśli spojrzymy na wysokość przypływów w pewnym momencie i narysujemy na mapie linie o jednakowych wysokościach wody, otrzymamy koncentryczne okręgi ze środkami w dwóch punktach (podksiężycowym i antyksiężycowym), w których przypływ jest maksymalny . Gdyby płaszczyzna orbity Księżyca pokrywała się z płaszczyzną równika Ziemi, wówczas punkty te zawsze poruszałyby się wzdłuż równika i wykonywałyby pełny obrót dziennie (dokładniej w 24ʰ 50ᵐ 28ˢ). Księżyc nie porusza się jednak w tej płaszczyźnie, lecz w pobliżu płaszczyzny ekliptyki, względem której równik jest nachylony o 23,5 stopnia. Dlatego punkt podksiężycowy również „chodzi” wzdłuż szerokości geograficznej. Zatem w tym samym porcie (tj. na tej samej szerokości geograficznej) wysokość maksymalnego przypływu, który powtarza się co 12,5 godziny, zmienia się w ciągu dnia w zależności od orientacji Księżyca względem równika ziemskiego.

Ten „drobiazg” jest ważny dla teorii pływów. Spójrzmy jeszcze raz: Ziemia obraca się wokół własnej osi, a płaszczyzna orbity Księżyca jest do niej nachylona. Dlatego każdy port morski w ciągu dnia „opływa” wokół bieguna ziemskiego, raz wpadając w rejon najwyższego przypływu, a po 12,5 godzinach ponownie w rejon przypływu, ale mniej wysokiego. Te. dwa przypływy w ciągu dnia nie mają równej wysokości. Jedna jest zawsze większa od drugiej, ponieważ płaszczyzna orbity Księżyca nie leży w płaszczyźnie ziemskiego równika.

Dla mieszkańców wybrzeża wpływ pływów jest niezwykle istotny. Na przykład we Francji jest taka, która jest połączona z lądem drogą asfaltową ułożoną wzdłuż dna cieśniny. Na wyspie mieszka wielu ludzi, ale nie mogą oni korzystać z tej drogi, gdy poziom morza jest wysoki. Tą drogą można jeździć tylko dwa razy dziennie. Ludzie podjeżdżają i czekają na odpływ, kiedy poziom wody opadnie i droga stanie się dostępna. Ludzie podróżują do i z pracy na wybrzeżu, korzystając ze specjalnej tabeli pływów, która jest publikowana dla każdej osady przybrzeżnej. Jeśli zjawisko to nie zostanie uwzględnione, woda może zalać pieszego po drodze. Turyści po prostu tam przyjeżdżają i spacerują, żeby popatrzeć na dno morza, gdy nie ma wody. A lokalni mieszkańcy zbierają coś z dołu, czasem nawet na żywność, tj. w istocie efekt ten karmi ludzi.

Życie wyłoniło się z oceanu dzięki przypływom i odpływom. W wyniku odpływu niektóre zwierzęta przybrzeżne znalazły się na piasku i zostały zmuszone nauczyć się oddychać tlenem bezpośrednio z atmosfery. Gdyby nie było Księżyca, życie mogłoby nie wydostać się z oceanu tak aktywnie, ponieważ jest tam dobre pod każdym względem - środowisko termostatyczne, nieważkość. Ale jeśli nagle znalazłeś się na brzegu, musiałeś jakoś przeżyć.

Wybrzeże, zwłaszcza jeśli jest płaskie, jest bardzo odsłonięte podczas odpływu. I na jakiś czas ludzie tracą możliwość korzystania ze swoich jednostek pływających, leżąc bezradnie jak wieloryby na brzegu. Ale jest w tym coś pożytecznego, ponieważ okres odpływu można wykorzystać do naprawy statków, szczególnie w jakiejś zatoce: statki odpłynęły, potem woda opadła i w tym czasie można je naprawić.

Na przykład na wschodnim wybrzeżu Kanady znajduje się Zatoka Fundy, w której podobno występują najwyższe przypływy na świecie: spadek poziomu wody może osiągnąć 16 metrów, co jest uważane za rekord przypływu morskiego na Ziemi. Żeglarze przystosowali się do tej właściwości: podczas przypływu doprowadzają statek do brzegu, wzmacniają go, a gdy woda odchodzi, statek wisi, a dno można uszczelnić.

Ludzie od dawna zaczęli monitorować i regularnie rejestrować momenty i cechy przypływów, aby nauczyć się przewidywać to zjawisko. Wkrótce wynaleziono miernik pływów- urządzenie, w którym pływak porusza się w górę i w dół w zależności od poziomu morza, a odczyty są automatycznie rysowane na papierze w formie wykresu. Nawiasem mówiąc, środki pomiaru prawie się nie zmieniły od pierwszych obserwacji do dnia dzisiejszego.

Na podstawie dużej liczby zapisów hydrograficznych matematycy próbują stworzyć teorię pływów. Jeśli masz długoterminowy zapis procesu okresowego, możesz go rozłożyć na elementarne harmoniczne - sinusoidy o różnych amplitudach z wieloma okresami. A następnie po ustaleniu parametrów harmonicznych należy wydłużyć krzywą całkowitą w przyszłość i na tej podstawie sporządzić tabele pływów. Teraz takie tabele są publikowane dla każdego portu na Ziemi, a każdy kapitan, który ma wejść do portu, bierze dla niego tabelę i patrzy, kiedy poziom wody będzie wystarczający dla jego statku.

Najsłynniejsza historia związana z obliczeniami predykcyjnymi miała miejsce podczas drugiej wojny światowej: w 1944 roku nasi sojusznicy - Brytyjczycy i Amerykanie - zamierzali otworzyć drugi front przeciwko nazistowskim Niemcom, w tym celu konieczne było wylądowanie na francuskim wybrzeżu. Północne wybrzeże Francji jest pod tym względem bardzo nieprzyjemne: wybrzeże jest strome, ma 25-30 metrów wysokości, a dno oceanu jest dość płytkie, więc statki mogą zbliżać się do wybrzeża tylko w czasie maksymalnego przypływu. Gdyby wpadli na mieliznę, zostaliby po prostu ostrzelani z armat. Aby tego uniknąć, stworzono specjalny komputer mechaniczny (elektronicznych jeszcze nie było). Przeprowadziła analizę Fouriera szeregów czasowych poziomu morza, używając bębnów obracających się z własną prędkością, przez które przeszedł metalowy kabel, który podsumował wszystkie wyrazy szeregu Fouriera, a pióro podłączone do kabla wykreśliło wykres wysokości pływu w funkcji czas. Była to ściśle tajna praca, która znacznie rozwinęła teorię pływów, ponieważ można było z wystarczającą dokładnością przewidzieć moment największego przypływu, dzięki któremu ciężkie wojskowe statki transportowe przepłynęły przez kanał La Manche i wyładowały wojska na brzeg. W ten sposób matematycy i geofizycy uratowali życie wielu ludziom.

Niektórzy matematycy próbują uogólniać dane na skalę planetarną, próbując stworzyć jednolitą teorię pływów, ale porównywanie zapisów dokonanych w różnych miejscach jest trudne, ponieważ Ziemia jest bardzo nieregularna. Tylko w przybliżeniu zerowym pojedynczy ocean pokrywa całą powierzchnię planety, ale w rzeczywistości istnieją kontynenty i kilka słabo połączonych oceanów, a każdy ocean ma swoją własną częstotliwość naturalnych oscylacji.

Poprzednie dyskusje na temat wahań poziomu morza pod wpływem Księżyca i Słońca dotyczyły otwartych przestrzeni oceanicznych, gdzie przyspieszenie pływów różni się znacznie w zależności od wybrzeża. A czy w lokalnych zbiornikach wodnych - na przykład jeziorach - przypływ może wywołać zauważalny efekt?

Wydawałoby się, że nie powinno tak być, ponieważ we wszystkich punktach jeziora przyspieszenie pływowe jest w przybliżeniu takie samo, różnica jest niewielka. Na przykład w centrum Europy znajduje się Jezioro Genewskie, ma ono tylko około 70 km długości i nie jest w żaden sposób połączone z oceanami, a ludzie już dawno zauważyli, że występują tam znaczne dobowe wahania poziomu wody. Dlaczego powstają?

Tak, siła pływowa jest niezwykle mała. Ale najważniejsze, że jest regularny, tj. działa okresowo. Wszyscy fizycy znają efekt, który polega na tym, że okresowe przyłożenie siły czasami powoduje zwiększoną amplitudę oscylacji. Na przykład bierzesz ze stołówki miskę zupy i... Oznacza to, że częstotliwość twoich kroków jest w rezonansie z naturalnymi wibracjami cieczy w płycie. Zauważając to, gwałtownie zmieniamy tempo chodzenia - a zupa „uspokaja się”. Każdy zbiornik wodny ma swoją podstawową częstotliwość rezonansową. Im większy rozmiar zbiornika, tym niższa częstotliwość drgań własnych cieczy w nim zawartej. Tak więc częstotliwość rezonansowa Jeziora Genewskiego okazała się wielokrotnością częstotliwości pływów, a niewielki wpływ pływów „rozluźnia” Jezioro Genewskie, tak że poziom na jego brzegach zmienia się dość zauważalnie. Te długotrwałe fale stojące, które występują w zamkniętych zbiornikach wodnych, nazywane są sesze.

Energia pływów

Obecnie próbują połączyć jedno z alternatywnych źródeł energii z efektem pływów. Jak powiedziałem, głównym skutkiem pływów nie jest podnoszenie się i opadanie wody. Głównym efektem jest prąd pływowy, który w ciągu jednego dnia przemieszcza wodę wokół całej planety.

W płytkich miejscach efekt ten jest bardzo ważny. Na obszarze Nowej Zelandii kapitanowie nie ryzykują nawet prowadzenia statków przez niektóre cieśniny. Żaglówki nigdy tam nie mogły przedostać się, a nawet współczesne statki mają trudności z przedostaniem się tam, bo dno jest płytkie, a prądy pływowe mają ogromną prędkość.

Ale ponieważ woda płynie, można wykorzystać tę energię kinetyczną. Zbudowano już elektrownie, w których turbiny obracają się tam i z powrotem pod wpływem prądów pływowych. Są całkiem funkcjonalne. Pierwsza elektrownia pływowa (TPP) powstała we Francji, do dziś jest największą na świecie, o mocy 240 MW. W porównaniu z elektrownią wodną nie jest ona oczywiście zbyt duża, ale obsługuje najbliższe tereny wiejskie.

Im bliżej bieguna, tym mniejsza prędkość fali pływowej, dlatego w Rosji nie ma wybrzeży, które miałyby bardzo silne przypływy. Generalnie ujścia do morza mamy niewiele, a wybrzeże Oceanu Arktycznego nie jest szczególnie opłacalne do wykorzystania energii pływów, także dlatego, że pływy przemieszczają wodę ze wschodu na zachód. Ale wciąż są miejsca odpowiednie dla PES, na przykład Kislaya Bay.

Faktem jest, że w zatokach przypływ zawsze daje większy efekt: fala podpływa, wpada do zatoki i zwęża się, zwęża - a amplituda wzrasta. Podobny proces zachodzi tak, jakby pękł bicz: początkowo długa fala przemieszcza się powoli wzdłuż bicza, ale potem masa części bicza biorącej udział w ruchu maleje, więc prędkość wzrasta (impuls mw zostaje zachowany!) i na wąskim końcu osiąga poziom naddźwiękowy, w wyniku czego słychać kliknięcie.

Tworząc eksperymentalny Kislogubskaya TPP o małej mocy, inżynierowie energetyczni próbowali zrozumieć, w jaki sposób efektywnie można wykorzystać pływy na szerokościach okołobiegunowych do produkcji energii elektrycznej. Nie ma to większego sensu ekonomicznego. Teraz jednak pojawił się projekt bardzo potężnego rosyjskiego TPP (Mezenskaya) – na 8 gigawatów. Aby osiągnąć tę kolosalną moc, konieczne jest zablokowanie dużej zatoki, oddzielającej tamą Morze Białe od Morza Barentsa. To prawda, że jest wysoce wątpliwe, aby tak się stało, dopóki będziemy mieć ropę i gaz.

Przeszłość i przyszłość pływów

Swoją drogą, skąd bierze się energia pływów? Turbina wiruje, wytwarza się prąd, a jaki obiekt traci energię?

Ponieważ źródłem energii pływów jest obrót Ziemi, jeśli z niej czerpiemy, oznacza to, że obrót musi zwolnić. Wydawać by się mogło, że Ziemia ma wewnętrzne źródła energii (ciepło z głębin pochodzi z procesów geochemicznych i rozpadu pierwiastków promieniotwórczych) i jest coś, co kompensuje utratę energii kinetycznej. To prawda, ale przepływ energii, rozprzestrzeniający się średnio prawie równomiernie we wszystkich kierunkach, nie może znacząco wpłynąć na moment pędu i zmienić rotację.

Gdyby Ziemia się nie obracała, garby pływowe wskazywałyby dokładnie w kierunku Księżyca i w przeciwnym kierunku. Ale gdy się obraca, ciało Ziemi przenosi je do przodu w kierunku swojego obrotu - i powstaje stała rozbieżność szczytu pływowego i punktu podksiężycowego o 3-4 stopnie. Do czego to prowadzi? Garb znajdujący się bliżej Księżyca jest do niego przyciągany silniej. Ta siła grawitacyjna ma tendencję do spowalniania obrotu Ziemi. Natomiast przeciwny garb jest dalej od Księżyca, stara się przyspieszyć obrót, ale jest przyciągany słabiej, więc powstały moment siły hamuje obrót Ziemi.

Tak więc nasza planeta stale zmniejsza prędkość obrotową (choć nie dość regularnie, w skokach, co wynika ze specyfiki wymiany masy w oceanach i atmosferze). Jaki wpływ mają pływy Ziemi na Księżyc? Wybrzuszenie pływowe w pobliżu pociąga za sobą Księżyc, podczas gdy wybrzuszenie odległe, wręcz przeciwnie, spowalnia go. Pierwsza siła jest większa, w wyniku czego Księżyc przyspiesza. A teraz przypomnijcie sobie z poprzedniego wykładu, co dzieje się z satelitą, który jest w ruchu siłą ciągnięty do przodu? Wraz ze wzrostem energii oddala się od planety, a jego prędkość kątowa maleje ze względu na wzrost promienia orbity. Nawiasem mówiąc, wydłużenie okresu obiegu Księżyca wokół Ziemi zauważono już w czasach Newtona.

Mówiąc liczbowo, Księżyc oddala się od nas o około 3,5 cm rocznie, a długość ziemskiego dnia zwiększa się o jedną setną sekundy co sto lat. Wydaje się to bzdurą, ale pamiętajcie, że Ziemia istnieje od miliardów lat. Łatwo policzyć, że w czasach dinozaurów doba miała około 18 godzin (oczywiście według obecnych godzin).

W miarę oddalania się Księżyca siły pływowe stają się mniejsze. Ale zawsze się oddalał i jeśli spojrzymy w przeszłość, zobaczymy, że zanim Księżyc był bliżej Ziemi, co oznacza, że pływy były wyższe. Można na przykład docenić fakt, że w epoce archaiku, 3 miliardy lat temu, przypływy sięgały kilometra.

Zjawiska pływowe na innych planetach

Oczywiście te same zjawiska zachodzą w układach innych planet z satelitami. Na przykład Jowisz jest bardzo masywną planetą z dużą liczbą satelitów. Jego cztery największe satelity (nazywa się je Galileuszami, ponieważ odkrył je Galileusz) są pod dość znaczącym wpływem Jowisza. Najbliższy z nich, Io, jest w całości pokryty wulkanami, wśród których jest ponad pięćdziesiąt aktywnych, i emitują „dodatkową” materię na wysokość 250–300 km w górę. To odkrycie było dość nieoczekiwane: na Ziemi nie ma tak potężnych wulkanów, ale tutaj znajduje się małe ciało wielkości Księżyca, które powinno już dawno ostygnąć, a zamiast tego pęka od ciepła we wszystkich kierunkach. Gdzie jest źródło tej energii?

Aktywność wulkaniczna Io nie była dla wszystkich zaskoczeniem: sześć miesięcy przed zbliżeniem się pierwszej sondy do Jowisza dwóch amerykańskich geofizyków opublikowało artykuł, w którym obliczyli wpływ pływowy Jowisza na ten księżyc. Okazało się, że jest tak duży, że może zdeformować korpus satelity. A podczas odkształcenia zawsze uwalniane jest ciepło. Kiedy weźmiemy kawałek zimnej plasteliny i zaczniemy ją ugniatać w dłoniach, po kilkukrotnym uciśnięciu staje się ona miękka i giętka. Dzieje się tak nie dlatego, że dłoń nagrzała go swoim ciepłem (to samo stanie się, jeśli zgniecie go w zimnym imadle), ale dlatego, że odkształcenie włożyło w niego energię mechaniczną, która zamieniła się w energię cieplną.

Ale dlaczego, u licha, kształt satelity zmienia się pod wpływem pływów Jowisza? Wydawać by się mogło, że poruszając się po orbicie kołowej i obracając się synchronicznie, podobnie jak nasz Księżyc, kiedyś stał się elipsoidą – i nie ma powodu do kolejnych zniekształceń kształtu? Jednak w pobliżu Io znajdują się także inne satelity; wszystkie z nich powodują, że jego orbita (Io) przesuwa się nieznacznie w przód i w tył: albo zbliża się do Jowisza, albo się oddala. Oznacza to, że wpływ pływów albo słabnie, albo nasila się, a kształt ciała cały czas się zmienia. Nawiasem mówiąc, nie mówiłem jeszcze o pływach w ciele stałym Ziemi: oczywiście one również istnieją, nie są tak wysokie, rzędu decymetra. Jeśli usiądziesz na swoim miejscu przez sześć godzin, dzięki przypływom „przejdziesz” około dwudziestu centymetrów w stosunku do środka Ziemi. Wibracje te są oczywiście niedostrzegalne dla człowieka, ale instrumenty geofizyczne je rejestrują.

W przeciwieństwie do stałej Ziemi, powierzchnia Io zmienia się z amplitudą wielu kilometrów w każdym okresie orbitalnym. Duża ilość energii odkształcenia jest rozpraszana w postaci ciepła i ogrzewa powierzchnię podpowierzchniową. Swoją drogą nie widać na nim kraterów po meteorytach, gdyż wulkany nieustannie bombardują całą powierzchnię świeżą materią. Gdy tylko powstanie krater uderzeniowy, sto lat później pokrywa się go produktami erupcji sąsiednich wulkanów. Działają nieprzerwanie i bardzo silnie, do tego dochodzą pęknięcia w skorupie planety, przez które z głębin wypływa stopiony roztop różnych minerałów, głównie siarki. W wysokich temperaturach ciemnieje, więc strumień z krateru wygląda na czarny. A jasna obwódka wulkanu to schłodzona substancja opadająca wokół wulkanu. Na naszej planecie materia wyrzucana z wulkanu jest zwykle zwalniana przez powietrze i opada blisko otworu wentylacyjnego, tworząc stożek, ale na Io nie ma atmosfery i leci po trajektorii balistycznej we wszystkich kierunkach. Być może jest to przykład najpotężniejszego efektu pływowego w Układzie Słonecznym.

Drugi satelita Jowisza, Europa, wszystko wygląda jak nasza Antarktyda, jest pokryta ciągłą skorupą lodową, w niektórych miejscach popękaną, bo coś też ją nieustannie deformuje. Ponieważ satelita ten znajduje się dalej od Jowisza, efekt pływowy nie jest tutaj tak silny, ale nadal dość zauważalny. Pod tą lodową skorupą znajduje się płynny ocean: zdjęcia pokazują fontanny tryskające z niektórych pęknięć, które się otworzyły. Pod wpływem sił pływowych ocean szaleje, a pola lodowe unoszą się i zderzają na jego powierzchni, podobnie jak ma to miejsce na Oceanie Arktycznym i u wybrzeży Antarktydy. Zmierzona przewodność elektryczna płynu oceanicznego Europy wskazuje, że jest to woda słona. Dlaczego nie miałoby tam być życia? Kuszące byłoby opuszczenie urządzenia w jedną ze szczelin i sprawdzenie, kto tam mieszka.

W rzeczywistości nie wszystkie planety spotykają koniec z końcem. Na przykład Enceladus, księżyc Saturna, również ma lodową skorupę i ocean pod spodem. Obliczenia pokazują jednak, że energia pływów nie wystarcza do utrzymania oceanu subglacjalnego w stanie ciekłym. Oczywiście oprócz pływów każde ciało niebieskie ma inne źródła energii - na przykład rozkładające się pierwiastki radioaktywne (uran, tor, potas), ale na małych planetach nie mogą one odgrywać znaczącej roli. Oznacza to, że jest coś, czego jeszcze nie rozumiemy.

Efekt pływowy jest niezwykle ważny dla gwiazd. Dlaczego – więcej na ten temat w kolejnym wykładzie.

15 października 2012

Brytyjski fotograf Michael Marten stworzył serię oryginalnych fotografii przedstawiających wybrzeże Wielkiej Brytanii z tej samej perspektywy, ale w różnym czasie. Jedno zdjęcie podczas przypływu i jedno podczas odpływu.

Okazało się to dość niezwykłe, a pozytywne recenzje projektu dosłownie zmusiły autora do rozpoczęcia publikacji książki. Książka zatytułowana „Sea Change” ukazała się w sierpniu tego roku i ukazała się w dwóch językach. Stworzenie imponującej serii fotografii zajęło Michaelowi Martenowi około ośmiu lat. Czas pomiędzy wysokim i niskim stanem wody wynosi średnio nieco ponad sześć godzin. Dlatego Michael musi przebywać w każdym miejscu dłużej niż tylko kilka kliknięć migawką. Pomysł stworzenia serii takich dzieł autorka nosiła od dawna. Szukał sposobu na urzeczywistnienie zmian w naturze w filmie, bez wpływu człowieka. A znalazłem go przez przypadek, w jednej z nadmorskich szkockich wiosek, gdzie spędziłem cały dzień i złapałem czas przypływu i odpływu.

Okresowe wahania poziomu wody (wzrosty i spadki) w obszarach wodnych na Ziemi nazywane są pływami.

Najwyższy poziom wody zaobserwowany w ciągu dnia lub pół dnia podczas przypływu nazywany jest wysokim poziomem wody, najniższy poziom podczas odpływu nazywany jest niskim stanem wody, a moment osiągnięcia tych maksymalnych poziomów nazywany jest zatrzymaniem (lub etapem) przypływu. odpowiednio przypływ lub odpływ. Średni poziom morza jest wartością warunkową, powyżej której znajdują się znaki poziomu podczas przypływów, a poniżej podczas odpływów. Jest to wynik uśredniania dużej serii pilnych obserwacji.

Pionowe wahania poziomu wody podczas przypływów i odpływów związane są z poziomymi ruchami mas wody w stosunku do brzegu. Procesy te komplikują wezbrania wiatru, spływ rzek i inne czynniki. Poziome ruchy mas wody w strefie przybrzeżnej nazywane są prądami pływowymi (lub pływowymi), natomiast pionowe wahania poziomu wody nazywane są odpływami i odpływami. Wszystkie zjawiska związane z przypływami i odpływami charakteryzują się okresowością. Prądy pływowe okresowo zmieniają kierunek na przeciwny, natomiast prądy oceaniczne, poruszające się w sposób ciągły i jednokierunkowy, spowodowane są ogólną cyrkulacją atmosfery i pokrywają duże obszary otwartego oceanu.

Przypływy i odpływy występują naprzemiennie cyklicznie, zgodnie ze zmieniającymi się warunkami astronomicznymi, hydrologicznymi i meteorologicznymi. Kolejność faz pływowych wyznaczają dwa maksima i dwa minima w cyklu dobowym.

Chociaż Słońce odgrywa znaczącą rolę w procesach pływowych, decydującym czynnikiem w ich rozwoju jest przyciąganie grawitacyjne Księżyca. Stopień wpływu sił pływowych na każdą cząsteczkę wody, niezależnie od jej położenia na powierzchni ziemi, określa prawo powszechnego ciążenia Newtona.

Prawo to głosi, że dwie cząstki materiału przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas obu cząstek i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Rozumie się, że im większa masa ciał, tym większa siła wzajemnego przyciągania powstaje między nimi (przy tej samej gęstości mniejsze ciało wywoła mniejsze przyciąganie niż większe).

Prawo oznacza również, że im większa odległość między dwoma ciałami, tym mniejsze przyciąganie między nimi. Ponieważ siła ta jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między dwoma ciałami, współczynnik odległości odgrywa znacznie większą rolę w określaniu wielkości siły pływowej niż masy ciał.

Przyciąganie grawitacyjne Ziemi, działające na Księżyc i utrzymujące go na orbicie okołoziemskiej, jest przeciwne sile przyciągania Ziemi przez Księżyc, która ma tendencję do przesuwania Ziemi w stronę Księżyca i „unoszenia” wszystkich znajdujących się tam obiektów na Ziemi w kierunku Księżyca.

Punkt na powierzchni Ziemi położony bezpośrednio pod Księżycem znajduje się zaledwie 6400 km od środka Ziemi i średnio 386 063 km od środka Księżyca. Ponadto masa Ziemi jest 81,3 razy większa od masy Księżyca. Zatem w tym punkcie powierzchni Ziemi grawitacja Ziemi działająca na dowolny obiekt jest około 300 tysięcy razy większa niż grawitacja Księżyca.

Powszechnie uważa się, że woda na Ziemi bezpośrednio pod Księżycem podnosi się w kierunku Księżyca, powodując odpływ wody z innych miejsc na powierzchni Ziemi, ale ponieważ grawitacja Księżyca jest tak mała w porównaniu z Ziemią, nie byłoby to możliwe. wystarczy, aby unieść tak dużo wody, ogromny ciężar.
Jednakże oceany, morza i duże jeziora na Ziemi, będące dużymi ciałami płynnymi, mogą się swobodnie poruszać pod wpływem bocznych sił przemieszczenia, a każda niewielka tendencja do przemieszczania się w poziomie wprawia je w ruch. Wszystkie wody, które nie znajdują się bezpośrednio pod Księżycem, podlegają działaniu składowej siły grawitacyjnej Księżyca skierowanej stycznie (stycznie) do powierzchni Ziemi, a także jej składowej skierowanej na zewnątrz oraz podlegają poziomym przemieszczeniom względem ciała stałego skorupa Ziemska.

W rezultacie woda przepływa z sąsiednich obszarów powierzchni Ziemi w kierunku miejsca znajdującego się pod Księżycem. Powstałe w ten sposób nagromadzenie wody w punkcie pod Księżycem tworzy tam przypływ. Sama fala pływowa na otwartym oceanie ma wysokość zaledwie 30–60 cm, ale znacznie wzrasta, gdy zbliża się do brzegów kontynentów lub wysp.
W wyniku przemieszczania się wody z sąsiednich obszarów w kierunku punktu pod Księżycem, odpowiednie odpływy wody występują w dwóch innych punktach oddalonych od niego w odległości równej jednej czwartej obwodu Ziemi. Warto zauważyć, że spadkowi poziomu morza w tych dwóch punktach towarzyszy wzrost poziomu morza nie tylko po stronie Ziemi zwróconej w stronę Księżyca, ale także po przeciwnej stronie.

Fakt ten wyjaśnia także prawo Newtona. Dwa lub więcej obiektów znajdujących się w różnych odległościach od tego samego źródła grawitacji i dlatego poddawanych przyspieszeniu grawitacyjnemu o różnej wielkości, poruszają się względem siebie, ponieważ obiekt znajdujący się najbliżej środka ciężkości jest do niego najsilniej przyciągany.

Woda w punkcie podksiężycowym odczuwa silniejsze przyciąganie w stronę Księżyca niż Ziemia pod nią, ale Ziemia z kolei ma silniejsze przyciąganie w stronę Księżyca niż woda po przeciwnej stronie planety. W ten sposób powstaje fala pływowa, którą po stronie Ziemi zwróconej w stronę Księżyca nazywa się bezpośrednią, a po przeciwnej stronie - odwrotną. Pierwsza z nich jest tylko o 5% wyższa od drugiej.

W wyniku obrotu Księżyca na orbicie wokół Ziemi pomiędzy dwoma kolejnymi przypływami lub dwoma odpływami w danym miejscu upływa około 12 godzin i 25 minut. Odstęp pomiędzy kulminacjami kolejnych przypływów i odpływów wynosi ok. 6 godzin 12 minut Okres 24 godzin i 50 minut pomiędzy dwoma kolejnymi przypływami nazywany jest dniem pływowym (lub księżycowym).

Nierówności pływów. Procesy pływowe są bardzo złożone i aby je zrozumieć, należy wziąć pod uwagę wiele czynników. W każdym razie główne cechy zostaną określone:
1) etap rozwoju przypływu w związku z przejściem Księżyca;
2) amplituda pływów i
3) rodzaj wahań pływów, czyli kształt krzywej poziomu wody.
Liczne wahania kierunku i wielkości sił pływowych powodują różnice w wielkości pływów porannych i wieczornych w danym porcie, a także pomiędzy tymi samymi pływami w różnych portach. Różnice te nazywane są nierównościami pływów.

Efekt półdobowy. Zwykle w ciągu jednego dnia, w wyniku głównej siły pływowej - obrotu Ziemi wokół własnej osi - powstają dwa pełne cykle pływowe.

Patrząc z bieguna północnego ekliptyki oczywiste jest, że Księżyc obraca się wokół Ziemi w tym samym kierunku, w którym Ziemia obraca się wokół własnej osi – przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Z każdym kolejnym obrotem dany punkt na powierzchni Ziemi ponownie zajmuje pozycję bezpośrednio pod Księżycem, nieco później niż podczas poprzedniego obrotu. Z tego powodu zarówno przypływy, jak i odpływy są codziennie opóźniane o około 50 minut. Wartość ta nazywana jest opóźnieniem księżycowym.

Nierówność półroczna. Ten główny typ zmienności charakteryzuje się okresowością wynoszącą około 143/4 dni, co jest związane z obrotem Księżyca wokół Ziemi i jego przechodzeniem przez kolejne fazy, w szczególności syzygie (nowie i pełnie księżyca), tj. momenty, w których Słońce, Ziemia i Księżyc znajdują się na tej samej linii prostej.

Jak dotąd zajmowaliśmy się jedynie wpływem pływowym Księżyca. Pole grawitacyjne Słońca wpływa również na pływy, jednakże chociaż masa Słońca jest znacznie większa od masy Księżyca, to odległość Ziemi od Słońca jest na tyle większa od odległości od Księżyca, że siła pływowa Słońca jest o połowę mniejsza niż Księżyca.

Jednakże, gdy Słońce i Księżyc znajdują się na tej samej linii prostej, po tej samej stronie Ziemi lub po przeciwnych stronach (podczas nowiu lub pełni księżyca), ich siły grawitacyjne sumują się, działając wzdłuż tej samej osi, a przypływ słoneczny pokrywa się z przypływem księżycowym.

Podobnie przyciąganie Słońca zwiększa odpływ spowodowany wpływem Księżyca. W rezultacie pływy stają się wyższe, a pływy niższe, niż gdyby były spowodowane wyłącznie grawitacją Księżyca. Takie pływy nazywane są przypływami wiosennymi.

Gdy wektory sił grawitacyjnych Słońca i Księżyca są wzajemnie prostopadłe (w czasie kwadratur, czyli gdy Księżyc znajduje się w pierwszej lub ostatniej kwadrze), ich siły pływowe przeciwstawiają się, gdyż przypływ wywołany przyciąganiem Słońca nakłada się na odpływ spowodowany przez Księżyc.

W takich warunkach pływy nie są tak wysokie i nie są tak niskie, jak gdyby były spowodowane wyłącznie siłą grawitacji Księżyca. Takie pośrednie przypływy i odpływy nazywane są kwadraturą.

Zasięg wysokich i niskich stanów wody w tym przypadku zmniejsza się około trzykrotnie w porównaniu z przypływem wiosennym.

Księżycowa nierówność paralaktyczna. Okres wahań wysokości pływów, które powstają w wyniku paralaksy księżycowej, wynosi 271/2 dnia. Przyczyną tej nierówności jest zmiana odległości Księżyca od Ziemi podczas jej obrotu. Ze względu na eliptyczny kształt orbity Księżyca siła pływowa Księżyca w perygeum jest o 40% większa niż w apogeum.

Codzienna nierówność. Okres tej nierówności wynosi 24 godziny i 50 minut. Przyczyną jego wystąpienia jest obrót Ziemi wokół własnej osi i zmiana deklinacji Księżyca. Kiedy Księżyc znajduje się w pobliżu równika niebieskiego, dwa przypływy danego dnia (oraz dwa odpływy) różnią się nieznacznie, a wysokość porannego i wieczornego przypływu i odpływu wody jest bardzo zbliżona. Jednakże wraz ze wzrostem deklinacji północnej lub południowej Księżyca, poranne i wieczorne pływy tego samego typu różnią się wysokością, a kiedy Księżyc osiąga największą deklinację północną lub południową, różnica ta jest największa.

Znane są również pływy tropikalne, nazywane tak dlatego, że Księżyc znajduje się prawie nad północnymi lub południowymi tropikami.

Nierówność dobowa nie wpływa znacząco na wysokość dwóch kolejnych odpływów na Oceanie Atlantyckim, a nawet jej wpływ na wysokość przypływów jest niewielki w porównaniu z ogólną amplitudą wahań. Jednakże na Pacyfiku zmienność dobowa jest trzykrotnie większa w przypadku odpływów niż przy przypływów.

Półroczna nierówność. Jego przyczyną jest obrót Ziemi wokół Słońca i odpowiadająca mu zmiana deklinacji Słońca. Dwa razy w roku przez kilka dni w czasie równonocy Słońce znajduje się w pobliżu równika niebieskiego, tj. jego deklinacja jest bliska 0. Księżyc również znajduje się w pobliżu równika niebieskiego przez około jeden dzień co pół miesiąca. Tak więc podczas równonocy są okresy, w których deklinacje zarówno Słońca, jak i Księżyca są w przybliżeniu równe 0. Całkowity efekt pływowy przyciągania tych dwóch ciał w takich momentach jest najbardziej zauważalny na obszarach położonych w pobliżu równika ziemskiego. Jeżeli w tym samym czasie Księżyc znajduje się w fazie nowiu lub pełni księżyca, następuje tzw. równonocne przypływy wiosenne.

Nierówność paralaksy Słońca. Okres manifestacji tej nierówności wynosi jeden rok. Jego przyczyną jest zmiana odległości Ziemi od Słońca podczas ruchu orbitalnego Ziemi. Raz na każdy obrót wokół Ziemi Księżyc znajduje się w najkrótszej odległości od niego w perygeum. Raz w roku, około 2 stycznia, Ziemia poruszając się po swojej orbicie również osiąga punkt największego zbliżenia do Słońca (peryhelium). Kiedy te dwa momenty największego podejścia zbiegają się, powodując największą siłę pływową netto, można spodziewać się wyższych poziomów pływów i niższych poziomów pływów. Podobnie, jeśli przejście aphelium zbiega się z apogeum, występują przypływy niższe i płytsze.

Największe amplitudy pływów. Najwyższy na świecie przypływ generowany jest przez silne prądy w zatoce Minas w zatoce Fundy. Wahania pływów charakteryzują się tutaj normalnym przebiegiem z okresem półdobowym. Poziom wody podczas przypływu często podnosi się o ponad 12 m w ciągu sześciu godzin, a następnie spada o tę samą ilość w ciągu następnych sześciu godzin. Kiedy efekt przypływu wiosennego, położenie Księżyca w perygeum i maksymalna deklinacja Księżyca wystąpią tego samego dnia, poziom pływów może osiągnąć 15 m. Ta wyjątkowo duża amplituda wahań pływów wynika częściowo z lejkowatego kształtu kształt Zatoki Fundy, gdzie głębokość maleje, a brzegi zbliżają się do siebie w kierunku szczytu zatoki.Przyczyny pływów, będące przedmiotem ciągłych badań od wielu stuleci, należą do problemów, które dały początek wielu kontrowersyjne teorie nawet w stosunkowo niedawnych czasach

Charles Darwin napisał w 1911 roku: „Nie ma potrzeby szukać literatury starożytnej w imię groteskowych teorii pływów”. Jednak żeglarzom udaje się zmierzyć swój wzrost i wykorzystać przypływy, nie mając pojęcia o faktycznych przyczynach ich występowania.

Myślę, że nie musimy się zbytnio martwić przyczynami przypływów. Na podstawie wieloletnich obserwacji dla dowolnego punktu wód na Ziemi wyliczane są specjalne tablice, które wskazują, kiedy w poszczególnych dniach występują wysokie i niskie stany wody. Planuję swój wyjazd na przykład do Egiptu, który słynie z płytkich lagun, ale staram się planować z wyprzedzeniem, aby pełna woda pojawiła się w pierwszej połowie dnia, co pozwoli na pełne przejechanie większości godziny dzienne.
Kolejnym interesującym dla kiterów pytaniem związanym z pływami jest związek pomiędzy wahaniami wiatru i poziomu wody.

Ludowy przesąd głosi, że podczas przypływu wiatr nasila się, podczas odpływu staje się kwaśny.
Bardziej zrozumiały jest wpływ wiatru na zjawiska pływowe. Wiatr od morza spycha wodę w kierunku wybrzeża, wysokość przypływu wzrasta powyżej normy, a podczas odpływu poziom wody również przekracza średnią. I odwrotnie, gdy wiatr wieje od strony lądu, woda jest wypierana z wybrzeża, a poziom morza spada.

Drugi mechanizm działa poprzez zwiększenie ciśnienia atmosferycznego na rozległym obszarze wody; poziom wody maleje wraz z dodaniem nałożonego ciężaru atmosfery. Gdy ciśnienie atmosferyczne wzrasta o 25 mmHg. Art. poziom wody spada o około 33 cm Strefę wysokiego ciśnienia lub antycyklon zwykle nazywa się dobrą pogodą, ale nie dla kiterów. W centrum antycyklonu panuje spokój. Spadek ciśnienia atmosferycznego powoduje odpowiedni wzrost poziomu wody. W konsekwencji gwałtowny spadek ciśnienia atmosferycznego w połączeniu z wiatrami o sile huraganu może spowodować zauważalny wzrost poziomu wody. Fale takie, choć nazywane pływowymi, w rzeczywistości nie są związane z wpływem sił pływowych i nie mają charakterystycznej dla zjawisk pływowych okresowości.

Ale jest całkiem możliwe, że odpływy mogą również wpływać na wiatr, np. spadek poziomu wody w przybrzeżnych lagunach prowadzi do większego ocieplenia wody, a w efekcie do zmniejszenia różnicy temperatur między zimnym morzem a zimnym morzem. nagrzaną ziemię, co osłabia działanie bryzy.

Zdjęcie: Michael Marten