Длиннопериодные приливы — это гравитационные приливы с периодами более суток, обычно с амплитудами в несколько сантиметров или меньше. Длиннопериодные приливные составляющие с относительно сильным воздействием включают лунные двухнедельные (Mf) и лунные ежемесячные (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 XVIII веке, показал, что периоды, в течение которых изменяется гравитация, можно разделить на три вида: полусуточные и суточные приливные составляющие, которые имеют периоды в сутки или меньше, и долгопериодические приливные составляющие.
Помимо того, что долгопериодное приливное воздействие имеет периоды, превышающие сутки, оно отличается от первого и второго видов тем, что оно зонально симметрично. [ необходимо уточнение ] Долгопериодные 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 долгопериодное приливное воздействие комбинацией равновесного прилива вместе с возможным возбуждением нормальных мод баротропных волн Россби [1]
Гравитационные приливы вызваны изменениями относительного расположения Земли, Солнца и Луны, орбиты которых слегка возмущаются Юпитером. Закон всемирного тяготения Ньютона гласит, что гравитационная сила между массой в точке отсчета на поверхности Земли и другим объектом, таким как Луна, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Склонение Луны относительно Земли означает, что по мере того, как Луна вращается вокруг Земли в течение половины лунного цикла, Луна находится ближе к Северному полушарию, а в течение другой половины Луна находится ближе к Южному полушарию. Этот периодический сдвиг расстояния приводит к возникновению лунной двухнедельной приливной составляющей. Эллиптичность лунной орбиты приводит к возникновению лунной ежемесячной приливной составляющей. Из-за нелинейной зависимости силы от расстояния существуют дополнительные приливные составляющие с частотами, которые являются суммой и разностями этих основных частот. Дополнительные фундаментальные частоты вводятся движением Солнца и Юпитера, таким образом, 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 путем выражения сил в терминах гравитационных потенциалов. Поскольку Земля имеет приблизительно сферическую форму, а орбиты приблизительно круговые, также оказывается очень удобным описывать эти гравитационные потенциалы в сферических координатах с использованием сферических гармонических разложений.
Необходимо учитывать несколько факторов при определении реакции океана на приливное воздействие. К ним относятся эффекты нагрузки и взаимодействия с твердой Землей, поскольку масса океана перераспределяется приливами, а также эффекты самогравитации океана на себя. Однако наиболее важным является динамическая реакция океана на приливное воздействие, удобно выраженная в терминах приливных уравнений Лапласа. Из-за их длинных периодов поверхностные гравитационные волны не могут быть легко возбуждены, и поэтому долгое время предполагалось, что приливы с большим периодом находятся почти в равновесии с воздействием, в этом случае высоты приливов должны быть пропорциональны возмущающему потенциалу, а индуцированные течения должны быть очень слабыми. Поэтому стало неожиданностью, когда в 1967 году Карл Вунш опубликовал высоты приливов для двух компонентов в тропической части Тихого океана с отчетливо неравновесными приливами. [2] Совсем недавно было получено подтверждение от спутниковых измерений уровня моря неравновесной природы двухнедельного лунного прилива (GARY D. EGBERT и RICHARD D. RAY, 2003: Deviation of Long-Period Tides from Equilibrium: Kinematics and Geostrophy, J. Phys. Oceanogr., 33, 822-839), например, в тропической Атлантике. Аналогичные расчеты для лунного ежемесячного прилива показывают, что эта низкочастотная составляющая ближе к равновесию, чем двухнедельная.
Было выдвинуто несколько идей относительно того, как океан должен реагировать на долгопериодное приливное воздействие. 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 долгопериодным приливным воздействием (Carton,JA,1983: Изменение с частотой долгопериодных приливов. J. Geophys. Res.,88,7563–7571). Другая идея заключалась в том, что могут возбуждаться долгопериодные волны Кельвина. [3] Совсем недавно Эгберт и Рэй представили результаты численного моделирования, предполагающие, что неравновесное приливное возвышение лунных двухнедельных более тесно связано с обменом массой между океаническими бассейнами.
Влияние долгопериодических приливов на лунную орбиту является спорной темой, некоторые литературные источники приходят к выводу, что долгопериодические приливы ускоряют Луну и замедляют Землю. [4] [5] Однако Чэн [6] обнаружил, что рассеивание долгопериодических приливов тормозит Луну и фактически ускоряет вращение Земли. Чтобы объяснить это, они предположили, что вращение Земли не зависит напрямую от вывода потенциала силы 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 Луны, тем самым замедляя ее на своей орбите (приближая ее к Земле), и в соответствии с законом сохранения углового момента вращение Земли должно ускоряться. Но этот аргумент является качественным, и количественное разрешение противоречивых выводов все еще необходимо. [1]
Еще одна приливная составляющая возникает из-за центробежных сил, в свою очередь, из-за так называемого полярного движения Земли. Последнее не имеет ничего общего с гравитационными моментами, действующими на Землю со стороны Солнца и Луны, но «возбуждается» геофизическими массовыми переносами на самой Земле или в ней, учитывая (небольшую) сплющенность фигуры Земли , что на самом деле приводит к вращательному движению типа Эйлера с периодом около 433 дней для Земли, известному как колебание Чандлера (в честь его первого первооткрывателя Сета Чандлера в начале 1900-х годов). Между прочим, колебание Эйлера аналогично колебательному движению вращающегося фрисби, брошенного не совсем идеально. С точки зрения наблюдений (возбужденное) колебание Чандлера является основным компонентом в полярном движении Земли. Одним из эффектов полярного движения является возмущение в остальном устойчивой центробежной силы, ощущаемой Землей, заставляя Землю (и океаны) слегка деформироваться в соответствующие периоды, известные как полюсный прилив . Как и долгопериодные приливы, полюсный прилив предполагался в равновесии, и исследование полюсного прилива в масштабах океанического бассейна, по-видимому, согласуется с этим предположением. [7] Равновесная амплитуда полюсного прилива составляет около 5 мм в своем максимуме на 45 градусах северной и южной широты; это наиболее четко наблюдается на спутниковых альтиметрических картах высоты морской поверхности . [8] Однако в региональных масштабах запись наблюдений менее ясна. Например, записи мареографа в Северном море показывают сигнал, который, по-видимому, является неравновесным полюсным приливом, который, как предположил Вунш, вызван резонансом, связанным с возбуждением баротропных волн Россби, но О'Коннор и коллеги предполагают, что на самом деле он вызван ветром. [9]
Долгопериодические приливы очень полезны для геофизиков, которые используют их для расчета упругого числа Лява и изучения низкочастотных и крупномасштабных океанических движений.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )