Flux și reflux

Marea mare și marea joasă sunt fluctuații periodice ale nivelului oceanului sau mării , care sunt rezultatul influenței forțelor de maree ale Lunii și Soarelui , cu toate acestea, forța de maree a Lunii este de 2,17 ori mai mare decât marea. forța Soarelui, astfel încât caracteristicile mareei depind în principal de poziția relativă a Lunii și a Pământului.

Mareele provoacă modificări ale nivelului mării și curenții periodici, cunoscuți sub numele de curenți de maree, ceea ce face ca predicția mareelor să fie importantă pentru navigația de coastă . Refluxul a jucat un rol semnificativ în aprovizionarea populației de coastă cu fructe de mare, permițând colectarea alimentelor potrivite pentru alimente pe fundul mării expus.

Tirele și înălțimile mareelor

Datele privind înălțimea și ora mareelor pentru un anumit loc pot fi calculate din valorile astronomice N (timpul culminației Lunii) și C (modificările paralaxei Lunii), folosind „Tabelele permanente ale mareelor”. „ [1] . Pe lângă calcule, ora declanșării mareelor înalte poate fi găsită în „Tabelele anuale ale mareelor” publicate.

Înălțimile medii ale mareelor găsite din tabele sunt rafinate în funcție de presiunea atmosferică (de exemplu, o creștere a presiunii de 1 milibar coboară nivelul mării cu 10 mm și invers) și de puterea și direcția vântului care formează oscilații de valuri.

Dependența înălțimii mareelor de gradul de conectare a rezervorului cu oceanul

Intensitatea mareelor depinde de mulți factori, dar cel mai important dintre aceștia este gradul de conectare a corpurilor de apă cu oceanele . Cu cât rezervorul este mai închis, cu atât gradul de manifestare a fenomenelor de maree este mai mic.

Deci, de exemplu, în Marea Baltică, Neagră și Caspică, aceste fenomene sunt aproape imperceptibile.

Pe de altă parte, dacă există un golf care se îngustează sau o gura de vărsare a râului în locul în care se formează marea cu o amplitudine suficient de mare, acest lucru poate duce la formarea unui mare mare (tidal fore) , care se ridică în amonte de râu, uneori sute de kilometri. Locuri în care se observă un foraj de maree:

Râul Amazon - înălțime de până la 4 metri, viteză de până la 25 km/h
Râul Fuchunjiang ( Hangzhou , China ) - cel mai mare alez de maree din lume, înălțime de până la 9 metri, viteză de până la 40 km / h
râul Ptikodiak ( Golful Fundy , Canada ) - înălțimea a atins 2 metri, acum este foarte slăbit de un baraj
Cook Bay , una dintre ramuri ( Alaska ) - înălțime de până la 2 metri, viteză 20 km / h

Explicația cauzelor mareelor

Intervalul lunar este intervalul de timp din momentul în care Luna trece prin cea mai înaltă poziție deasupra orizontului sau cea mai joasă poziție de sub orizont (adică momentul în care Luna trece prin meridianul ceresc) în zona dvs. în acea zi până în ziua respectivă. se atinge cel mai înalt nivel al apei la maree înaltă.

Deși forța gravitațională a Soarelui este de aproape 200 de ori mai mare pe glob decât forța gravitațională a Lunii , forțele de maree generate de Lună sunt aproape de două ori mai mari decât cele generate de Soare. Acest lucru se datorează faptului că forțele de maree nu depind de mărimea câmpului gravitațional, ci de gradul de neomogenitate a acestuia. Pe măsură ce distanța față de sursa câmpului crește, neomogenitatea scade mai repede decât mărimea câmpului în sine. Deoarece Soarele este de aproape 400 de ori mai departe de Pământ decât Lună, forțele de maree cauzate de atracția Soarelui sunt mai slabe.

De asemenea, unul dintre motivele apariției mareelor este rotația zilnică (corespunzătoare) a Pământului . Masele de apă din oceane, având forma unui elipsoid, a cărui axă majoră nu coincide cu axa de rotație a Pământului, participă la rotația sa în jurul acestei axe. Acest lucru duce la faptul că, în cadrul de referință asociat cu suprafața pământului, două valuri străbat oceanul de-a lungul părților reciproc opuse ale globului, ducând în fiecare punct al coastei oceanului la fenomene periodice, de două ori pe zi, de maree joasă, recurente, alternând cu mareele.

Astfel, punctele cheie în explicarea fenomenelor mareelor sunt:

rotația zilnică a globului;
deformarea învelișului de apă care acoperă suprafața pământului, transformând-o într-un elipsoid .

Absența chiar și a unuia dintre acești factori va face imposibilă fluxul și refluxul.

Când se explică cauzele mareelor, atenția este de obicei acordată doar celui de-al doilea dintre acești factori. Dar explicația convențională a fenomenului luat în considerare numai prin acțiunea forțelor de maree este incompletă.

Unda de maree, care are forma elipsoidului menționat mai sus, este o suprapunere a două valuri „duble-cocoașe” formate ca urmare a interacțiunii gravitaționale a perechii planetare Pământ-Lună și a interacțiunii gravitaționale a acestei perechi cu cea centrală. luminare - Soarele pe o parte. În plus, factorul care determină formarea acestei unde sunt forțele inerțiale [2] care apar atunci când corpurile cerești se rotesc în jurul centrelor lor de masă comune .

Ciclul de maree recurent anual rămâne neschimbat datorită compensării exacte a forțelor de atracție dintre Soare și centrul de masă al perechii planetare și a forțelor de inerție aplicate acestui centru.

Deoarece poziția Lunii și a Soarelui în raport cu Pământul se modifică periodic, se modifică și intensitatea fenomenelor de maree rezultate.

Istoria studiului și utilizării mareelor

Gaius Julius Caesar în Notele sale despre războiul galic (cartea 4, cap. 29) leagă valul neobișnuit de mare din largul coastei Marii Britanii cu apariția lunii noi, spunând că până în acel moment legătura lunii noi cu înălțimea lui. valul nu era cunoscut de romani.

José de Acosta în Istoria sa ( 1590 ) a adunat dovezi ale legăturii dintre mareele joase și mareele înalte cu fazele lunii: el a subliniat că perioada mareelor care apar de două ori pe zi diferă cu trei sferturi de oră de ziua solară, care este, de asemenea, cunoscută periodicitatea lunară a mareelor, și a adăugat, de asemenea, noi dovezi: mareele de pe ambele părți ale Istmului Panama apar aproape simultan. José de Acosta a numit mareele „unul dintre minunatele mistere ale naturii”. [3] .

Astronomul german Johannes Kepler , care a venit la ideea gravitației universale pe baza observațiilor sale asupra planetelor, a formulat ipoteza că gravitația Lunii este cauza mareelor:

Când Luna se află direct peste Atlantic, așa-numitul Ocean de Sud, de Est sau Indian, atrage apele care spală globul. Neîntâlnind continente în drum, apele se repezi din toate părțile într-o zonă vastă situată direct sub Lună, iar coastele sunt expuse în același timp. Dar, în timp ce apele sunt în mișcare, Luna are timp să se miște și nu mai este situată direct deasupra oceanului, datorită căruia masa de apă care lovește coasta de vest încetează să experimenteze efectul gravitației lunare și cade pe coasta de est. . [4] .

Neștiind legea exactă a gravitației universale , Kepler a fost incapabil să creeze o teorie cantitativă a mareelor.

Newton a fost primul care a creat o teorie cantitativă a mareelor , folosind legea gravitației universale pe care a demonstrat-o și legile sale ale mecanicii. Această teorie a explicat de ce atât mareele lunare, cât și cele solare apar de două ori pe zi. Dar teoria mareelor a lui Newton a fost foarte brută, aproximativă, nu a ținut cont de mulți factori. Când Newton a încercat să o folosească pentru a calcula masa Lunii, a obținut o valoare care era de aproximativ două ori diferită de valoarea modernă.

În 1740, Academia Regală de Științe din Paris a anunțat un concurs pentru cea mai bună teorie a mareelor. Premiul a fost împărțit de Daniel Bernoulli , Leonhard Euler , Colin Maclaurin și Antoine Cavalieri . [5] . Fiecare dintre ei a îmbunătățit teoria lui Newton în felul său (de exemplu, Maclaurin a luat în considerare forța Coriolis ).

În 1799, Pierre-Simon Laplace , în cartea sa Celestial Mechanics (Laplace a fost cel care a introdus acest termen), a prezentat o teorie matematică complet diferită a mareelor, deși bazată pe mecanica newtoniană. În ciuda faptului că teoria lui Laplace a fost dezvoltată sub ipoteza simplificatoare că oceanul acoperă întregul Pământ într-un strat uniform, această teorie a obținut rezultate care sunt foarte apropiate de rezultatele observațiilor și măsurătorilor. Teoria lui Laplace a fost ulterior îmbunătățită de William Thomson (Lord Kelvin) și Henri Poincaré .

Ulterior, alți autori au rafinat teoria mareelor, ținând cont de prezența continentelor, de forma fundului oceanului, de curenți, vânturi etc.

Terminologie

Nivelul maxim al suprafeţei apei la maree înaltă se numeşte apă mare , iar cel minim la maree joasă se numeşte apă joasă . În ocean, unde fundul este uniform și pământul este departe, apa plină apare ca două „bombăni” ale suprafeței apei: una dintre ele se află pe partea Lunii, iar cealaltă se află la capătul opus al apei. glob. Pot exista și alte două umflături mai mici pe partea îndreptată către Soare și opusă acestuia. O explicație pentru acest efect poate fi găsită mai jos, în secțiunea Fizica mareelor .

Deoarece Luna și Soarele se mișcă în raport cu Pământul, cocoașele de apă se mișcă odată cu ele, formând valuri de maree și curenți de maree . În marea liberă, curenții de maree sunt de natură rotațională, în timp ce în apropierea coastelor și în golfurile și strâmtorii înguste, ei sunt alternativi.

Dacă întregul Pământ ar fi acoperit cu apă, am observa zilnic două maree înalte și joase. Dar, din moment ce propagarea nestingherită a razelor de razboi este împiedicată de zonele terestre: insule și continente și, de asemenea, datorită acțiunii forței Coriolis asupra apei în mișcare, în loc de două valuri de marea, există multe valuri mici care încet (în majoritatea cazurilor cu o perioadă de 12 h 25,2 min) rulează în jurul unui punct numit amfidromic , unde amplitudinea mareei este zero. Componenta dominantă a mareei (marea lunară M2) formează aproximativ o duzină de puncte amfidromice pe suprafața Oceanului Mondial cu mișcarea valurilor în sensul acelor de ceasornic și aproximativ aceeași în sens invers acelor de ceasornic (vezi harta). Toate acestea fac imposibilă prezicerea timpului mareei doar pe baza pozițiilor Lunii și Soarelui față de Pământ. În schimb, ei folosesc „anuarul mareelor” - un instrument de referință pentru calcularea orei de apariție a mareelor și a înălțimii acestora în diferite puncte de pe glob. Se folosesc și tabele de maree, cu date privind momentele și înălțimile apelor joase și mari, calculate pentru anul următor pentru principalele porturi de maree .

Dacă conectăm puncte de pe hartă cu aceleași faze ale mareei, obținem așa-numitele linii cotidale , divergente radial față de punctul amfidromic. În mod obișnuit, liniile cotidale caracterizează poziția crestei valului de maree pentru fiecare oră. De fapt, liniile cotidale reflectă viteza de propagare a valului mare în 1 oră. Hărțile care arată linii de amplitudini și faze egale ale undelor de maree sunt numite hărți cotidale .

Înălțimea mareei este diferența dintre cel mai înalt nivel al apei la maree înaltă (mareea) și cel mai scăzut nivel al acesteia la maree joasă (maree joasă). Înălțimea mareei nu este constantă, dar media sa este dată când se caracterizează fiecare secțiune a coastei.

În funcție de poziția relativă a Lunii și a Soarelui, undele mici și mari se pot întări reciproc. Pentru astfel de maree, s-au dezvoltat istoric nume speciale:

O maree în cuadratură este cea mai mică maree atunci când forțele de formare a mareelor ale Lunii și Soarelui acționează în unghi drept unul față de celălalt (această poziție a luminilor se numește cuadratura ).
Marea sizigie - cea mai mare maree, când forțele de formare a mareelor ale Lunii și Soarelui acționează de-a lungul aceleiași direcții (această poziție a luminilor se numește sizigie ).

Cu cât marea este mai mică sau mai mare, cu atât refluxul este mai mic sau, respectiv, mai mare.

Cele mai mari maree din lume

Cele mai mari maree de pe Pământ (15,6-18 m) sunt observate în Golful Fundy , care este situat pe coasta de est a Canadei, între New Brunswick și Nova Scotia. Aproximativ aceleași maree în golful Ungava din nordul Quebecului .

Pe continentul european, cele mai mari maree (până la 13,5 m) sunt observate în Bretania , lângă orașul Saint Malo . Aici marea este concentrată de coasta peninsulelor Cornwall (Anglia) și Cotentin (Franța).

În Rusia, cele mai înalte maree au loc în Golful Penzhina al Mării Okhotsk - până la 12,9 m. Acesta este punctul celor mai înalte maree din întreg Oceanul Pacific .

Fizica mareelor

Formulare modernă

Așa cum este aplicat planetei Pământ, efectul de maree este cauza deplasării câmpului gravitațional al Pământului către masa Lunii.

Potențialul mareelor

( conceptul de academician Shuleikin [6] )

Neglijând dimensiunea, structura și forma Lunii, notăm forța specifică de atracție a unui corp de testare situat pe Pământ. Fie vectorul rază îndreptat de la corpul de testare către Lună și lungimea acestui vector. În acest caz, forța de atracție a acestui corp de către Lună va fi egală cu ${\mathbf {r))'$ $r'$

\mathbf {F} ={\frac {G{{M}_{L}}}{r{{'}^{3}}}}\mathbf {r} ',\quad

(unu)

unde este constanta gravitațională selenometrică. Așezăm corpul de testare în punctul . Forța de atracție a unui corp de testare plasat în centrul de masă al Pământului va fi egală cu $G{{M}_{{L}}}$ $P$

{{\mathbf {F} }_{0}}={\frac {G{{M}_{L}}}{{r}^{3}}}\mathbf {r} .\quad (2)

Aici, și sunt înțelese ca raza vectorului care leagă centrele de masă ale Pământului și ale Lunii și valorile lor absolute. Vom numi forța de maree diferența dintre aceste două forțe gravitaționale $\mathbf {r}$ $r$

{{\mathbf {F} }_{fl}}=\mathbf {F} -{{\mathbf {F} }_{0}}.\quad (3)

În formulele (1) și (2), Luna este considerată a fi o minge cu o distribuție a masei simetrică sferic. Funcția de forță a atracției corpului de testare de către Lună nu este diferită de funcția de forță a atracției mingii și este egală cu A doua forță se aplică centrului de masă al Pământului și este o valoare strict constantă. Pentru a obține funcția forță pentru această forță, introducem un sistem de coordonate de timp. Desenăm axa din centrul Pământului și o direcționăm către Lună. Lăsăm arbitrare direcțiile celorlalte două axe. Atunci funcția de forță a forței va fi egală cu . Potențialul mareelor va fi egal cu diferența dintre aceste două funcții de forță. Să o notăm , primim ${}^{{G{{M}_{{L}}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{r'}}\;$ $Bou$ ${{{\mathbf {F}}}_{{0}}}$ ${\frac {G{{M}_{{L}}}}{{{r}^{{2}}}}}x+\operatorname {const}$ $\deltaW$

\delta W={\frac {G{{M}_{L}}}{r'}}-{\frac {G{{M}_{L}}}{{r}^{2 }}}x-\operatorname {const} .

Determinăm constanta din condiția de normalizare, conform căreia potențialul de formare a mareelor în centrul Pământului este egal cu zero. În centrul pământului $\operatorname {const}$

x=0,

r'=r.

De aici rezultă că

{\frac {G{{M}_{L}}}{r}}=\operatorname {const} .

Prin urmare, obținem formula finală pentru potențialul mareelor sub formă

{\frac {G{{M}_{L}}}{r'}}-{\frac {G{{M}_{L}}}{{r}^{2}}}x -{\frac {G{{M}_{L}}}{r}}.\quad (4)

Pentru că

r'={\sqrt {{{\left(rx\right)}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}},

apoi

{\frac {1}{r'}}={\frac {1}{r}}{{\left[({\left(1-{\frac {x}{r}}\right) }^{2}}+{\frac {{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}{{r}^{2}}}\right]}^{-{\ frac {1}{2}}}}.

Pentru valorile mici ale , , , ținând cont de ordinul doi de micime, ultima expresie poate fi reprezentată în următoarea formă ${x}/{r}\;$ ${y}/{r}\;$ ${z}/{r}\;$

{\frac {1}{r'}}\aprox {\frac {1}{r}}\left(1+{\frac {x}{r}}+{\frac {2{{x }^{2}}-{{y}^{2}}-{{z}^{2}}}{2{{r}^{2}}}}\dreapta).\quad (5)

Înlocuind (5) în (4), obținem

\delta W=G{{M}_{L}}{\frac {2{{x}^{2}}-{{y}^{2}}-{{z}^{2} }}{2{{r}^{3}}}}.\quad (6)

Deformarea suprafeței planetei sub influența mareelor

Efectul perturbator al potențialului mareelor deformează suprafața plană a planetei. Să evaluăm acest efect, presupunând că Pământul este o sferă cu o distribuție de masă simetrică sferic. Potențialul gravitațional neperturbat al Pământului la suprafață va fi egal cu

{\frac {GM}{R}}.

Pentru un punct situat la o distanță de centrul sferei, potențialul gravitațional al Pământului este $P,$ $\rho$

{\frac {GM}{\rho )).

Reducând cu constanta gravitațională, obținem

{\frac {1}{\rho }}+{\frac {{M}_{L}}{M}}\cdot {\frac {2{{x}^{2}}-{{ y}^{2}}-{{z}^{2}}}{2{{r}^{3}}}}={\frac {1}{R}}.

Aici variabilele sunt: și Să notăm raportul dintre masele corpului gravitator și masa planetei cu litera greacă: și să rezolvăm expresia rezultată pentru : $x,y,z$ $\rho .$ $\mu$ $\rho$

\rho =R{{\left(1-\mu {\frac {R}{r}}\cdot {\frac {2{{x}^{2}} - {{y}^{2 }}-{{z}^{2}}}{2{{r}^{2}}}}\right)}^{-1}}\aprox R\left(1+\mu {\frac { R}{r}}\cdot {\frac {2{{x}^{2}}-{{y}^{2}}-{{z}^{2}}}{2{{r}^ {2}}}}\dreapta).

pentru că

{{\rho }^{{2}}}={{x}^{{2}}}+{{y}^{{2}}}+{{z}^{{2}}}

cu același grad de precizie pe care îl obținem

{\frac {{x}^{2}}{{R}^{2}}}\left(1-2\mu {\frac {{R}^{3}}{{r}^ {3}}}\dreapta)+{\frac {{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}{{R}^{2}}}\stânga(1+\mu {\frac {{R}^{3}}{{r}^{3}}}\right)=1.

Având în vedere micimea raportului, ultimele expresii pot fi scrise ca ${R}/{r}\;$

{\frac {{x}^{2}}{{{R}^{2}}\left(1+2\mu {\frac {{R}^{3}}{{r}^ {3}}}\right)}}+{\frac {{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}{{{R}^{2}}\stânga(1- \mu {\frac {{R}^{3}}{{r}^{3}}}\right)}}=1.

Am obținut astfel ecuația unui elipsoid biaxial, a cărui axă de rotație coincide cu axa , adică cu linia dreaptă care leagă corpul gravitator de centrul Pământului. Semiaxele acestui elipsoid în prima aproximare sunt $Bou$

a=\left(1+\mu {\frac {{R}^{3}}{{r}^{3}}}\right)R,\,\,\,b=c=\ stânga(1-\mu {\frac {{R}^{3}}{2{{r}^{3}}}}\right)R.

La final, oferim o mică ilustrare numerică a acestui efect. Să calculăm „cocoașele” de maree pe Pământ, cauzate de atracția Lunii și a Soarelui.

Raza Pământului este de km, distanța dintre centrele Pământului și Lunii, ținând cont de instabilitatea orbitei lunare , este de km, raportul dintre masa Pământului și masa Lunii este de 81: 1 ( ). Evident, la înlocuirea în formulă, obținem o valoare aproximativ egală cu 36 cm. $R=6378$ $r=384,4\cdot {{10}^{{{3}}}$ $\mu =0,012345679$

Pentru a calcula „cocoșa” de maree cauzată de Soare, folosim distanța medie de la Pământ la Soare, egală cu km, și raportul dintre masa Soarelui și masa Pământului . În acest caz, obținem dimensiunea „cocoașului” de aproximativ 16 cm. $r=149,6\cdot {{10}^{{{6}}}$ $\mu=332982$

Vezi și

Note

↑ Egorov N. I. Oceanografie fizică / L. F. Titov. - L . : Gidrometeoizdat, 1974. - S. 278. - 455 p.
↑ Khaikin S. E. Forțele de inerție și imponderabilitate. - M .: "Nauka". - 1967.
↑ José de Acosta. Istoria naturală și morală a Indiilor. Capitolul XIV. del flux y reflux del mar oceano en indias
↑ I. Kepler Despre fulgii de nea hexagonali, M., Nauka, 1982
↑ Leonhard Euler; Eric J. Aiton. Commentationes mechanicae et astronomicae ad physicam pertinentes . - Springer Science & Business Media , 1996. - P. 19 -. — ISBN 978-3-7643-1459-0 .
↑ Shuleikin V. V. Fizica mării. - M .: Editura „Nauka”, Departamentul de Științe ale Pământului al Academiei de Științe a URSS, - 1967.

Literatură

Flux și reflux // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
Frish S. A. și Timoreva A. V. Curs de fizică generală, Manual pentru facultățile fizico-matematice și fizico-tehnice ale universităților de stat, Volumul I. - M .: GITTL, 1957
Shuleikin VV Fizica mării. - M .: Editura „Nauka”, Departamentul de Științe ale Pământului al Academiei de Științe a URSS, 1967
Voight S.S. Ce sunt mareele. Colegiul editorial al literaturii științifice populare al Academiei de Științe a URSS.
Duvanin A.I. Mareee în mare. — L.: GIMIZ, 1960
Belonuchkin, V. Forțele mareelor, Kvant. - M. , 1989. - Nr. 12 .
Flux și reflux // Buletinul de științe naturale, publicat de Societatea Imperială a Naturaliștilor din Moscova. - T. 6. - Nr 1. - 1859. - Stlb. 57-76.

Link -uri

Dicționare și enciclopedii

mare danez
Mare catalană
mare chinezesc
Mare norvegian
Rusă mare
Brockhaus și Efron
Sytina militară
in jurul lumii
Micul Brockhaus și Efron
Britannica (online)
Universalis
Rodie

În cataloagele bibliografice
BNF : 119582518 GND : 4020945-3 J9U : 987007536570705171 LCCN : sh85135283 NDL : 00573677 NKC : ph208847