Расчет приливов и отливов

Расчет приливов и отливов

      Ньютону удалось также заметить, что такие  важные астрономические эффекты  как изменение расстояния Луны от Земли в течение месяца и расстояния от Земли до Солнца в течение года приведут, естественно, к соответствующему изменению величин приливообразующих сил и к особым долгопериодным аномалиям в ходе приливов. Последние носят названия параллактических неравенств, наличие которых было также объяснено Ньютоном.

      Ньютон  обнаружил, что в рамках его теории путём учёта изменений в склонениях Луны и Солнца можно объяснить  и такой казалось бы малозначительный факт, подмеченный уже к тому времени  наблюдателями, что в разных местах вечерний прилив выше, чем утренний в одно время года, и ниже в другое. Поскольку между весенним и осенним равноденствием Солнце имеет северное склонение (лунная орбита почти не меняет своего склонения относительно солнца), то линия из центра Земли к Луне всегда будет на солнечной стороне, т.е. в северных широтах. Эта линия – ось приливного эллипсоида, так что летом дневной прилив выше ночного, а зимой когда склонение Солнца южное – наоборот.

        Приходится лишь удивляться, как  Ньютон смог в то время объяснить  практически все основные особенности  приливов. Видимо, хорошее знание астрономии позволило ему сразу уловить причины аномалий приливов, связанные с изменением во времени взаимного расположения Земли, Солнца и Луны.

      Теория  морских приливов, созданная Ньютоном и известная в настоящее время  под названием статическая (потому что предполагалось  существование равновесного эллипсоида в каждый момент времени), открыла всем глаза на природу приливов и их особенности. Это было блестящим достижением. Но вот один факт из приливных наблюдений не мог не смущать Ньютона и послужил зародышем дальнейшего развития теории приливов. Факт этот заключался в том, что наблюдаемые приливы могли сильно запаздывать или наоборот опережать статические приливы.

      Чтобы объяснить несоответствия, отмеченные в статической теории, динамическая теория прилива рассматривает явление не в статике, а в движении, как волну. Эта теория была выдвинута П. Лапласом (1749 – 1827), развивалась Дж. Эри, Дж. Дарвином, А. Дудсоном и продолжает совершенствоваться.

      В 1773 – 1775 гг. в своей знаменитой работе «Небесная механика» Лаплас впервые сформулировал динамические уравнения движения жидкости под действием приливообразующих (периодических) сил. Основное отличие динамической теории от статической заключалось в том, что не требовалась мгновенная реакция жидкости на действие приливообразующих сил Ньютона. Естественно, что как частный случай  из динамической теории должна была получаться статическая. Лапласу в своей теории удалось показать то, что ускользнуло от Ньютона, а именно, решающую роль в характере приливов глубины водоёмов, так как период свободных колебаний приливных волн зависит от неё. Лаплас сделал первые попытки применения теории к данным наблюдений над приливами во французском порту Брест, так как ему было ясно, что успехи в предсказании приливов теперь должны зависеть от понимания гидродинамики больше, чем от знания астрономии. В Бресте с 1711 до 1715 г. проводились довольно детальные наблюдения над колебаниями уровня моря. Но они были далеки от совершенства. А новые наблюдения, инициированные Лапласом, начались только в 1806 г. Таким образом, эпоха, когда наблюдения над морскими приливами стали использовать для проверки теории, началась только с ХIХ века.

      Для практической деятельности человека, в частности для судовождения, очень важно заранее знать уровень воды в любое время суток и в любом месте. Для этого создаются специальные карты и таблицы приливов. По инициативе англичанина Уэвелла в 1834 г. в течение двух недель были сделаны наблюдения над приливами и отливами по всему побережью Великобритании и Ирландии, а затем они были повторены в июне 1835 г., причём в то же самое время производились наблюдения от м. Нордкап до Гибралтарского пролива и от устья реки Св. Лаврентия до устьев Миссисипи. Такая программа наблюдений являлась следствием того, что Уэвелл решил построить фактически первую карту приливов в Мировом океане. В 1833 г. в «Философских трудах» эта карта была опубликована как приложение к его статье «Опыт построения первой карты котидальных линий». Котидальные линии, как пишет Уэвелл, те, которые соединяют точки, в которых в одно и то же время отмечается высокая вода. Они показывают гребень приливной волны и тем самым дают сведения о прикладном часе (время между прохождением Луны через меридиан и моментом наступления полной воды) в разных местах. Первые таблицы приливов были составлены в 1870 г. английским учёным У. Кельвином. [4] 

Экологические последствия. 

      В зимнее время приливно- отливные явления, перемешивающие водные массы, как правило, задерживают начало льдообразования. Однако в дальнейшем приливо-отливные явления непрестанно взламывают ледяной покров, причём на открывающихся пространствах чистой воды идёт интенсивное льдообразование, вследствие чего общее количество льдов увеличивается. [2] 

Влияние на хозяйственную  деятельность. 

      Прежде  приливно-отливные явления приводили  лишь к разрушениям или создавали  известные неудобства. Изучив их природу, человек начал использовать эту  пока ещё почти необузданную силу. Так построена полуэкспериментальная  Кислогубская приливная электростанция (ПЭС). Существуют проекты строительства ПЭС в Мезенском заливе Белого моря и других местах.

      Таким образом, “обуздав” силу приливов и отливов человечество может решить много проблем с энергетикой. [3] 

Влияние человека на данный процесс. 

      Человек на процесс приливов и отливов повлиять никак не может, так как этот процесс связан с притяжением Луны и Солнца. Людям остается только прогнозировать их и использовать энергию приливов и отливов в своих интересах. 

Возможность прогнозирования  и управления.

Измерение уровней  приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.

Футшток – это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.

Поплавковый футшток. Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.

Гидростатический  самописец уровня моря. На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.

Таблицы приливов. При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.

Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся  в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения  этого типа прогнозов для каждого  порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере. [3]

     Использование энергии приливов. Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. В настоящее время крупные приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове и в Приморье, во Франции в эстуарии р.Ранс, в Китае близ Шанхая, а также в других районах земного шара. [3]

      Приливные электростанции (ПЭС). Для создания экономичной приливной электростанции необходимо сочетание необычайно большого перепада уровней при приливе и отливе (6 м и более) с особенностями береговой линии, позволяющими создать плотину и водный бассейн соответствующих размеров. На Земле не так много мест, где выполняются эти условия: побережья штата Мэн (США) и провинции Нью-Брансуик (Канада), некоторые заливы Желтого моря, Персидский залив, Аляска, некоторые места Аргентины, юг Англии, север Франции, север европейской России и ряд заливов Австралии. Но даже в таких подходящих местах, как залив Пассамакуодди на границе штата Мэн и провинции Нью-Брансуик, ПЭС в настоящее время вряд ли могли бы по стоимости вырабатываемой электроэнергии конкурировать с современными ТЭС.

В проектах ПЭС  обычно предусматривается создание двух бассейнов – верхового и  низового – с водопропускными  отверстиями и затворами. Верховой бассейн наполняется во время прилива, а затем опорожняется в низовой, опорожнившийся при отливе. [3]

     Итак, человек не может управлять приливом (отливом), но использует энергию от этих процесса. Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединенные Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы.

  1. Большая советская энциклопедия (в 30 томах) гл.ред. А.М.Прохоров Изд-е 3-е. М., «Советская энциклопедия», 1976. т.17 стр. 63-65
  2. Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М., Наука, 1982 г, 168c.
  3. http://www.krugosvet.ru по мат. Шулейкин В.В. Физика моря. М., 1968  
    Гарвей Дж. Атмосфера и океан. М., 1982 
  4. http://www.rubricon.ru  раздел «Большая советская энциклопедия» Н. Н. Парийский. по мат...: Шокальский Ю. М., Океанография, Л., 1959; Дуванин А. И., Приливы в море, Л., 1960; Дарвин Д. Г., Приливы и родственные им явления в солнечной системе, пер. с англ., М. — П., 1923; Ламб Г., Гидродинамика, пер. с англ., М. — Л., 1947, гл. 8; Молоденский М. С., Упругие приливы, свободная нутация и некоторые вопросы строения Земли, «Тр. Геофизического института АН СССР», 1953, № 19; Мельхиор П., Земные приливы, пер. с англ., М., 1968; Парийский Н. Н., Кузнецов М. В. и Кузнецова Л, В., О влиянии океанических приливов на вековое замедление вращения Земли, «Физика земли», 1972, № 2, 12; Siebert М., Atmospheric tides, в кн.: Advances in geophysics, v. 7, N. Y. — L., 1961.



Источник: student.zoomru.ru


Добавить комментарий