10.16. Припливи і відпливи

Припливи і відпливи– це складні хвильові рухи водної товщі, що зумовлені силами всесвітнього тяжіння і виражені в періодичних змінах рівня та течій, які зумовлені гравітаційним тяжінням Місяця і Сонця. Наочно це явище спостерігається у вигляді періодичних коливань рівня біля берегів, де саме відбувається то підвищення рівня – приплив, то зниження – відплив.

Найвищий рівень води, що спостерігається за добу або половину доби під час припливу, називається повною водою. Найнижчий рівень під час відпливу –малою водою. Різниця цих рівнів називаєтьсявеличиною припливу.

Період припливу– проміжок часу між двома послідовними повними чи малими водами.

Вертикальні коливання рівня води під час припливів і відпливів пов’язані з горизонтальним переміщенням водної маси відносно берега. Ці процеси ускладнюються вітровим нагоном, річковим стоком та іншими чинниками. Горизонтальні переміщення водної маси в береговій зоні називають припливними (або припливно-відпливними) течіями, тоді як вертикальні коливання рівнів води – припливами і відпливами. Всі явища, пов’язані з припливами і відпливами, характеризуються періодичністю.

Залежно від періоду розрізняють припливи:

1. Півдобові– період припливів у середньому дорівнює 12 год. 25 хв. і при цьому припливі (протягом місячної доби) регулярно спостерігається дві повних і дві малих води.

2. Добові – це коли за місячну добу спостерігається одна повна і одна мала вода.

3. Мішані– коли протягом місяця явище змінює свою періодичність, наближаючись, то до півдобового, то до добового типу.

Припливно-відпливні коливання рівня викликаються спільним впливом притягання Місяця і Сонця. Припливна хвиля як би рухається за місяцем, роблячи добове обертання навколо Землі. Повна вода настає приблизно в момент проходження Місяця через меридіан даного місяця з деяким запізненням, і цей момент називається кульмінацією Місяця.

Місячний проміжок– проміжок часу між кульмінацією Місяця і моментом настання найближчої повної води.

Коли Місяць і Сонце знаходяться на одній лінії з Землею, величини припливів найбільші – сизигійні припливи. Найбільший сизигійний приплив часто не збігається з моментом сизигії. Проміжок часу між сизигіями і сизигійними припливами називаєтьсявіком припливу.

Коли Місяць і Сонце видно з Землі під прямим кутом, величини припливів стають найменшими – квадратурні припливи.

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

З наближенням до берегів зменшуються глибини й 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.

Є кілька теорій походження припливів: статична та динамічна теорії. Статична теорія припливів (теорія рівноваги)уперше була розроблена Ісаком Ньютоном на основі закону всесвітнього тяжіння та викладена у книзі «Математичні начала натуральної філософії» у 1687 році. Згідно з цією теорію, припливна хвиля рухається за припливоутворюючим світилом, не відстаючи від нього і не випереджаючи його.

Ця теорія припускає, що океан глибокий і вкриває всю Землю шаром однакової товщини, а морська вода не має в’язкості та інерції. За таких умов води океану перебувають у рівновазі під дією сили ваги і припливоутворюючих сил Місяця та Сонця. 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 всередині 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 м. Якщо врахувати і паралактичну нерівність, то крайні значення припливу дорівнюватимуть 0.90 і 0.19 м. Такі незначні припливи не можна вважати характерними для Світового океану, оскільки лише біля островів відкритого океану (Св. Олени, Гуам) вони близькі до теоретичних – 0.8 м.

За статичною теорією одночасно повинні наставати 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. С. Лапласом у 1775 р. Згідно з цією теорією, припливоутворючі 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. Ці рівняння дозволили пояснити деякі особливості припливів, наприклад, виникнення півмісячних нерівностей припливів. Лаплас зробив також висновки про вирішальну роль впливу рельєфу дна на припливи.

Істотним доповненням до теорії припливів є каналова теорія, розроблена Ері (1842 р.). Ері застосував рівняння при визначенні поширення хвиль у вузьких каналах змінної глибини та показав, що тертя об дно може викликати запізнення в настанні повних вод відносно моменту кульмінації Місяця.

У. Кельвін особливу увагу приділив впливу сили Коріоліса на припливи і вдосконалив прийоми по розкладанню сумарної припливної хвилі на ряд простих хвиль, які мають вигляд правильних синусоїдальних кривих. Звідси виникла теорія гармонійного аналізу, яку далі розвинув Дж. Дарвін і, який на її основі розробив практичні прийоми для завбачення припливів.

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

У Світовому океані найбільш поширені три типи припливів: півдобові, мішані, добові. В Атлантичному океані в більшості районів спостерігається правильний півдобовий приплив і лише в Мексиканській затоці та Карибському морі зустрічаються добові припливи.

Вздовж західних берегів Америки в Тихому океані переважають неправильні півдобові припливи. Вздовж східних берегів Азії і Австралії можна зустріти всі типи припливів, але переважають мішані. В Індійському океані спостерігаються півдобові і неправильні півдобові припливи, біля західних берегів Австралії – всі типи припливів.