Длительные приливы

Долгопериодические приливы — это гравитационные приливы с периодом более одного дня, обычно с амплитудой несколько сантиметров или меньше. Долгопериодические приливные составляющие с относительно сильным воздействием включают лунные двухнедельные (Mf) и лунные месячные (Ms), а также солнечные полугодовые (Ssa) и солнечные годовые (Sa) составляющие.

Анализ изменения расстояния Земли относительно Солнца, Луны и Юпитера, проведенный Пьером-Симоном де Лапласом в 18 веке, показал, что периоды изменения силы тяжести группируются в три вида: полусуточные и суточные составляющие прилива, которые имеют периоды в день или меньше, а также долгопериодические приливные составляющие.

Помимо того, что долгопериодные приливные воздействия имеют периоды продолжительностью более суток, они отличаются от первого и второго видов тем, что они зонально симметричны. Длиннопериодные приливы также отличаются тем, как реагируют океаны: воздействия происходят достаточно медленно, чтобы не возбуждать поверхностные гравитационные волны . возбуждение поверхностных гравитационных волн ответственно за полусуточные приливы высокой амплитуды в заливе Фанди Например, . Напротив, океан реагирует на долгопериодные приливные воздействия сочетанием равновесного прилива и возможным возбуждением баротропных волн Россби . нормальных мод

Типы приливов

Механизм формирования

Гравитационные приливы вызваны изменениями взаимного расположения Земли, Солнца и Луны, орбиты которых слегка возмущаются Юпитером. Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что сила гравитации между массой в контрольной точке на поверхности Земли и другим объектом, например Луной, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Склонение . Луны относительно Земли означает, что, когда Луна вращается вокруг Земли в течение половины лунного цикла, Луна находится ближе к северному полушарию, а в течение другой половины Луна ближе к южному полушарию Это периодическое смещение расстояний приводит к возникновению лунной приливной составляющей, происходящей раз в две недели. Эллиптичность лунной орбиты порождает лунную ежемесячную приливную составляющую. Из-за нелинейной зависимости силы от расстояния существуют дополнительные приливные составляющие с частотами, которые представляют собой сумму и разность этих основных частот. Дополнительные основные частоты вносятся движением Солнца и Юпитера, поэтому приливные составляющие существуют на всех этих частотах, а также на всех суммах и разностях этих частот и т. д. Математическое описание приливных сил значительно упрощается, если выразить их силы в терминах гравитационных потенциалов. Поскольку Земля представляет собой примерно сферу, а орбиты примерно круговые, оказывается очень удобным описывать эти гравитационные потенциалы в сферических координатах с помощью сферических гармонических разложений.

Океанический ответ

При определении реакции океана на приливное воздействие необходимо учитывать несколько факторов. К ним относятся эффекты нагрузки и взаимодействие с твердой Землей, когда масса океана перераспределяется приливами, а также эффекты самогравитации океана на самого себя. Однако наиболее важным является динамическая реакция океана на приливное воздействие, которую удобно выразить с помощью приливных уравнений Лапласа. Из-за их больших периодов поверхностные гравитационные волны нелегко возбудить, поэтому долгое время считалось, что долгопериодные приливы находятся почти в равновесии с воздействием, и в этом случае высота прилива должна быть пропорциональна возмущающему потенциалу, а индуцированные течения должны быть очень слабыми. . Поэтому стало неожиданностью, когда в 1967 году Карл Вунш опубликовал данные о высоте приливов для двух составляющих тропической части Тихого океана с явно неравновесными приливами. Совсем недавно спутниковые измерения уровня моря подтвердили неравновесную природу лунного двухнедельного прилива (ГЭРИ Д. ЭГБЕРТ и РИЧАРД Д. РЭЙ, 2003: Отклонение долгопериодных приливов от равновесия: кинематика и геострофия, J. Phys. Oceanogr., 33, 822-839), например в тропической Атлантике. Аналогичные расчеты лунного месячного прилива показывают, что этот компонент с более низкой частотой ближе к равновесию, чем двухнедельный прилив.

Был выдвинут ряд идей относительно того, как океан должен реагировать на долговременные приливные воздействия. Несколько авторов в 1960-х и 1970-х годах предположили, что приливное воздействие может генерировать резонансные баротропные моды волн Россби, однако эти моды чрезвычайно чувствительны к диссипации океана и в любом случае лишь слабо возбуждаются долгопериодными приливными воздействиями (Carton, JA, 1983). : Изменение частоты долгопериодных приливов. J. Geophys., 88,7563–7571). Другая идея заключалась в том, что можно было возбуждать волны Кельвина за длительный период. Совсем недавно Эгберт и Рэй представили результаты численного моделирования, предполагающие, что неравновесный приливный подъем в течение двух недель Луны более тесно связан с обменом массой между океанскими бассейнами.

Влияние на лунную орбиту

Влияние долгопериодических приливов на лунную орбиту является спорной темой; в некоторых литературных источниках делается вывод, что долгопериодические приливы ускоряют Луну и замедляют Землю. Однако Ченг обнаружили, что рассеивание долгопериодических приливов тормозит Луну и фактически ускоряет вращение Земли. Чтобы объяснить это, они предположили, что вращение Земли не зависит напрямую от возникновения потенциала воздействия для долгопериодических приливов, поэтому форма и период долгопериодических составляющих не зависят от скорости вращения. Для этих составляющих Луну (или Солнце) можно рассматривать как вращающуюся вокруг невращающейся Земли в плоскости с соответствующим наклоном к экватору. Тогда приливная «выпуклость» отстает от вращающейся по орбите Луны, замедляя ее движение по орбите (приближая ее к Земле), и за счет сохранения углового момента вращение Земли должно ускориться. Но этот аргумент является качественным, и количественное разрешение противоречивых выводов все еще необходимо.

Нет прилива

Еще одна приливная составляющая возникает из-за центробежных сил, обусловленных, в свою очередь, так называемым полярным движением Земли. Последний не имеет ничего общего с гравитационными моментами, действующими на Землю со стороны Солнца и Луны, но «возбуждается» геофизическими переносами массы на самой Земле или внутри нее, учитывая (небольшое) сжатие фигуры Земли , что фактически приводит к возникновению к вращательному движению типа Эйлера с периодом около 433 дней для Земли, известному как колебание Чендлера (в честь его первого первооткрывателя Сета Чандлера в начале 1900-х годов). Между прочим, эйлерово колебание аналогично раскачиванию вращающегося фрисби, брошенного не совсем идеально. С точки зрения наблюдений (возбужденное) чандлеровское колебание является основным компонентом полярного движения Земли. Одним из последствий движения полюсов является возмущение устойчивой центробежной силы, ощущаемой Землей, в результате чего Земля (и океаны) слегка деформируются в соответствующие периоды, известные как полюсный прилив . Предполагалось, что полюсный прилив, как и долгопериодические приливы, находится в равновесии, и исследование полюсного прилива в масштабах океанского бассейна, по-видимому, согласуется с этим предположением. Равновесная амплитуда полюсного прилива составляет около 5 мм при максимуме на 45 градусах северной и южной широты; наиболее отчетливо это наблюдается на спутниковых альтиметрических картах высоты морской поверхности . Однако в региональных масштабах данные наблюдений менее ясны. Например, записи мареографов в Северном море показывают сигнал, который, по-видимому, был неравновесным полюсным приливом, который, как предположил Вунш, вызван резонансом, связанным с возбуждением баротропных волн Россби, но О'Коннор и его коллеги предполагают, что на самом деле это Вместо этого, вызванный ветром.

Использование

Долгопериодические приливы очень полезны для геофизиков, которые используют их для расчета упругого числа Лява и для понимания низкочастотных и крупномасштабных океанических движений.