Приливы в Мировом океане - Безруков Ю.Ф., Тамайчук А.Н.. В. И. Вернадского Географический факультет Кафедра физической географии и океанологии Ю. Ф. Безруков, А. Н. Тамайчук Приливы в Мировом океане Учебное пособие
 Скачать 379 Kb.
|
2.1. Ньютон и статическая теория приливовВ 1687 году великий математик Исаак Ньютон опубликовал свои “Начала”, в которых изложил закон всемирного тяготения. Этот закон послужил важнейшим шагом к научному пониманию природы приливов. Этот закон гласит, что “каждые два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними”. Поскольку Луна и Солнце — ближайшие соседи Земли в пространстве, то их гравитационные силы, в зависимости от их положения относительно Земли, тем или иным образом воздействуют на воду и сушу на Земле. И суша, и вода испытывают на себе действие этих сил, но вода, будучи жидкой и более подвижной, реагирует на них сильнее. В разработанной Ньютоном статической теории приливов их возникновение объясняется различным притяжением Луной и Солнцем, по-разному удаленных от них частей земного шара. Поскольку Солнце гораздо более удалено от Земли, его приливообразующая сила в 2,17 раза меньше лунной. Поэтому лунная приливообразующая сила является основной в образовании приливов на Земле, а солнечная играет вспомогательную роль,но также должна приниматься во внимание. Для упрощения расчетов Ньютон допустил, что Земля сплошь покрыта водой и имеет ровную поверхность. При таких условиях океан полностью покрывал бы ее слоем в 3,5 км толщины. Применяя закон всемирного тяготения к неподвижному океану и Луне, Ньютон установил, что воды такого океана будут притягиваться Луной, образуя под ней горб. И этот горб будет перемещаться вслед за Луной вокруг Земли в виде прогрессивной (т.е. меняющейся в пространстве и во времени по определенному закону) волны. Притяжение Солнца действует на поверхность Земли точно таким же образом и тоже создает приливные горбы, которые иногда совпадают с выпуклостями, образуемыми действием Луны, а иногда нет. Это приводит к увеличению или уменьшению суммарного прилива. Теория Ньютона, объясняющая существование приливов действием космических приливообразующих сил Луны и Солнца, представляет собой лишь элементарное объяснение природы приливов, показывающее лишь самые общие ее закономерности. Статическая теория Ньютона не позволяла понять все многообразие истинного поведения приливных явлений, например, почему в одних районах бывает два прилива в сутки, а в других — только один? И почему там, где бывает два прилива в сутки, они иногда равны по высоте, а иногда совершенно различны? Почему в географически близких районах приливы часто резко различаются по характеру и по высоте? На эти вопросы статическая теория Ньютона ответов не давала. Это свидетельствовало о существовании еще многих факторов, влияющих на характер приливов, кроме космических приливообразующих сил и не учтен-ных Ньютоном. В этом сказалась ограниченность теории Ньютона. Однако она создала важные предпосылки для дальнейшего изучения приливов. 2.2. Лаплас и “динамическая” теория приливовВ 1775 году Лапласом была опубликована “динамическая” теория приливов, в которой устранялся главный недостаток статистической теории Ньютона — гипотеза о статическом состоянии явления, которое в действительности непрерывно меняется. В динамической теории приливы рассматриваются как волновое движение частиц воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Лаплас в рамках этой теории получил уравнения движения приливов на вращающейся Земле и дал их решение в предположении, что океан покрывает ровным слоем всю Землю. Выведенные Лапласом дифференцированные уравнения показали возможность выражения изменчивости приливов во времени в определенных точках в форме суммы ряда простых гармонических колебаний. Таким образом, Лаплас положил начало наиболее общему практическому методу предвычисления приливов, названному гармоническим анализом. Этот метод и сейчас является основным методом предвычисления приливов в практических целях. 2.3. Развитие идей Ньютона и ЛапласаПосле фундаментальных работ Ньютона и Лапласа предметом в основном теоретических исследований была задача о распространении приливных волн в бассейнах простых очертаний, а также в естественных каналах и морях. Это наиболее сложная задача теории приливов. Исследования приливов в простых по очертаниям бассейнах представляют в основном теоретический интерес, так как условия в них сильно отличаются от реальных. Соответственно и математические результаты исследований имеют мало общего с реально наблюдаемым в океане явлением приливов. Поэтому такие исследования проводятся с целью получения выводов самого общего характера. В результате обобщения материалов наблюдений с помощью той или иной гипотезы предпринимались попытки представления общей картины движения приливных волн в пределах всего Мирового океана. Первая такая работа принадлежит Уэвеллу. Он рассматривал движение приливных волн как систему поступательных волн. Этот взгляд в наше время устарел. В дальнейшем Гаррис, пренебрегая влиянием на приливы силы Кориолиса, представлял их в форме стоячих волн, обусловленных отражением волн от материков. Штернек исследовал раздельно распространение полусуточных и суточных составляющих волн прилива. Дитрих (1962 год) попытался обобщить данные о пространственном распределении характеристик четырех главных составляющих волн прилива. В последнее время такие материалы уточняются путем численного решения задачи о приливах в Мировом океане и путем специальных наблюдений приливов в открытом океане с помощью донных мареографов для построения карт, показывающих движения приливных волн. В СССР исследования приливов в естественных бассейнах на моделях проводил академик В.В.Шулейкин. Исследования на моделях проводились при проектировании Куперомприливной электростанции (ПЭС) в заливе Фанди и при строительстве ПЭС в Сен-Мало. Важные работы по изучению приливов на моделях проводились также в Англии, начиная с модели Рейнольдса (1885 год). Моделирование применяется и сегодня. После работ Лапласа развивались исследования, направленные на изучение изменений приливов во времени и предвычисление их в отдельных точках посредством разложения формулы высоты прилива в ряд, в котором используются эмпирически определяемые гармонические постоянные. Разложением формулы высоты прилива в ряд занимались после Лапласа Дарвин и Дудсон. Дудсоном разработаны наиболее простые методы гармонического анализа приливов. Однако более широко применяется метод Дарвина. Он использовался в США и СССР. Дудсоном и Варбургом разработан так называемый адмиралтейский метод гармонического анализа суточных наблюдений над приливами, упрощенный по сравнению с другими методами и учитывающий только четыре главные составляющие волны прилива. Предпринимались попытки механизации предвычисления приливов. Английский ученый Томсон (Кельвин) впервые сконструировал машину — предвычислитель приливов для расчетов по нескольким десяткам гармонических составляющих волн. В дальнейшем Раушельбахсоздал машину судового типа для расчетов по 10 гармоническим составляющим волнам. Помимо этого широко применялись различные вспомогательные средства для ускорения предвычисления — счетные линейки и круги, рациональные схемы вычислений и вспомогательные таблицы. В английских и советских таблицах приливов рекомендовалось применять адмиралтейский метод, в немецких — метод Хорна. Таблицы приливов содержат данные только об их изменении во времени в фиксированных точках. Характеристика приливов в пространстве достигается с помощью карт гармонических постоянных. Применяются навигационные атласы таких карт, позволяющие снять в любом месте исходные величины для предвычисления приливов. В навигационной практике чаще всего применяются специальные пособия по приливным явлениям, объединяющие всесторонне проверенные и единообразно обработанные результаты наблюдений над приливами. С появлением численных методов расчета характеристик приливов в пространстве стало возможным полное использование материалов наблюдений. В последнее время для работ по предвычислению приливов широко используются компьютерные системы . |