Припливи та відпливи

Припливи - це складні хвильові рухи водної поверхні, зумовлені силами всесвітнього тяжіння і виражені в періодичних змінах рівня й течій. Виникають вони в результаті дії сил притягання Місяця і Сонця. Припливні хвилі переміщуються зі сходу на захід, охоплюючи всю товщу води.

Найвище положення рівня під час припливу називається повною водою, а найнижче, при відпливі — малою водою. Різниця між повною та малою водою називається величиною припливу, а проміжок часу від повної води до малої називається періодом припливу. Висота припливу — це перевищення над якимось рівнем, наприклад, середнім рівнем моря, визначається величиною припливно-утворювальних сил, а при наближенні до берегів — ще й глибиною та рельєфом дна басейну.

Залежно від періоду розрізняють припливи півдобові, добові і змішані. При півдобових припливах регулярно утворюються дві повні та дві малі води. Повний цикл — два припливи та два відпливи — відбувається за 24 год. 50 хв. Саме стільки триває місячна доба. Такі припливи називаються правильними. Вони бувають дуже рідко — один раз на 19 років.

Під час добових припливів за місячну добу виникають одна повна і одна мала вода. Найчастіше протягом місяця припливи змінюють свою періодичність, наближаючись то до півдобових, то до добових. Це змішані припливи.

Теорія припливів ґрунтується на двох основних законах Ньютона:

1) взаємне притяжіння тіл прямо пропорційне їх масі;

2) тіла притягуються між собою обернено пропорційно квадрату відстані між ними.

Отже, не тільки Місяць притягує Землю, а і Землі притягує Місяць. Не падають вони одне на одного, тому що володіють власним рухом. Внаслідок власного руху та взаємного притягання Земля і Місяць обертаються у просторі навколо спільного центра.

Внаслідок виникнення відцентрової сили Земля та Місяць, обертаючись навколо свого спільного центра тяжіння, прагнуть віддалитися одне від одного, але цього не відбувається, тому що взаємне притягання зрівноважує відцентрову силу.

На кожну частинку водної оболонки Землі будуть діяти дві сили — відцентрова сила та сила притягання Місяця. Перша сила буде у всіх точках однаковою, друга — залежить від положення Місяця, і величина її буде змінюватися обернено пропорційно квадрату відстані до Місяця.

Рівнодіюча цих сил і буде припливно-утворювальною силою Місяця. Рівнодіюча буде мати в кожній точці Землі різну величину та напрямок. Ця різниця і викликає припливно-відпливні явища в морях та океанах.

Така сама система спостерігається і для системи Земля-Сонце. Обидві сили (Місяця та Сонця) у природі сумуються і утворюють спільний місячно-сонячний приплив.

Вченими установлено, що коли Місяць та Сонце знаходяться в плоскості екватора і на середній відстані від Землі, то приплив має правильний характер, тобто два рази на добу повна вода, два — мала; висоти сусідніх повних або сусідніх малих вод рівні, і проміжки часу між окремими фазами рівні.

В дійсності ж спостерігається безперервне схилення Місяця та Сонця, зміни відстані від Землі до Місяці та Сонця, зміни взаємного розташування Сонця та Місяця відносно Землі. Ці причини викликають нерівність припливів, правильного коливання рівня не спостерігається. Основні форми нерівності припливів — півмісячні, добові та паралактичні.

Півмісячна (фазова) нерівність залежить від змін в розташуванні Місяця та Сонця відносно Землі. Під час нового і повного Місяця вони знаходяться на одній лінії, і їхні припливно-утворювальні сили сумуються. Тому сизигійні припливи найбільші. Припливи під час першої та останньої квадратур Місяця бувають кожні два тижні в період між повним Місяцем і новим. У квадратурах Місяць і Сонце перебувають під прямим кутом відносно Землі. Тому квадратурні припливи найменші протягом місяця.

Добова нерівність припливу виникає внаслідок зміни схилення Місяця та Сонця. Місяць має свій схил в середньому від 23,5° Півдня до 23,5° Півночі протягом 14 діб. Повний оберт навколо Землі Місяць здійснює за 27¹/₃ доби. Протягом цього часу Місяць два рази буває в плоскості екватора.

Внаслідок перебування Місяця в північному або південному схиленні виникає нерівність як в проміжках часу між повною та малою водою, так і нерівність у висотах послідовних повних та малих вод. Перші називаються добовими нерівностями припливів за часом, другі — добовими нерівностями припливів за висотою.

Паралактична нерівність утворюється внаслідок змін відстані від Землі до Сонця та Місяця. Період цієї нерівності — приблизно один місяць (27¹/₃ доби).

Закономірності припливів дуже складні. Але тепер вони досить добре вивчені, і вчені передбачають їх з великою точністю як за часом настання, так і за величиною. За спеціальною таблицею мореплавці дізнаються про висоту припливу на будь-яку годину і день в будь-якій точці узбережжя Світового океану .

Є кілька теорій походження припливів.

Статична теорія припливів. Уперше була розроблена Ісаком Ньютоном на основі закону всесвітнього тяжіння та викладена у книзі „Математичні начала натуральної філософії” у 1687 році. Вона дозволяла визначити величини припливоутворювальних сил та якісно пояснити деякі особливості явища припливу. Ця теорія припускає, що в полі припливоутворювальної сили поверхня океану набуває фігури рівноваги. Якщо вважати, що океан покриває тверду оболонку Землі безперервним шаром однакової глибини, то такою поверхнею буде еліпсоїд обертання – еліпсоїд припливу, більша вісь якого завжди буде направлена на Місяць. Поверхня еліпсоїда двома випуклостями піднімається вище середнього рівня спокою океану, між ними широким поясом, який охоплює весь твердий шар, лежить нижче середнього рівня пояс малих вод. Еліпсоїд, прямуючи за Місяцем, робить один оберт протягом місяця, а тверде тіло внутрі еліпсоїда робить один оберт за добу, що і створює в кожній точці тіла періодичні коливання рівня припливного типу.

Оскільки Місяць має схилення, яке періодично змінюється в межах від 23.5°S до 23.5°N, більша вісь еліпсоїда поперемінно нахилена до площини екватора. Унаслідок цього і утворюється добова нерівність припливу.

Сонце також створює свій еліпсоїд припливу, який рухається разом із ним. Але величина сонячної припливоутворювальної сили становить 0.46 місячної, тому і відхилення рівня сонячного еліпсоїда менше, а величина припливу – 0.26.

Зміною взаємного розташування обох еліпсоїдів пояснюється фазова нерівність: якщо вісі обох еліпсоїдів збігаються (сизигії), висоти припливів складаються, а якщо ж вони взаємно перпендикулярні (квадратури), то віднімаються. Величини припливів відповідно становитимуть 0.79 і 0.29. Якщо врахувати і паралактичну нерівність, то крайні значення припливу дорівнюватимуть 0.90 і 0.19. Такі незначні припливи не можна вважати характерними для Світового океану, оскільки лише біля островів відкритого океану (Св. Олени, Гуам) вони близькі до теоретичних - по 0.8.

За статичною теорією одночасно повинні наступати повні води на одному меридіані, а добова нерівність залежить від широти, чого теж у природі немає. Є ще ряд інших деталей реального припливу, які статична теорія пояснити не може, хоча основні закономірності явища в ній отримали добре тлумачення.

Для пояснення невідповідностей, які є в статичній теорії, була розроблена динамічна теорія припливів, яка розглядає явище не в статиці, а в русі, як хвилю. Ця теорія була висунута П. Далласом, розвивалась Дж. Ері, У. Кельвіном, Дж. Дарвіном, А. Дудсоном.

Згідно з динамічною теорією, припливоутворювальні сили мають періодичний характер, збуджують, а також постійно підтримують в океані коливальні рухи рідини з періодами припливоутворювальних сил. Частки води перебувають у безперервному русі, описуючи деякі орбіти. У результаті цього в океані утворюються хвилі дуже великої довжини і великого періоду, які можуть перетинати океан.

Лаплас уперше одержав рівняння руху припливів в океані постійної глибини. Ері застосував це рівняння при визначенні поширення хвиль у вузьких каналах змінної глибини. Кельвін особливу увагу приділив впливу сил Коріоліса на припливи і удосконалив прийоми по розкладанню сумарної припливної хвилі на ряд простих хвиль, які мають вигляд правильних синусоїдальних кривих. Звідси виникла теорія гармонійного аналізу, яку розвинув Дж. Дарвін.

Таким чином, згідно з динамічною теорією явища припливу розглядаються як вид руху. Припливоутворювальні світила Місяць і Сонце утворюються два види рухів: вимушені й вільні.

Величина припливів на островах в океані досягає 2 м, лише на о. Мадейра вона становить 0.5 м.

З наближенням до берегів зменшуються глибини і ускладнюється рельєф дна, тому в прибережних районах характер припливів змінюється. Біля мало порізаних берегів величина припливу не перевищує 3 м. У протоках, верхів’ях заток і гирлах річок зустрічаються припливи заввишки більше 6 м. Особливо великі припливи спостерігаються в лійкоподібних затоках (Пенжинська губа Охотського моря), де досягають 13 м, або в затоці Фанді (східне узбережжя Північної Америки), де досягають максимального значення для Світового океану – 18 м.

Питання для самоконтролю

1. Процеси утворення хвиль та їх деформація.

2. Типи хвиль.

3. Причини виникнення океанічних течій.

4. Типи течій.

5. Припливоутворюючі процеси і система припливів.

6. Енергія припливів.

7. Глибинні й придонні течії.

8. Загальна схема поверхневих течій Світового океану.