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.

• Ruch pionowy mas wodnych - pływ,
• Ruch poziomy mas wodnych - prąd pływowy.

Fizyczne uzasadnienie pływów.

Pływy powstają na skutek działania dwóch sił.

• Siły przyciągania,
• Siły odśrodkowej (nie Ziemi, a całego układu Ziemia–Księżyc), środkiem obrotu tego układu jest punkt G.

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?

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:

• rotacja synchroniczna Księżyca z rezonansem 1:1 - okresy obrotu i obiegu Księżyca wokół Ziemi są sobie równe.
• spowalnianie rotacji Ziemi (obecne tempo spowalniania 0.002 sek. na 100 lat) - podobnie jak Ziemia spowolniała ruch obrotowy Księżyca, aż do zsynchronizowania jego okresu, tak i Księżyc stopniowo spowalnia Ziemię tyle, że z gorszym skutkiem, bo jest dużo mniejszy. Cały układ Ziemia - Księżyc dąży do tego, aby trzy okresy: rotacji Ziemi, rotacji Księżyca i jego obiegu wokół Ziemi wyrównały się.
• oddalanie się Księżyca - utrata energii na oddziaływania pływowe sprawia, że Księżyc oddala się od Ziemi w tempie ok. 3 cm na rok.
• najnowsze badania wykazują, że oddalanie się Księżyca od Ziemi będzie miało duży wpływ na nachylenie osi obrotu Ziemi do osi ekliptyki. Okazuje się, że Księżyc jest dużym 'stabilizatorem' nachylenia osi Ziemskiej. Gdy w związku z jego oddalaniem się zacznie słabnąć siła, jaką oddziaływuje on na Ziemię, nachylenie ziemskiej osi obrotu, które wynosi obecie 23°26' zacznie rosnąć, a gdy przekroczy 60°, dalszy jego wzrost odbywać będzie się chaotycznie. Zmiana nachylenia ziemskiej osi obrotu wywoła na Ziemi głębokie zmiany klimatyczne.

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 52^m.

Jak z tego wynika każda następna wysoka woda (HW) jest opóźniona o 26^m, a druga o 52^m. Po 7-miu dniach o 6 godzin, czyli Księżyc znajdzie się w pozycji "K₃". Odstęp czasu jaki upływa od dwóch wysokich wód wynosi 12^h26^m, a między HW a LW 6^h13^m.

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 δ_c=0°. W rzeczywistości tak nie jest.

A → φ_A  =  0°
B → φ_B = 28°
C → φ_C + 28° 

Gdy dla przykładu przyjmiemy δ_c = +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 12^h26^m (odstęp czasu jaki upływa od dwóch wysokich wód) obserwator "B", który znajdzie się w pozycji "C" nie będzie miał tej samej wysokości wody wysokiej (H_c - 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 (H_Θ). Odstępy HW i LW wynoszą 6^h, a HW i HW 12^h. 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 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 6^h lub mniejsza o 6^h.
HW pływu Księżyca jest osłabiona przez LW pływu Słońca.
HW pływu Słońca jest zwiększona przez LW pływu Księżyca

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.

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.

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.

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:

• Dobowy - charakteryzuje się jedną HW i LW w ciągu doby. Od miejsca występowania zwany zwrotnikowym. Dominuje na Oceanie Indyjskim (Batavia).
• Półdobowy - charakteryzuje się tym, że w ciągu doby występują dwie HW i LW, a ich wartości są dość regularne. Występują na M.Północnym i wybrzeżach płn. Europy i Afryki.
• Mieszany - charakteryzuje się wielką nieregularnością w czasie i wysokości. Występuje u wybrzeży Australii i na Pacyfiku.

Rodzaje pływów:

• Wysoka woda syzygijna - High Water Springs (HWS)
• Niska woda syzygijna - Low Water Springs (LWS)
• Średnia wysoka woda - Mean High Water (MHW)
• Średnia niska woda - Mean Low Water (MLW)
• Wysoka woda kwadraturowa - High Water Neaps (HWN)
• Niska woda kwadraturowa - Low Water Neaps (LWN)
• Średnia wysoka woda syzygijna - Mean High Water Springs (MHWS)
• Średnia niska woda syzygijna - Mean Low Water Springs (MLWS)
• Średnia wysoka woda kwadraturowa - Mean High Water Neaps (MHWN)
• Średnia niska woda kwadraturowa - Mean Low Water Neaps (MLWN)

Parametry pływu

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

• Chart Datum CD (zero mapy) - przyjęty w danym państwie poziom morza, który podawany jest na mapie. Czasami mogą wystąpić różnice do około 1 metra. Ze względu na zjawisko wahania się wód wprowadzono pewien stały poziom od, którego liczy się głębokości podane na mapie:
• USA, Holandia za poziom taki przyjęły średnią wodę niską.
• Wielka Brytania średnią niską wodę syzygijną.
• Hiszpania, Francja, Rosja najniższą wodę niską.
Obecnie trwają starania w kierunku ustalenia zera dla lub w pobliżu poziomu najniższego pływu astronomicznego. (Lowest Astronomical Tide, L.A.T.)
• Predicted Height - przewidywana wysokość pływu ponad zero mapy.
• High Water HW (woda wysoka) - czyli najwyższy poziom wody, liczony w okresie od wznoszenia do opadania poziomu wody.
• High Water height, HW height (wysokość wody wysokiej) - czyli wysokość pływu liczona od zera mapy do jej najwyższego stanu.
• Low Water LW (woda niska) - czyli najniższy stan wody liczony w okresie od opadania do wznoszenia się poziomu wody.
• Low Water height, LW height (wysokość wody niskiej) - czyli wysokość pływu liczona od zera mapy do jej najniższego stanu stanu.
• Flood (przypływ) - czyli wznoszenie się poziomu morza od stanu wody niskiej do momentu najbliższej wody wysokiej.
• Ebb (odpływ) - czyli opadanie poziomu morza od stanu wody wysokiej do momentu najbliższej wody niskiej.
• Range of the Flood (skok przypływu) - czyli różnica między wysokością wody wysokiej a poprzedzająca ją wodą niską.
• Range of the Ebb (skok odpływu) - czyli różnica między wysokością wody wysokiej a następującą po niej wodą niską.
• Height of Tide above Low Water (wysokość pływu ponad wodę niską) - różnica między wysokością pływu a wysokością wody niskiej.

Krzywa pływów

WW - Wysoka woda (High Water)
NW - Niska woda (Low Water)
h_np - Wysokość niskiej wody przypływu
h_p - Wysokość przypływu
h_śp - Wysokość średniej wody przypływu
S_k - Skok pływu (Range)
HWL & l - Odstęp księżycowy wody wysokiej
h_w Wysokość wody wysokiej (Low Water)
h_śo - Wysokość średniej wody odpływu
h_o - Wysokość odpływu
h_no - Wysokość niskiej wody odpływu
l - Odstęp czasu od kulminacji Księżyca do wysokiej wody

Tabela zawiera objaśnienie do powyższego rysunku.