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.

Статическая 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 дайны параллели Земли, т. е. тысячи километров (на экваторе 20 000 км), а средняя глубина океана — около 4 км. Поэтому фазовая скорость распространения при­ливной волны определяется формулой Лагранжа — Эри: с = , где H — 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 угла 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.