Приливные колебания уровня моря

Если бы не было причин, вызывающих движение водных морских масс, то уровень моря оставался бы неизменным. Непрерывное движение водных масс океанов и морей вызывает колебание уровня моря относительно среднего положения. Колебания уровня моря классифицируют как регулярные и периодические. Регулярные колебания уровня моря вызываются приливообразующими силами Луны и Солнца, а периодические колебания возникают от воздействия ветра, в основном, а также от изменения атмосферного давления. При устойчивом воздействии ветра постоянного направления в условиях мелководья изменения высоты уровня могут достигать нескольких метров.

Наиболее важным для мореплавателей является предвидение приливоотливных колебаний под воздействием приливообразующих сил Солнца и Луны.

       При приливах вода то прибывает у берегов, образуя высокое положение уровня моря, то отступает от берегов, понижая этот уровень. На навигационной карте указывается глубина на самом низком уровне моря. Этот уровень называется нулем глубин. Высокое положение уровня моря в результате прилива называется полной водой, а низкое – малой водой.

По теории приливов система «Земля Луна» (З, Л) вращаются вокруг общего центра масс (О). На рисунке 2.20 а) центр масс находится в точке О на расстоянии от центра Земли на 0,73 земного радиуса. Все точки системы «Земля – Луна», вращаясь вокруг центра масс, будут испытывать воздействие центробежных сил, направленных в сторону от центра вращения, параллельно центробежной силе, приложенной к центру вращения масс (О). Все силы равны по величине.

Сила притяжения каждой точки Земли массой Луны направлена по линии, соединяющей данную точку Земли с центром Луны.

 

З

Л

б)

а))

О

 

                     P   в)                                        г)       

З

                                                                                               a  МВ   

                                                                                                 аa       

З

                                                                       ПВ                                        ПВ

                                                     Л           А₁                   А                       А₃

                                                                         Z                                          n 

 

                                    Рис.2.19                                                  b

                                                                                                B 

Таким образом, сила притяжения Луной и центробежная сила, возникающая от вращения центра масс, не уравновешиваются, и их образующая создает приливообразующую силу Луны на данную точку Земли `F<sub>Л</sub> = `F_P -`F_O.

На рисунке Рис.2.19 б) показано распределение приливообразующих сил на Земле. Каждая из названных сил при разложении на горизонтальную и вертикальную составляющие по-разному воздействуют на водные массы. Вертикальная незначительно изменит силу тяжести, а горизонтальная сила вызовет перемещение частиц воды в сторону меридиана кульминации Луны (Рис.2.19 в). Под влиянием упомянутой горизонтальной составляющей водная оболочка (на Рис. 2.19 г) - пунктирная окружность) Мирового океана примет вид эллипсоида (Zanb), большая полуось которого всегда направление на центр Луны. Малая полуось приливного эллипсоида ab является границей между освещенной и неосвещенной Луной поверхностями Земли. При склонении Луны, равном нулю, неосвещенная поверхность эллипсоида заштрихована (Рис.2.20 г). В таком положении наивысший уровень прилива будет в точках Z и n, а наименьший - в точках a и b на круге освещения.

Рассматривая положение точки А на поверхности мирового океана (Рис.2.20 г)), обнаруживаем, что в течении суток при вращении Земли она вначале была в точке А₁ (на меридиане кульминации Луны), когда уровень воды соответствует уровню полной воды, в точке А₂ (на круге освещенности), когда уровень воды будет соответствовать уровню малой воды, в точке А₃ вновь наблюдается уровень полной (второй) воды. Таким образом, в течение лунных суток будет наблюдаться две полных и две малых воды. Если бы склонение Луны и Солнца были бы все время равны нулю, а расстояние между светилами и Землей оставалось бы постоянным и скорости их вращения вокруг Земли не менялись бы, то приливы в Мировом океане отличались бы правильностью по высоте и по времени. При таких приливах в течение суток наблюдалось бы две полных и две малых воды, наступающие в постоянном интервале полусуток. Такие приливы назывались бы полусуточными. А колебания уровня при таких приливах имели бы характер правильной синусоиды. Но в действительности правильные полусуточные приливы - явление редкое.

 

Неравенство приливов

        По причине изменения склонения и расстояние между Луной и Солнцем, неравномерности их видимого вращения вокруг Земли, картина приливов усложняется, приводя к неравенству как по высоте, так и по времени их наступления.

Это суточное неравенство приливов можно показать графически:

Изменение склонения Луны вызывает тем большее суточное неравенство по высоте и по времени, чем больше ее склонение. Наибольшие суточные неравенства будут при максимальном склонении приливообразующего светила. При склонении Луны, равном нулю это неравенство не наблюдается, как видно из рисунка Рис.2.19 г). И так правильный полусуточный прилив может смениться неправильным, при котором в течение лунных суток наблюдается две полных и две малых воды. Нарушается равенство не только в высотах воды, но и во времени роста и падения уровня.

На показанной кривой (Рис. 2.22) обозначено:

ВПВ – высота высокой полной воды,  НПВ – высота низкой полной воды,

ВМВ – высота высокой малой воды,  НМВ – высота низкой малой воды,

СНhмв – суточное неравенство малой воды,

СНhпв -  суточное неравенство полной воды,

В1 и В2 – большая и малая величина прилива,

Zо – высота среднего уровня моря над нулем глубин,

ГЛк – глубина, показываемая на навигационной карте.

Критерии суточных и полусуточных приливов. Все приливы состоят из суточных и полусуточных компонентов, и представляют собой неравенство высот полной или малой воды и времен их наступления.

Для портов с полусуточным приливом применяют разность высот между средним сизигийным и квадратурным уровнями. Для портов с суточным приливом, применяют разность наибольшей и наименьшей полных и малых вод.

Деление приливов на суточные и полусуточные отчасти произвольное и определяется по следующей формуле:

1. Когда p(H от S₂) больше, чем 2(H от K₁ + H от O₁), прилив считается полусуточным.

Порт 1668 Pomic (3,14*0,64=2,0) > [2(0,06 + 0,07)=0,26 ]

2. Когда p(H от S₂) меньше, чем 2(H от K₁ + H от O₁), прилив считается суточным.

Порт 2179 Rio Grande (3,14*0,03=0,09) < [2(0,05 + 0,11)=0,45 ]

В некоторых районах мира такие формулы будут неудовлетворительными и необходимо более детально исследовать приливы по гармоническим постоянным.

 Кроме суточного неравенства проявляется и полумесячное неравенство, когда светила Земля, Луна и Солнце занимают разное положение относительно друг друга. Когда эти три светила находятся на одной линии, и время прихода на меридиан наблюдателя Луны и Солнца совпадают (Рис.2.20), тогда приливообразующие силы увеличивают прилив.

Полумесячное неравенство

Сизигийный прилив

Солнце                                                                              Земля

                                                         Луна (новая)                      Луна (полная)

                                                                                             

Рис.2.20

Это происходит два раза в месяц – в новолуние и полнолуние. Приливы в такие дни самые значительные по высоте и называются сизигийными. Когда же Луна по отношению к линии, соединяющей Землю и Солнце, находится под углом 90 градусов (Рис.2.21), приливообразующие силы ослабевают. Это происходит в два раза в месяц, когда фаза Луны находится в первой и последней  четверти. Приливы в такие дни будут наименьшими и называются квадратурными.   

                                                 Квадратурный прилив                                 

                                                                                        Последняя четверть          

            Солнце

                                                                                                                  Земля

 

 

                                             Рис.2.21                                Первая четверть

                                                                                                            

Рис. 2.22

Классификация приливов.

       Нуль глубин (НГ). Это условный уровень, от которого на морских навигационных картах показаны глубины. Расстояние между нулем глубин и дном есть глубина, которая показывается на карте.

Средний уровень моря (СУМ). Это среднее арифметическое большого ряда наблюдений уровня моря за определенный промежуток времени (18,6 лет), в течение которого все основные неравенства прилива повторяются. В местах, где приливы незначительные (менее 0,5 метра), высоту среднего уровня принимают за нуль глубин.

Утренняя вода. Это полные и малые воды, наступающие по время суток от полуночи до полудня.

Вечерняя вода. Это полные и малые воды, наступающие по времени суток от полудня до полуночи.

Лунный промежуток. По теории приливов полная вода должна наступать в любой точке Мирового океана точно в момент прохождения Луны через меридиан этой точки (верхняя и нижняя кульминация). При этом предполагается, что материки влияния на приливы не оказывают, а глубины и рельеф дна везде одинаков. Силы же трения, сцепления и инерции находятся в состоянии равновесия. В действительности же такое допущение не выполнимо, и наличие материков и рельеф дна и силы трения вызывают запаздывание наступления полной воды относительно кульминации Луны. Промежуток времени между моментом кульминации и наступлением ближайшей полной воды называется лунным промежутком.

Т_ПВ – Т_КЛ = Т_Л (лунный промежуток)

Возраст прилива. По теории Ньютона, наибольшая величина прилива должна наступать в момент астрономических сизигий. Практически наиболее высокая полная вода наблюдается раньше или позже астрономической сизигии (новолуние или полнолуние). Промежуток времени между астрономической и приливной сизигиями называется возрастом прилива и достигает нескольких суток.

Величина прилива. Разность уровней между смежной полной и малой водами называется величиной прилива (В): В = (hпв + Глк) – (hмв + Глк).

Прикладной час порта. При полусуточных приливах лунный промежуток незначительно отличается от среднего значения для данного пункта. Средний лунный промежуток для данного пункта называется прикладным часом порта. Величина его определяется опытным путем как средняя из лунных промежутков в дни сизигий. В районах действия полусуточных приливов время наступления полной воды можно вычислить с помощью прикладного часа для данного пункта.