Статическая и динамическая теории приливов. Строение приливной волны и приливные течения

Теория равновесия, или статическая теория приливов, разрабо­тана на основе закона всемирного тяготения Ньютона. Эта теория предполагает, что в поле приливообразующей силы поверхность океана приобретает фигуру равновесия. Если считать, что океан покрывает твердую оболочку Земли непрерывным слоем одинаковой глубины, то такой поверхностью будет эллипсоид вращения — эллипсоид при­лива, большая ось которого всегда направлена на Луну и в проти­воположную сторону. Поверхность эллипсоида двумя выпуклостя­ми — «горбами» — поднимается выше среднего уровня океана, а между ними широким поясом, охватывающим весь твердый шар, лежит ниже среднего уровня пояс малых вод. Эллипсоид, следуя за Луной, делает один оборот в течение лунного месяца, а твердое тело внут­ри эллипсоида делает один оборот в сутки, что и создает в каждой точке тела периодические колебания уровня приливного типа.

Так как Луна имеет склонение, периодически изменяющееся в пределах от 23,5 °S до 23,5 °N, то большая ось эллипсоида пере­менно наклонена к плоскости экватора. Это и создает суточное неравенство приливов.

С татическая теория позволяет вычислить и высоты приливов над средним уровнем h по формуле

(10.18)

где Z— зенитное расстояние Луны, т. е. угол между вертикалью (направлением в зенит) и направлением на Луну. Расчет по этой формуле показывает, что наибольшее возвышение уровня (на «гор­бах») составляет 0,36 м, наинизшее положение в поясе малых вод 0,18 м, а величина прилива 0,54 м.

Солнце тоже создает свой эллипсоид прилива, движущийся вместе с ним. Но величина солнечной приливообразующей силы составляет 0,46 лунной, поэтому и отклонения уровня у солнечного эллипсоида меньше, а величина прилива — 0,25 м.

Изменением взаимного расположения обоих эллипсоидов объясня­ется фазовое (полумесячное) неравенство: когда оси обоих эллипсо­идов совпадают (сизигии), высоты приливов складываются, а когда они взаимно перпендикулярны (квадратуры) — вычитаются. И вели­чины приливов соответственно будут 0,79 и 0,29 м. Если учесть еще и параллактическое неравенство, то крайние значения прилива будут 0,90 и 0,19 м. Такие незначительные приливы нельзя считать харак­терными для Мирового океана, только у островов открытого океана (Святой Елены, Гуам) они близки к теоретическим — по 0,8 м.

По статической теории приливов одновременно должны насту­пать полные воды на одном меридиане, а суточное неравенство

приливов зависит от широты, чего тоже в природе нет. Есть и дру­гие детали реального явления приливов, которые статическая тео­рия объяснить не может, хотя главные закономерности явления в ней получили хорошее истолкование.

Чтобы объяснить несоответствия, отмеченные в статической теории, динамическая теория приливов рассматривает явление не в статике, а в движении, как волну. Эта теория была выдвинута П. Лапласом, развивалась Дж. Эри, Дж. Дарвином, А. Дудсоном.

Приливная волна относится к типу длинных волн: длина ее, как показывает эллипсоид прилива, равна половине длины параллели Зем­ли, т. е. тысячи километров (на экваторе 20 ООО км), а средняя глубина океана — около 4 км. Поэтому фазовая скорость распространения при­ливной волны определяется формулой Лагранжа — Эри: с = yjgH, где Н— глубина океана. Орбитальная скорость определяется други­ми, чем для ветровой волны, формулами, так как орбиты частиц у при­ливной волны не круговые, а эллиптические, притом очень вытяну­тые: малая ось эллипсов измеряется метрами (высоты приливов), боль­шая ось — пробег частицы в направлении распространения приливов — измеряется километрами. Поэтому орбитальное движение частиц в при­ливной волне воспринимается как приливное течение с большими ско­ростями (десятки и даже сотни сантиметров в секунду). От поверх­ности ко дну малая ось эллипса уменьшается и обращается в нуль у самого дна. Большая ось остается без изменений, поэтому у дна ор­битальное движение переходит в возвратно-поступательное, реверсивное движение. Такая же схема свойственна узким участкам моря — проли­вам. В открытом море проявляется отклоняющая сила вращения Зем­ли, и орбита приобретает форму наклонной окружности. Наклон этот очень мал, всего лишь минуты дуги — тангенс утла равен отношению величины прилива к диаметру орбиты (к горизонтальному пробегу).

Таким образом, в простейшем случае в гипотетическом проливе или канале течение имеет только два противоположных направле­ния, а скорость его непрерывно изменяется от нуля до наибольше­го положительного и отрицательного значений. В открытом море скорость течения остается постоянной, но непрерывно изменяется его направление, частица вычерчивает окружность на наклонной плоскости, причем выше находится та часть окружности, которая лежит справа (в Северном полушарии) по отношению к направле­нию распространения волны. Таковы орбиты частиц, формирую­щих приливные течения в двух простейших случаях при правиль­ном приливе. В реальных условиях орбиты частиц могут описывать очень сложные фигуры, особенно если при этом и дно имеет слож­ный рельеф.

Приливные течения отличаются не только периодичностью, но и большими скоростями, которые доходят, например, в проливах Алеутской гряды до 5 м/с. При этом приливное течение захваты­вает всю толщу воды, затухая лишь вблизи дна.

При подходе к берегу у приливной волны, подобно зыби, из­меняются ее элементы. Практически наиболее важный элемент — величина прилива. Она возрастает по мере уменьшения глубины и сокращения длины фронта при входе в узкое пространство — залив или бухту. В простейших условиях изменения глубины и ши­рины залива рост величины прилива показывает формула Эри — Грина:

(10.19)

где индекс нуль относится к входному створу; значения без индек­са—внутри залива; w — ширина залива, м; Я—его глубина, м; В — величина прилива, м.

Весьма большие величины приливов в заливах объясняются совместным влиянием уменьшения ширины и глубины залива. Наибольшая для всего Мирового океана величина прилива (18 м) наблюдается в заливе Фанди (между материком Северной Америки и полуостровом Новая Шотландия); величины приливов больше 10 м отмечены на юге Патагонии, на Баффиновой Земле, в заливе Аляска, в Камбейском заливе (Индийский океан). В России наи­большие приливы наблюдаются в Мезенском заливе Белого моря — 10 м и в Пенжинской губе Охотского моря — 13 м.

Как было отмечено, сильный рост величины прилива происхо­дит 'при условии сохранения энергии волны, когда большая масса воды, распространяющаяся с большой глубины и ширины, переда­ет всю свою энергию меньшей массе, т. е. на меньшие глубину и ширину. Этим и вызывается рост высоты приливной волны. Такое предположение оправдано, когда волна проходит по мелководью сравнительно короткое расстояние. Если же путь волны по шельфу велик, то трение воды о дно поглощает заметную часть энергии, и волна может не только не возрасти, а даже уменьшаться. Это явление наблюдается на побережье сибирских морей, где при боль­шой ширине шельфа величина приливов всего 0,1—0,3 м. Трение приливной волны о дно (приливное трение) хотя и незначительное, но приводит к результатам космического масштаба: действие его накапливается с течением времени и замедляет суточное вращение Земли. Приливные волны увеличивают продолжительность суток на одну миллисекунду за 100 лет, т. е. на одну минуту за шесть миллионов лет, поэтому это замедление сказывается лишь в явле­ниях и процессах геологического и астрономического масштабов.

Вблизи берега, особенно в проливах, происходит еще один вид деформации приливной волны, связанной с явлением интерферен­ции. Приливные волны, подходящие к одной и той же точке берега с разных сторон, с разными фазами и величинами, накладываются

друг на друга, в результате изменяются элементы прилива и даже его характер. Этим объясняется разнообразие характера приливов вдоль побережья (например, суточные приливы в южной части Балтийского моря при господстве по всему морю неправильных полусуточных приливов). Приливная волна может входить и в реки и распространяться по ним на большие расстояния, как показано в разд. 6.14.2.