Nawigacja morska / Rozdział 20

Nawigacja morska

Pływy morskie - geneza, właściwości i parametry

Pływ księżycowy i słoneczny,  przyspieszenie i opóźnienie pływu,  zasadnicze rodzaje pływów oraz parametry pływów

20

Zjawisko okresowej zmiany poziomu mórz i oceanów wywołane przyciąganiem Słońca, Księżyca oraz działaniem siły odśrodkowej powstającej przy obrocie układów mas Księżyc–Ziemia oraz Słońce–Ziemia nazywane jest pływem. Duża różnica odległości od Ziemi powoduje, że oddziaływanie Księżyca jest ponad dwukrotnie większe niż Słońca.

Na wszystkich wodach występuje.

Fizyczne uzasadnienie pływów.

Fizyczne uzasadnienie pływów
—Rys.  Fizyczne uzasadnienie pływów.
Z - Ziemia ; K - Księżyc ; G - punk ciężkości układu Ziemia-Księżyc ; LW - Low Water (niska woda) ; HW - High Water (wysoka woda) ; Linia przerywana - obrazuje poziom wody na kuli ziemskiej gdyby nie było przyciągania wzajemnego Ziemia–Księżyc (pływów).

Pływy powstają na skutek działania dwóch sił.



Zjawiska przypływów i odpływów, nazywane ogólnie pływami, na Bałtyku są praktycznie niedostrzegalne, lecz poziom wód oceanów zmienia się 2 razy na dobę nawet o kilkanaście metrów (rekord na wybrzeżach Nowej Szkocji w Kanadzie gdzie różnica między wysoką a niską wodą przekracza 15m).

Przyczyną pływów jest grawitacyjne przyciąganie głównie Księżyca, w mniejszym stopniu Słońca. Z prawa powszechnego ciążenia wiemy, że dwa ciała przyciągają się siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich odległości.

Wyobraźmy sobie, że Ziemia na całej powierzchni pokryta jest równomiernie oceanem. Możemy od razu stwierdzić, że wody znajdujące się bliżej Księżyca są najsilniej przyciągane. Tam właśnie powstaje fala przypływu (tzw. wysoka woda). W miarę dobowego obrotu Ziemi fala bedzie się przemieszczała. Gdyby to było pełne wytłumaczenie, to przypływ zdarzałaby się w danym miejscu raz na dobę. Jednak obserwuje się dwie takie fale, dwa przypływy, powtarzające się cykliczne co 12 godzin 25 minut. Skąd ten drugi przypływ?

Powstawanie fal przypływów

Wyobraźmy sobie trzy punkty na Ziemi: A, B i C (rys. 27), gdzie B leży w środku Ziemi, A na oceanie najbliżej Księżyca, a C na oceanie najdalej od Księżyca. Ponieważ przyciąganie grawitacyjne maleje z odleglością, najsilniejsze jest w A, mniejsze w B, a najsłabsze w C. Na rysunku 27 przedstawiono to długością strzałek. Gdyby Księżyc i Ziemia nie krążyły wokół siebie dawno doszłoby do ich zderzenia. Tak więc w punkcie A powstaje fala przypływu, która jest efektem ucieczki wody od Ziemi, a w punkcie C powstaje druga 'wysoka woda', która jest efektem ucieczki Ziemi od tej wody. Dobowe wirowanie Ziemi sprawia, że fale przypływu (A i C) powtarzają sie w rytmie półdobowym. Zdarzałoby się to dokładnie co 12 godzin, gdyby nie fakt, że podczas gdy Ziemia dokonuje jednego pełnego obrotu dookoła własnej osi, to Księżyc, obiegając Ziemię, przesuwa się nieco na swojej orbicie i Ziemia potrzebuje dodatkowo 50 minut aby ten sam punkt znalazł się 'pod' Księżycem. Dlatego przypływy powtarzają się co 12 godzin i 25 minut.

Słońce, bardziej oddalone od Ziemi niż Księżyc, ma mniejszy udział w powstawaniu pływów. Jest on silniej zauważalny jedynie podczas nowiu i pełni Księżyca, kiedy pływy słoneczne i księżycowe dodają się, lub gdy Księżyc jest w I albo III kwadrze - wtedy się odejmują.

Efekty pływowe przejawiają się nie tylko w przypływach i odpływach, ale powoduja też niewielkie zmiany gęstości astmosfery ziemskiej, oraz odkształcenia w skorupie Ziemi (rzędu kilku cm). Fale pływowe powodują również globalne zmiany w układzie Ziemia - Księżyc, oto ich efekty:

Pośrednim skutkiem tych oddziaływań jest to, że jądro Księżyca jest przesunięte w stronę Ziemi - grubość skorupy Księżycowej po stronie zwróconej ku Ziemi wynosi 60 km, na odwróconej 100 km.

Fragment z opracowania "Podstawy astronomii" autorstwa dr Iwona Wytrzyszczak z Obserwatorium Astronomicznego UAM
Dziękuję za udostępnienie materiałów



Pływ księżycowy

Wpływ obiegu Księżyca wokół Ziemi na pływy

Księżyc obraca się w tym samym kierunku co Ziemia, wykonując całkowity obrót dookoła niej w ciągu 27,3 doby. Gdy księżyc jest w pozycji "K1" - to obserwator "A" ma wysoką wodę (HW). Po upływie 24 godzin obserwator "A" nie będzie posiadał HW ponieważ Księżyc przesunie się do pozycji "K2" o wartość kątową α ≈13°, co w mierze czasowej wynosi 52m.

Jak z tego wynika każda następna wysoka woda (HW) jest opóźniona o 26m, a druga o 52m. Po 7-miu dniach o 6 godzin, czyli Księżyc znajdzie się w pozycji "K3". Odstęp czasu jaki upływa od dwóch wysokich wód wynosi 12h26m, a między HW a LW 6h13m.

1DOBA = 360° ⁄ 27,3dni ≈ 13°

13° = 52m
Pływ księżycowy oraz wpływ deklinacji księźyca na1 pływy
Pływ księżycowy oraz wpływ deklinacji księźyca na pływy
—Rys.  Pływ księżycowy.                    —Rys.  Wpływ deklinacji księżyca na pływy

Wpływ deklinacji Księżyca na pływy

Księżyc zmienia deklinację ±28,5° albo ±18,5°. W dotychczasowych rozważaniach braliśmy obserwatora znajdującego się na równiku i deklinację Księżyca δc=0°. W rzeczywistości tak nie jest.

A → φA  =  0°
B → φB = 28°
C → φC + 28° 

Gdy dla przykładu przyjmiemy δc = +28°, to w momencie kulminacji Księżyca obserwator "A" znajdujący się na równiku nie będzie miał NWW (najwyższej wysokiej wody) lecz obserwator "B" znajdujący się w pozycji φ = 28°. Po upływie 12h26m (odstęp czasu jaki upływa od dwóch wysokich wód) obserwator "B", który znajdzie się w pozycji "C" nie będzie miał tej samej wysokości wody wysokiej (Hc - kulminacja księżyca). Tą nierówność, nieregularność wysokości w czasie doby, nazywamy nierównością dobową księżycowej wysokości.

Pływ słoneczny

Ziemia w ciągu 365 dni obiega po ekliptyce Słońce. Oddziaływanie Słońca na Ziemię powoduje pływ słoneczny. Siła oddziaływania Słońca jest mniejsza od siły oddziaływania Księżyca. Wysoka woda występuje w czasie (HΘ). Odstępy HW i LW wynoszą 6h, a HW i HW 12h. Deklinacja Słońca δ = ±23,5° zmienia się co pół roku. Występuje tutaj również nierówność dobowa.

Pływ syzygijny (Spring)

Pływ syzygijny (duży) występuje gdy Księżyc jest w nowiu lub pełni (w koniungcji - elongacja 0° lub opozycji - elongacja 180°). Pośrednie wypadki można wyprowadzić przez analogię, jak to robiliśmy z Księżycem. Czas między nowiem 1 a 2 – 29,3 doby. Na podstawie obserwacji stwierdzono, że HW syzygijna ma również opóźnienia.

Pływ syzygijny (Spring)
—Rys.  Pływ syzygijny (Spring).
Pływ kwadraturowy (Neap)

Pływ kwadraturowy powstaje wówczas gdy Księżyc jest w pierwszej lub drugiej kwadrze. Rektascencja [ to jedna ze współrzędnych astronomicznych. Określa położenie ciała niebieskiego na sferze niebieskiej w układzie współrzędnych astronomicznych zwanym układem równikowym równonocnym.] jest większa od Słońca o 6h lub mniejsza o 6h.
HW pływu Księżyca jest osłabiona przez LW pływu Słońca.
HW pływu Słońca jest zwiększona przez LW pływu Księżyca

Pływ kwadraturowy (Neap)
—Rys.  Pływ kwadraturowy (Neap).
Pływ pośredni (Mean)

Między pływem syzygijnym a kwadraturowym występuje pływ pośredni. Jest on mniejszy od syzygijnego i większy od kwadraturowego. Jest to wypadkowa pływu księżycowego i słonecznego.

Przyspieszenie i opóźnienie pływu

Ponieważ ruch Księżyca i Słońca (pozorny wokół Ziemi) różni się, powstaje między tymi ciałami różnica kątowa.

Słońce    360° ⁄ 365dni ≈ 1° ⁄ dobę

Księżyc   360° ⁄ 27,3dni ≈ 13° ⁄ dobę

różnica    12° ⁄ dobę

Dwa pływy; księżycowy i słoneczny nie mogą występować oddzielnie, występują razem jako pływ wypadkowy. W naszym wypadku wysoka woda pływu wypadkowego wyprzedza moment kulminacji Księżyca (nów, pierwsza kwadra, pełnia, druga kwadra) lub moment kulminacji Księżyca występuje po wysokiej wodzie wypadkowej (pierwsza kwadra, pełnia, druga kwadra, nów). Jest to zjawisko przyspieszania i opóźniania pływu.

Pływ pośredni
—Rys.  Pływ pośredni.

W wypadku gdy Ziemia, Księżyc i Słońce są w jednej linii to mamy do czynienia z pływem syzygijnym. Na rysunku przedstawiony jest pływ po 5 - ciu dniach. Słońce przesunęło się o 5°, natomiast Księżyc przesunął się o 60°. Z rysunku widać, że HW zawsze jest bliżej Księżyca, a więc pływ raz przyspiesza a raz opóźnia się.

Fazy Księżyca
Fazy Księżyca
—Rys.  Fazy Księżyca.

Zmienność sił wzbudzających pływ - eliptyczne tory Słońca i Księżyca decydują o tym, że Księżyc w stosunku do Ziemi, a Ziemia w stosunku do Słońca nie zawsze są w jednakowych odległościach. W punktach przyziemnych i przysłonecznych siła wzbudzająca pływ jest największa.
Odstęp księżycowy - jest to różnica między momentem kulminacji Księżyca, a momentem wystąpienia wody wielkiej (odstęp księżycowy wody wielkiej). Podobnie przedstawia się pojęcie odstępu księżycowego wody niskiej. Średni odstęp obliczony jest na podstawie dłuższego okresu czasu.
Czas portowy HWF&C (High water full and change) - odstęp księżycowy odnoszący się tylko do nowiu i pełni.
Czas trwania pływu - jest to czas między dwoma momentami wód wielkich (między kulminacjami Księżyca - pół doby księżyca).
Nierówność faz w czasie - jest to różnica między odstępem księżycowym, a średnim odstępem księżycowym.
Różnica faz w wysokości - jest to różnica między wysoką wodą, a średnią wysokością wody.

Wysokość pływów zmienia się w czasie, również zależna jest od miejsca na Ziemi. Natomiast głębokość mórz i oceanów oraz konfiguracja wybrzeża ma znaczenie co do przebiegu pływu (np. pływ syzygijny na Morzu Północnym następuje trzy dni po nowiu lub pełni Księżyca). Poza tym zmieniająca się deklinacja Słońca i Księżyca oraz ich zmienna odległość od Ziemi ma wpływ na długookresowe zmiany wysokości pływów.

Dodatkowo na wysokość pływów wpływ mają warunki atmosferyczne. Długotrwałe wiatry z tego samego kierunku powodują duże dodatkowe spiętrzenie wody. Również wpływ na wysokość wody ma ciśnienie atmosferyczne, długotrwałe niże (niskie ciśnienie) powoduje podnoszenie się wody, a odwrotnie dzieje się to w wyżach.

Zasadnicze rodzaje pływów

W zależności od miejsca na Ziemi pływ może być:

Rodzaje pływów
Rodzaje pływów:
Rodzaje pływów

Parametry pływu

W celu ułatwienia obliczeń warto zapoznać się z niektórymi angielskimi pojęciami związanymi z pływami.

Parametry pływu
Krzywa pływów
Krzywa pływów
—Rys.  Krzywa pływów.

WW - Wysoka woda (High Water)
NW - Niska woda (Low Water)
hnp - Wysokość niskiej wody przypływu
hp - Wysokość przypływu
hśp - Wysokość średniej wody przypływu
Sk - Skok pływu (Range)
HWL & l - Odstęp księżycowy wody wysokiej
hw Wysokość wody wysokiej (Low Water)
hśo - Wysokość średniej wody odpływu
ho - Wysokość odpływu
hno - Wysokość niskiej wody odpływu
l - Odstęp czasu od kulminacji Księżyca do wysokiej wody

Krzywa pływów
—Rys.  Krzywa pływów.

Tabela zawiera objaśnienie do powyższego rysunku.

1 Moment wyższej wody niskiej Time of higher low water
2 Moment niższej wody niskiej Time of lower low water
3 Moment niższej wody wysokiej Time of lower hight water
4 Moment wyższej wody wysokiej Time of higher high water
5 Moment dolnej kulminacji księżyca w danej miejscowości  
6 Moment górnej kulminacji księżyca w danej miejscowości  
7 Odstęp księżycowy wody wysokiej
Odpowiada różnicom momentów (3-5) lub (4-6). Jednak (3-5 ≠ 4-6)
High water lumitidal interval (HW.l)
8 Odstęp księżycowy wody niskiej. Odpowiada różnicy momentów (2-5) Low water lumitidal interval (LW.l)
9 Czas przypływu - czas podnoszenia. Równy (3-1); (4-2) Duration of rise
10 Czas odpływu - czas opadania. Równy (2-3) Duration of fall
11 Wysokość wyższej wody niskiej Height of higher low water
12 Wysokość niższej wody niskiej Height of lower low water
13 Wysokość niższej wody wysokiej Height of lower high water
14 Wysokość wyższej wody wysokiej Height of higher high water
15 Skok pływu. Równy (13-11); (13+12); (14+12) Range
16 Półskok. Równy (13-11)× 0,5; (13+12)× 0,5; (14+12) × 0,5 Half range
17 Średni skok [(13-11)+(13+12)+(14 +12)]/3 Mean range


Krzywa pływów
—Rys.  Krzywa pływów.