Tidvatten

Förenklat schema över endast måndelen av jordens tidvatten, som visar (överdrivet) högvatten vid sublunarpunkten och dess antipod för det hypotetiska fallet med ett hav med konstant djup utan land, och med antagandet att jorden inte roterar; annars finns det en eftersläpningsvinkel. Soltidvatten visas inte.

Jordens rotation drar tidvattenbuktens position framför positionen direkt under månen som visar eftersläpningsvinkeln.

I Maine (USA) inträffar lågvatten ungefär vid månuppgång och högvatten med hög måne, vilket motsvarar den enkla gravitationsmodellen av två tidvattenutbuktningar; på de flesta ställen har dock månen och tidvattnet en fasförskjutning .

Tidvattnet kommer in, videon stannar cirka 1 1 ⁄ 2 timme före högvatten

Tidvatten är stigande och fall av havsnivåer som orsakas av de kombinerade effekterna av gravitationskrafterna som utövas av månen (och i mycket mindre utsträckning, solen ) och orsakas också av att jorden och månen kretsar runt varandra.

Tidvattentabeller kan användas för varje given lokalitet för att hitta de förutsagda tiderna och amplituden (eller " tidvattenintervall" ). Förutsägelserna påverkas av många faktorer, inklusive solens och månens inriktning, tidvattnets fas och amplitud (mönster av tidvatten i djuphavet), havens amfidromsystem och formen på kustlinjen och kustnära batymetri (se Timing ). De är dock bara förutsägelser, tidvattnets faktiska tid och höjd påverkas av vind och atmosfärstryck. Många strandlinjer upplever halvdagliga tidvatten - två nästan lika hög- och lågvatten varje dag. Andra platser har en daglig tidvatten—ett hög- och lågvatten varje dag. En "blandad tidvatten" - två ojämna tidvatten om dagen - är en tredje vanlig kategori.

Tidvatten varierar på tidsskalor som sträcker sig från timmar till år på grund av ett antal faktorer, som bestämmer lunitidalintervallet . För att göra korrekta registreringar tidvattenmätare på fasta stationer vattennivån över tid. Mätare ignorerar variationer orsakade av vågor med perioder kortare än minuter. Dessa data jämförs med referensnivån (eller datum) som vanligtvis kallas medelhavsnivå .

Medan tidvatten vanligtvis är den största källan till kortsiktiga fluktuationer i havsnivån, är havsnivåerna också föremål för förändring från termisk expansion , vind och lufttrycksförändringar, vilket resulterar i stormfloder , särskilt i grunda hav och nära kuster.

Tidvattenfenomen är inte begränsade till haven, utan kan uppstå i andra system närhelst ett gravitationsfält som varierar i tid och rum är närvarande. Till exempel påverkas formen av den fasta delen av jorden något av jordens tidvatten , även om detta inte är lika lätt att se som tidvattenrörelserna.

Egenskaper

Typer av tidvatten (se tidpunkt (nedan) för kustkarta)

Tidvattenförändringar fortsätter via de två huvudstadierna:

Vattnet slutar falla och når ett lokalt minimum som kallas lågvatten .
Vattnet slutar stiga och når ett lokalt maximum som kallas högvatten .

I vissa regioner finns det ytterligare två möjliga steg:

Havsnivån stiger under flera timmar och täcker tidvattenzonen ; flodvatten .
Havsnivån sjunker under flera timmar, vilket avslöjar tidvattenzonen; ebbvatten .

Oscillerande strömmar som produceras av tidvatten är kända som tidvattenströmmar eller tidvattenströmmar . Det ögonblick som tidvattenströmmen upphör kallas för slackvatten eller slack tide . Tidvattnet vänder då riktning och sägs vända. Svagt vatten uppstår vanligtvis nära högvatten och lågvatten, men det finns platser där ögonblicken av slack tid skiljer sig avsevärt från dem för hög- och lågvatten.

Tidvatten är vanligtvis halvdagliga (två högvatten och två lågvatten varje dag), eller dagtid (en tidvattencykel per dag). De två höga vattnen på en viss dag är vanligtvis inte samma höjd (den dagliga ojämlikheten); dessa är det högre högvattnet och det lägre högvattnet i tidvattentabeller . På samma sätt är de två lågvattnen varje dag det högre lågvattnet och det lägre lågvattnet . Den dagliga ojämlikheten är inte konsekvent och är i allmänhet liten när månen är över ekvatorn .

Referensnivåer

Följande referensvattennivåer kan definieras, från den högsta nivån till den lägsta:

Högsta astronomiska tidvattnet (HAT) – Det högsta tidvattnet som kan förutsägas inträffa. Observera att meteorologiska förhållanden kan lägga till extra höjd till HAT.
Genomsnittliga högvattenkällor (MHWS) – Genomsnittet av de två högvatten under vårvattendagarna.
Mean high water neaps (MHWN) – Genomsnittet av de två högvatten under dagarna av neap tidvatten.
Medelhavsnivå (MSL) – Detta är den genomsnittliga havsnivån. MSL är konstant för alla platser under en lång period.
Mean low water neaps (MLWN) – Genomsnittet av de två lågvatten under dagarna av neap tidvatten.
Genomsnittliga lågvattenkällor (MLWS) – Genomsnittet av de två lågvatten under tidvattendagarna.
Lägsta astronomiska tidvattnet (LAT) – Det lägsta tidvattnet som kan förutsägas inträffa.

Illustration under loppet av en halv månad

Tidvatten beståndsdelar

Tidvattenbeståndsdelar är nettoresultatet av flera influenser som påverkar tidvattenförändringar under vissa tidsperioder. Primära beståndsdelar inkluderar jordens rotation, månens och solens position i förhållande till jorden, månens höjd (höjd) över jordens ekvator och batymetri . Variationer med perioder på mindre än en halv dag kallas harmoniska beståndsdelar . Omvänt hänvisas cykler av dagar, månader eller år till som långa perioder .

Tidvattenkrafter påverkar hela jorden , men den fasta jordens rörelse sker med bara centimeter. Däremot är atmosfären mycket mer flytande och komprimerbar så dess yta rör sig med kilometer, i betydelsen konturnivån för ett särskilt lågtryck i den yttre atmosfären.

Den huvudsakliga månens halvdagliga beståndsdel

Global ythöjd av M2 havsvatten (NASA)

I de flesta lägen är den största beståndsdelen den huvudsakliga lunar semi-diurnal , även känd som M2 tidvattenbeståndsdelen eller M ₂ tidvattenbeståndsdelen . Dess period är cirka 12 timmar och 25,2 minuter, exakt en halv tidvattenmåndag , vilket är den genomsnittliga tid som skiljer en månzenit från nästa, och alltså är den tid som krävs för att jorden ska rotera en gång i förhållande till månen. Enkla tidvattenklockor spårar denna beståndsdel. Måndagen är längre än jorddagen eftersom månen kretsar i samma riktning som jorden snurrar. Detta är analogt med minutvisaren på en klocka som korsar timvisaren klockan 12:00 och sedan igen vid ungefär 1:05½ (inte klockan 1:00).

Månen kretsar runt jorden i samma riktning som jorden roterar runt sin axel, så det tar något mer än ett dygn – cirka 24 timmar och 50 minuter – för månen att återvända till samma plats på himlen. Under denna tid har den passerat ovanför ( kulminering ) en gång och under fötterna en gång (i en timmes vinkel på 00:00 respektive 12:00), så på många ställen är perioden med starkast tidvattenkraft den ovan nämnda, cirka 12 timmar och 25 minuter. Momentet för högsta tidvatten är inte nödvändigtvis när månen är närmast zenit eller nadir , men tiden för forceringen avgör fortfarande tiden mellan högvatten.

Eftersom gravitationsfältet som skapas av månen försvagas med avståndet från månen, utövar det en något starkare kraft än genomsnittet på den sida av jorden som är vänd mot månen och en något svagare kraft på den motsatta sidan. Månen tenderar alltså att "sträcka ut" jorden något längs linjen som förbinder de två kropparna. Den fasta jorden deformeras lite, men havsvatten, eftersom det är flytande, är fritt att röra sig mycket mer som svar på tidvattenkraften, särskilt horisontellt (se jämviktstidvatten ).

När jorden roterar förändras tidvattenkraftens storlek och riktning vid en viss punkt på jordens yta konstant; även om havet aldrig når jämvikt – det finns aldrig tid för vätskan att "komma ikapp" till det tillstånd den så småningom skulle nå om tidvattenkraften var konstant – orsakar den förändrade tidvattenkraften ändå rytmiska förändringar i havsytans höjd.

När det finns två högvatten varje dag med olika höjder (och två lågvatten också av olika höjd), kallas mönstret för en blandad halvdaglig tidvatten .

Räckviddsvariation: fjädrar och naps

Typerna av tidvatten

Det halvdagliga intervallet (skillnaden i höjd mellan högt och lågt vatten över ungefär en halv dag) varierar i en tvåveckorscykel. Ungefär två gånger i månaden, runt nymåne och fullmåne när solen, månen och jorden bildar en linje (en konfiguration känd som en syzygy ), förstärker tidvattenkraften på grund av solen den på grund av månen. Tidvattnets räckvidd är då maximalt; detta kallas vårvatten . Det är inte uppkallat efter årstiden , men, liksom det ordet, härstammar från betydelsen "hoppa, spricka fram, stiga", som i en naturlig vår . Spring tidvatten kallas ibland syzygy tidvatten .

När månen är vid första kvartalet eller tredje kvartalet är solen och månen separerade med 90° när de ses från jorden, och solens tidvattenkraft upphäver delvis månens tidvattenkraft. Vid dessa punkter i måncykeln är tidvattnets räckvidd på sitt minimum; detta kallas neap tidvattnet eller neaps . "Neap" är ett anglosaxiskt ord som betyder "utan kraft", som i forðganges nip (framåtgående utan-kraften). Napa tidvatten kallas ibland kvadraturtidvatten .

Spring tidvatten resulterar i högvatten som är högre än genomsnittet, lågvatten som är lägre än genomsnittet, " slackvatten " tid som är kortare än genomsnittet och starkare tidvattenströmmar än genomsnittet. Neaps resulterar i mindre extrema tidvattenförhållanden. Det är ungefär sju dagars intervall mellan fjädrar och naps.

Vårvatten: Solen och månen på samma sida (0°)
Svagt tidvatten: Solen och månen vid 90°
Vårvatten: Solen och månen på motsatta sidor (180°)
Svagt tidvatten: Solen och månen vid 270°
Vårvatten: Solen och månen på samma sida (cykeln startar om)

Månens avstånd

Lågvatten vid det natursköna området Bangchuidao, Dalian , Liaoning-provinsen , Kina

Lågvatten vid Ocean Beach i San Francisco , Kalifornien , USA

Lågvatten vid Bar Harbor , Maine , USA (2014)

Det förändrade avståndet mellan månen och jorden påverkar också tidvattenhöjderna. När månen är närmast, vid perigeum , ökar räckvidden, och när den är i apogeum , krymper räckvidden. Sex eller åtta gånger om året sammanfaller perigeum med antingen en ny eller fullmåne som orsakar perigean springtide med det största tidvattenområdet . Skillnaden mellan höjden på en tidvatten vid perigean springflod och springflod när månen är på apogee beror på platsen men kan vara stor som en fot högre.

Andra beståndsdelar

Dessa inkluderar solens gravitationseffekter, snedställningen (lutningen) av jordens ekvator och rotationsaxel, lutningen av planet för månbanan och den elliptiska formen av jordens omloppsbana av solen.

Ett sammansatt tidvatten (eller övervatten) är ett resultat av samspelet mellan grundvatten och dess två modervågor.

Fas och amplitud

M ₂ tidvattenbeståndsdel. Rött är mest extremt (högsta toppar, lägsta låga), med blått som minst extremt. Vita kotidala linjer konvergerar i blåa områden, vilket indikerar lite eller inget tidvatten. De krökta bågarna runt dessa konvergerande områden är amfidromiska punkter . De visar tidvattnets riktning, var och en indikerar en synkroniserad 6-timmarsperiod. Tidvattenområdena ökar i allmänhet med ökande avstånd från amfidrompunkter. Tidvattenvågor rör sig runt dessa punkter, vanligtvis moturs på det nordliga halvklotet och medurs på det sydliga halvklotet

Eftersom M ₂ tidvattenbeståndsdelen dominerar på de flesta platser, är stadiet eller fasen av ett tidvatten, betecknat med tiden i timmar efter högvatten, ett användbart koncept. Tidvattenstadiet mäts också i grader, med 360° per tidvattencykel. Linjer med konstant tidvattenfas kallas kotidala linjer , som är analoga med konturlinjer med konstant höjd på topografiska kartor , och när de plottas bildar de en kotidalkarta eller kotidalkarta . Högvatten nås samtidigt längs de kotidala linjerna som sträcker sig från kusten ut i havet, och cotidal linjer (och därmed tidvattenfaser) avancerar längs kusten. Halvdagliga och långa fasbeståndsdelar mäts från högvatten, dygn från maximalt flodvatten. Detta och diskussionen som följer är exakt sann endast för en enda tidvattenbeståndsdel.

För ett hav i form av ett cirkulärt bassäng som omges av en kustlinje pekar kotidlinjerna radiellt inåt och måste så småningom mötas vid en gemensam punkt, den amfidromiska punkten . Amfidrompunkten är samtidigt kotidal med högt och lågt vatten, vilket tillfredsställs av noll tidvattenrörelse. (Det sällsynta undantaget inträffar när tidvattnet omger en ö, som det gör runt Nya Zeeland, Island och Madagaskar .) Tidvattenrörelser minskar i allmänhet när man flyttar bort från kontinentala kuster, så att korsning av kotidlinjerna är konturer med konstant amplitud (halva avståndet mellan hög- och lågvatten) som minskar till noll vid amfidrompunkten. För en halvdaglig tidvatten kan den amfidromiska punkten ses ungefär som mitten av en urtavla, där timvisaren pekar i riktning mot högvattenskotislinjen, som är direkt mittemot lågvattenkotislinjen. Högvatten roterar runt den amfidromiska punkten en gång var 12:e timme i riktning mot stigande kotidlinjer och bort från ebbande kotidlinjer. Denna rotation, orsakad av Coriolis-effekten , är i allmänhet medurs på södra halvklotet och moturs på norra halvklotet. Skillnaden mellan cotidal fas från fasen av en referens tidvatten är epoken . Referenstidvattnet är den hypotetiska beståndsdelen "jämviktstidvatten" på en landlös jord uppmätt vid 0° longitud, Greenwich-meridianen.

I Nordatlanten passerar högvatten New York Harbor ungefär en timme före Norfolks hamn eftersom kotidlinjerna cirkulerar motsols runt den amfidromiska punkten. Söder om Cape Hatteras är tidvattenkrafterna mer komplexa och kan inte förutsägas tillförlitligt baserat på de nordatlantiska kotidlinjerna.

Historia

Tidvattenteorins historia

Utredning av tidvattenfysik var viktig i den tidiga utvecklingen av himmelsmekanik , med existensen av två dagliga tidvatten som förklaras av månens gravitation. Senare förklarades det dagliga tidvattnet mer exakt av samspelet mellan månens och solens gravitation.

Seleucus av Seleucia teoretiserade omkring 150 f.Kr. att tidvatten orsakades av månen. Månens inflytande på vattendrag nämndes också i Ptolemaios Tetrabiblos .

I De temporum ratione ( The Reckoning of Time ) av 725 kopplade Bede halvtidvatten och fenomenet med varierande tidvattenhöjder till månen och dess faser. Bede börjar med att notera att tidvattnet stiger och faller 4/5 timme senare varje dag, precis som månen går upp och går ner 4/5 timme senare. Han fortsätter med att betona att under två månmånader (59 dagar) cirklar månen jorden 57 gånger och det finns 114 tidvatten. Bede observerar sedan att tidvattenhöjden varierar över månaden. Tilltagande tidvatten kallas malinae och fallande tidvatten ledones och att månaden är indelad i fyra delar om sju eller åtta dagar med omväxlande malinae och ledones . I samma avsnitt noterar han också vindarnas effekt för att hålla tillbaka tidvatten. Bede registrerar också att tidvattenstiden varierar från plats till plats. Norr om Bedes läge ( Monkwearmouth ) är tidvattnet tidigare, söderut senare. Han förklarar att tidvattnet "ökar dessa stränder för att desto mer kunna översvämma andra [stränder] när det anländer dit" och noterar att "Månen som signalerar tidvattnets uppgång här, signalerar sin reträtt i andra regioner långt från denna fjärdedel av himlen".

Medeltida förståelse av tidvattnet baserades i första hand på verk av muslimska astronomer , som blev tillgängliga genom latinsk översättning från och med 1100-talet. Abu Ma'shar al-Balkhi (d. cirka 886) lärde i sitt Introductorium in astronomiam att ebb och flodvatten orsakades av månen. Abu Ma'shar diskuterade effekterna av vinden och månens faser i förhållande till solen på tidvattnet. På 1100-talet al-Bitruji (d. cirka 1204) till föreställningen att tidvattnet orsakades av himlens allmänna cirkulation.

Simon Stevin avfärdade i sin 1608 De spiegheling der Ebbenvloet ( Teorin om ebb och översvämning ) ett stort antal missuppfattningar som fortfarande existerade om ebb och flod. Stevin vädjade för idén att månens attraktion var ansvarig för tidvattnet och talade i tydliga ordalag om ebb, översvämning, springflod och nap tidvatten , och betonade att ytterligare forskning behövde göras.

År 1609 föreslog Johannes Kepler också korrekt att månens gravitation orsakade tidvattnet, vilket han baserade på gamla observationer och korrelationer.

Galileo Galilei gav i sin dialog om de två främsta världssystemen 1632 , vars arbetstitel var Dialogue on the Tides , en förklaring av tidvattnet. Den resulterande teorin var dock felaktig eftersom han tillskrev tidvattnet till att vattnet svallade som orsakats av jordens rörelse runt solen. Han hoppades kunna ge mekaniska bevis på jordens rörelse. Värdet av hans tidvattenteori är omtvistat. Galileo avvisade Keplers förklaring av tidvattnet.

Isaac Newton (1642–1727) var den första personen som förklarade tidvatten som produkten av astronomiska massors gravitationsattraktion. Hans förklaring av tidvattnet (och många andra fenomen) publicerades i Principia (1687) och använde hans teori om universell gravitation för att förklara månens och solattraktionerna som ursprunget till de tidvattenalstrande krafterna. Newton och andra före Pierre-Simon Laplace arbetade med problemet ur perspektivet av ett statiskt system (jämviktsteori), som gav en approximation som beskrev tidvatten som skulle uppstå i ett icke-trögt hav som jämnt täcker hela jorden. Den tidvattenalstrande kraften (eller dess motsvarande potential ) är fortfarande relevant för tidvattenteorin, men som en mellanstorhet (tvingande funktion) snarare än som ett slutresultat; teorin måste också beakta jordens ackumulerade dynamiska tidvattensvar på de applicerade krafterna, vilket svar påverkas av havsdjupet, jordens rotation och andra faktorer.

År 1740 erbjöd Académie Royale des Sciences i Paris ett pris för den bästa teoretiska uppsatsen om tidvatten. Daniel Bernoulli , Leonhard Euler , Colin Maclaurin och Antoine Cavalleri delade på priset.

Maclaurin använde Newtons teori för att visa att en slät sfär täckt av ett tillräckligt djupt hav under tidvattenkraften från en enda deformerande kropp är en prolat sfäroid (i huvudsak en tredimensionell oval) med huvudaxeln riktad mot den deformerande kroppen. Maclaurin var den första som skrev om jordens rotationseffekter på rörelse. Euler insåg att tidvattenkraftens horisontella komponent (mer än den vertikala) driver tidvattnet. 1744 Jean le Rond d'Alembert tidvattenekvationer för atmosfären som inte inkluderade rotation.

År 1770 grundades James Cooks bark HMS Endeavour på Stora barriärrevet . Försök gjordes att återflyta henne på följande tidvatten som misslyckades, men tidvattnet efter det lyfte henne med lätthet. Medan hon reparerades i Endeavourflodens mynning observerade Cook tidvattnet under en period av sju veckor. Vid små tidvatten var båda tidvattnen på en dag lika, men vid vårar steg tidvattnet 7 fot (2,1 m) på morgonen men 9 fot (2,7 m) på kvällen.

Pierre-Simon Laplace formulerade ett system av partiella differentialekvationer som relaterar havets horisontella flöde till dess ythöjd, den första stora dynamiska teorin för tidvatten. Laplace tidvattenekvationer används fortfarande idag. William Thomson, 1st Baron Kelvin , skrev om Laplaces ekvationer i termer av virvel vilket möjliggjorde lösningar som beskrev tidvattendrivna kustnära fångade vågor, kända som Kelvin-vågor .

Andra inklusive Kelvin och Henri Poincaré vidareutvecklade Laplaces teori. Baserat på dessa utvecklingar och månteorin om EW Brown som beskriver månens rörelser, utvecklade och publicerade Arthur Thomas Doodson 1921 den första moderna utvecklingen av den tidvattenalstrande potentialen i harmonisk form: Doodson särskiljde 388 tidvattenfrekvenser. Några av hans metoder används fortfarande.

Historia om tidvattenobservation

Brouscons Almanach från 1546: Kompassriktningar för högt vatten i Biscayabukten (vänster) och kusten från Bretagne till Dover (höger).

Brouscons Almanach från 1546: Tidvattendiagram "enligt månens ålder".

Sedan urminnes tider har tidvattenobservationer och diskussioner ökat i sofistikerad form, först markerar det dagliga återkommande, sedan tidvattens förhållande till solen och månen. Pytheas reste till de brittiska öarna omkring 325 f.Kr. och tycks vara den förste som har relaterat vårvatten till månens fas.

På 200-talet f.Kr. beskrev den hellenistiske astronomen Seleucus av Seleucia korrekt tidvattenfenomenet för att stödja sin heliocentriska teori. Han teoretiserade korrekt att tidvatten orsakades av månen , även om han trodde att interaktionen förmedlades av pneuma . Han noterade att tidvatten varierade i tid och styrka i olika delar av världen. Enligt Strabo (1.1.9) var Seleukos den första som kopplade tidvatten till månens attraktion, och att tidvattnets höjd beror på månens position i förhållande till solen.

Naturalis Historia av Plinius den äldre sammanställer många tidvattenobservationer, t.ex. är vårvatten några dagar efter (eller före) ny- och fullmåne och är högst runt dagjämningarna, även om Plinius noterade många förhållanden som nu betraktas som fantasifulla. I sin Geografi beskrev Strabo tidvatten i Persiska viken som hade sin största räckvidd när månen var längst bort från ekvatorplanet. Allt detta trots den relativt lilla amplituden av tidvatten i Medelhavsområdet . (De starka strömmarna genom Euripussundet och Messinasundet förbryllade Aristoteles .) Philostratus diskuterade tidvatten i bok fem av The Life of Apollonius of Tyana . Philostratus nämner månen, men tillskriver tidvatten till "andar". I Europa omkring 730 e.Kr. beskrev den ärevördiga Bede hur det stigande tidvattnet på ena kusten av de brittiska öarna sammanföll med fallet på den andra och beskrev tidsutvecklingen av högvatten längs den Northumbriska kusten.

Den första tidvattentabellen i Kina registrerades 1056 e.Kr. främst för besökare som vill se det berömda tidvattenhålet i Qiantangfloden . Den första kända brittiska tidvattentabellen tros vara den för John Wallingford, som dog abbot av St. Albans 1213, baserat på högvatten som inträffade 48 minuter senare varje dag, och tre timmar tidigare vid Themsens mynning än uppför floden i London .

År 1614 publicerade Claude d'Abbeville verket " Histoire de la mission de pères capucins en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines ", där han avslöjade att Tupinambá-folket redan hade en förståelse för förhållandet mellan månen och tidvattnet före Europa .

William Thomson (Lord Kelvin) ledde den första systematiska övertonsanalysen av tidvattensrekord som startade 1867. Huvudresultatet var byggandet av en tidvattenförutsägande maskin som använde ett system av remskivor för att lägga ihop sex harmoniska tidsfunktioner. Den "programmerades" genom att återställa växlar och kedjor för att justera fasning och amplituder. Liknande maskiner användes fram till 1960-talet.

Det första kända havsnivåregistret för en hel vår-neap-cykel gjordes 1831 på Navy Dock i Themsens mynning . Många stora hamnar hade automatiska tidvattenmätningsstationer 1850.

John Lubbock var en av de första som kartlade samtidvattenlinjer för Storbritannien, Irland och angränsande kuster 1840. William Whewell utökade detta arbete och slutade med ett nästan globalt sjökort 1836. För att göra dessa kartor konsekventa antog han en hypotes förekomsten av en region utan tidvattenuppgång eller -fall där samtidvattenlinjer möts i mitten av oceanen. Förekomsten av en sådan amfidromisk punkt , som de nu är kända, bekräftades 1840 av kapten William Hewett, RN , från noggranna sonderingar i Nordsjön .

Fysik

Krafter

Tidvattenkraften som produceras av ett massivt föremål (månen, hädanefter) på en liten partikel belägen på eller i en omfattande kropp (jorden, hädanefter) är vektorskillnaden mellan gravitationskraften som månen utövar på partikeln, och gravitationskraften som skulle utövas på partikeln om den var belägen vid jordens masscentrum.

Medan gravitationskraften som utsätts av en himlakropp på jorden varierar omvänt som kvadraten på dess avstånd till jorden, varierar den maximala tidvattenkraften omvänt som, ungefär, kuben för detta avstånd. Om tidvattenkraften som orsakas av varje kropp istället var lika med dess fulla gravitationskraft (vilket inte är fallet på grund av fria fall , inte bara oceanerna, mot dessa kroppar) skulle ett annat mönster av tidvattenkrafter observeras t.ex. med ett mycket starkare inflytande från solen än från månen: Solens gravitationskraft på jorden är i genomsnitt 179 gånger starkare än månen, men eftersom solen i genomsnitt är 389 gånger längre från jorden är dess fältgradient svagare. Tidvattenkraften är proportionell mot

{\text{tidvattenkraft}}\propto {\frac {M}{d^{3}}}\propto \rho \left({\frac {r}{d}}\right)^{3}

där $M$ är himmelkroppens massa, $d$ är dess avstånd, ρ är dess medeldensitet och $r$ är dess radie. Förhållandet $r/d$ är relaterat till den vinkel som föremålet täcker på himlen. Eftersom solen och månen har praktiskt taget samma diameter på himlen, är solens tidvattenkraft mindre än månens, eftersom dess medeldensitet är mycket mindre, och den är bara 46 % så stor som månen, alltså under ett vårvatten bidrar Månen med 69 % medan solen bidrar med 31 %. Närmare bestämt är månens tidvattenacceleration (längs axeln Månen–Jord, vid jordens yta) cirka 1,1 × 10 ⁻⁷ g , medan solens tidvattenacceleration (längs axeln Sol–Jord, vid jordens yta) är cirka 0,52 × 10 ⁻⁷ g , där g är gravitationsaccelerationen vid jordens yta. Effekterna av de andra planeterna varierar eftersom deras avstånd från jorden varierar. När Venus är närmast jorden är dess effekt 0,000113 gånger soleffekten. Vid andra tillfällen kan Jupiter eller Mars ha störst effekt.

Månens gravitationsskillnadsfält vid jordens yta är känt som den tidvattenalstrande kraften . Detta är den primära mekanismen som driver tidvattenverkan och förklarar två ekvipotentiella tidvattenutbuktningar, som står för två dagliga högvatten.

Havets yta approximeras av en yta som kallas geoiden , som tar hänsyn till gravitationskraften som utövas av jorden samt centrifugalkraften på grund av rotation. Tänk nu på effekten av massiva yttre kroppar som månen och solen. Dessa kroppar har starka gravitationsfält som minskar med avståndet och gör att havets yta avviker från geoiden. De etablerar en ny havsyta i jämvikt som buktar ut mot månen på ena sidan och bort från månen på andra sidan. Jordens rotation i förhållande till denna form orsakar den dagliga tidvattencykeln. Havsytan tenderar mot denna jämviktsform, som ständigt förändras, och aldrig riktigt uppnår den. När havsytan inte är i linje med den, är det som om ytan lutar och vattnet accelererar i riktning nedför sluttningen.

Jämvikt

Jämviktstidvattnet är det idealiserade tidvattnet som antar en jordlös jord. Det skulle producera en tidvattenbukt i havet, långsträckt mot den attraherande kroppen (månen eller solen). Det inte av den vertikala dragningen närmast eller längst från kroppen, som är mycket svag; snarare orsakas det av den tangent eller "dragande" tidvattenkraften, som är starkast vid cirka 45 grader från kroppen, vilket resulterar i en horisontell tidvattenström.

Laplaces tidvattenekvationer

Havets djup är mycket mindre än deras horisontella utsträckning. Således kan svaret på tidvattenkraft modelleras med hjälp av Laplace tidvattenekvationer som innehåller följande egenskaper:

Den vertikala (eller radiella) hastigheten är försumbar, och det finns ingen vertikal skjuvning - detta är ett arkflöde.
Forceringen är endast horisontell ( tangentiell ).
Corioliseffekten uppträder som en tröghetskraft (fiktiv) som verkar lateralt mot flödesriktningen och proportionell mot hastigheten .
Ythöjdens förändringshastighet är proportionell mot den negativa divergensen av hastighet multiplicerat med djupet. När den horisontella hastigheten sträcker ut eller komprimerar havet som ett ark, tunnas eller tjocknar volymen.

Gränsförhållandena dikterar inget flöde över kustlinjen och fritt glid på botten.

Corioliseffekten (tröghetskraft) styr flöden som rör sig mot ekvatorn i väster och strömmar som rör sig bort från ekvatorn mot öster, vilket tillåter kustnära vågor. Slutligen kan en dissipationsterm läggas till som är en analog till viskositet.

Amplitud och cykeltid

Den teoretiska amplituden för oceaniska tidvatten orsakade av månen är cirka 54 centimeter (21 tum) på den högsta punkten, vilket motsvarar den amplitud som skulle uppnås om havet hade ett enhetligt djup, det inte fanns några landmassor och jorden roterade i takt med månens bana. Solen orsakar på samma sätt tidvatten, varav den teoretiska amplituden är cirka 25 centimeter (9,8 tum) (46 % av månens) med en cykeltid på 12 timmar. Vid springflod adderar de två effekterna varandra till en teoretisk nivå på 79 centimeter (31 tum), medan den teoretiska nivån vid sjövatten reduceras till 29 centimeter (11 tum). Eftersom jordens banor runt solen och månens omloppsbanor är elliptiska, ändras tidvattenamplituderna något som ett resultat av de varierande avstånden mellan jorden och solen och jorden till månen. Detta orsakar en variation i tidvattenkraften och teoretisk amplitud på cirka ±18 % för månen och ±5 % för solen. Om både solen och månen var på sina närmaste positioner och inriktade vid nymåne, skulle den teoretiska amplituden nå 93 centimeter (37 tum).

Verkliga amplituder skiljer sig avsevärt, inte bara på grund av djupvariationer och kontinentala hinder, utan också på grund av att vågutbredning över havet har en naturlig period av samma storleksordning som rotationsperioden: om det inte fanns några landmassor skulle det ta cirka 30 timmar för en ytvåg med lång våglängd att utbreda sig längs ekvatorn halvvägs runt jorden (som jämförelse har jordens litosfär en naturlig period på cirka 57 minuter). Jordens tidvatten , som höjer och sänker havets botten, och tidvattnets egen gravitationella självattraktion är både betydande och komplicerar havets reaktion på tidvattenkrafter ytterligare.

Förlust

Jordens tidvattensvängningar introducerar förlust med en genomsnittlig hastighet av cirka 3,75 terawatt . Ungefär 98 % av denna försvinnande sker genom marin tidvattenrörelse. Dissipation uppstår när tidvattenflöden i bassängskala driver mindre flöden som upplever turbulent förlust. Detta tidvattenmotstånd skapar vridmoment på månen som gradvis överför vinkelmomentum till dess omloppsbana, och en gradvis ökning av jord-månen separation. Det lika och motsatta vridmomentet på jorden minskar dess rotationshastighet på motsvarande sätt. Sålunda, över geologisk tid, drar sig månen tillbaka från jorden, med cirka 3,8 centimeter (1,5 tum)/år, vilket förlänger den jordiska dagen.

Dagslängden har ökat med cirka 2 timmar under de senaste 600 miljoner åren. Om man antar (som en grov approximation) att retardationshastigheten har varit konstant, skulle detta innebära att för 70 miljoner år sedan var daglängden i storleksordningen 1% kortare med cirka 4 dagar till per år.

Batymetri

Hamnen i Gorey, Jersey faller torr vid lågvatten.

Formen på kustlinjen och havsbotten förändrar hur tidvattnet fortplantar sig, så det finns ingen enkel generell regel som förutsäger tiden för högvatten från månens position på himlen. Kustegenskaper som undervattensbatymetri och kustlinjeform gör att individuella lägesegenskaper påverkar tidvattensprognoser; faktisk högvattentid och -höjd kan skilja sig från modellförutsägelser på grund av kustmorfologins effekter på tidvattenflödet. För en given plats är dock förhållandet mellan månhöjd och tidpunkten för hög- eller lågvatten ( måntidsintervallet ) relativt konstant och förutsägbar, liksom tiden för hög- eller lågvatten i förhållande till andra punkter på samma kust. Till exempel inträffar högvatten i Norfolk, Virginia , USA, förutsägbart ungefär två och en halv timme innan månen passerar direkt ovanför.

Landmassor och havsbassänger fungerar som barriärer mot vatten som rör sig fritt runt jordklotet, och deras olika former och storlekar påverkar storleken på tidvattenfrekvenserna. Som ett resultat varierar tidvattenmönster. Till exempel, i USA har östkusten övervägande halvdagliga tidvatten, liksom Europas Atlantkuster, medan västkusten övervägande har blandade tidvatten. Mänskliga förändringar i landskapet kan också väsentligt förändra lokala tidvatten.

Observation och förutsägelse

Timing

Samma tidvattenkraft har olika resultat beroende på många faktorer, inklusive kustorientering, kontinentalsockelmarginal, vattenförekomstens dimensioner.

Tidvattenkrafterna på grund av månen och solen genererar mycket långa vågor som färdas runt hela havet efter de stigar som visas i samtidvattendiagram . Den tidpunkt då vågens topp når en hamn ger då tiden för högvatten vid hamnen. Den tid det tar för vågen att färdas runt havet betyder också att det finns en fördröjning mellan månens faser och deras effekt på tidvattnet. Springs and neaps i Nordsjön , till exempel, ligger två dagar efter ny-/fullmånen och första/tredje kvartalsmånen. Detta kallas tidvattnets ålder .

Havsbatymetrin påverkar i hög grad tidvattnets exakta tid och höjd vid en viss kustnära punkt . Det finns några extrema fall; Bay of Fundy , på Kanadas östkust, uppges ofta ha världens högsta tidvatten på grund av dess form, batymetri och dess avstånd från kontinentalsockelkanten. Mätningar gjorda i november 1998 vid Burntcoat Head i Bay of Fundy registrerade en maximal räckvidd på 16,3 meter (53 fot) och en högsta förutspådda ytterlighet på 17 meter (56 fot). Liknande mätningar som gjordes i mars 2002 vid Leaf Basin, Ungava Bay i norra Quebec gav liknande värden (med hänsyn till mätfel), en maximal räckvidd på 16,2 meter (53 fot) och en högsta förutspådda ytterlighet på 16,8 meter (55 fot). Ungava Bay och Bay of Fundy ligger liknande avstånd från kontinentalsockelns kant, men Ungava Bay är bara fri från packis i cirka fyra månader varje år medan Fundy Bay sällan fryser.

Southampton i Storbritannien har ett dubbelt högvatten som orsakas av interaktionen mellan M ₂ och M ₄ tidvattenbeståndsdelar (Shallow water overtides of main lunar). Portland har dubbelt lågvatten av samma anledning. M ₄ tidvattnet finns längs hela Storbritanniens sydkust, men dess effekt är mest märkbar mellan Isle of Wight och Portland eftersom M ₂ tidvattnet är lägst i denna region.

Eftersom oscillationssätten i Medelhavet och Östersjön inte sammanfaller med någon betydande astronomisk forceringsperiod, är de största tidvatten nära sina smala förbindelser med Atlanten. Extremt små tidvatten förekommer också av samma anledning i Mexikanska golfen och Japanska havet . På andra håll, som längs Australiens södra kust, kan lågvatten bero på närvaron av en närliggande amhidrom .

Analys

Ett vanligt vattennivådiagram

Isaac Newtons gravitationsteori möjliggjorde först en förklaring av varför det i allmänhet fanns två tidvatten om dagen, inte ett, och gav hopp om en detaljerad förståelse av tidvattenkrafter och beteende. Även om det kan tyckas att tidvatten skulle kunna förutsägas via en tillräckligt detaljerad kunskap om momentana astronomiska krafter, bestäms det faktiska tidvattnet på en given plats av astronomiska krafter som samlats upp av vattenmassan under många dagar. Dessutom skulle korrekta resultat kräva detaljerad kunskap om formen på alla havsbassänger - deras batymetri och kustlinjeform.

Nuvarande procedur för att analysera tidvatten följer metoden för harmonisk analys som introducerades på 1860-talet av William Thomson . Den är baserad på principen att de astronomiska teorierna om solens och månens rörelser bestämmer ett stort antal komponentfrekvenser, och vid varje frekvens finns det en kraftkomponent som tenderar att producera tidvattenrörelse, men att det vid varje intressant plats på Jorden, tidvattnet svarar vid varje frekvens med en amplitud och fas som är speciell för den orten. På varje intressant plats mäts därför tidvattenhöjderna under en tidsperiod som är tillräckligt lång (vanligtvis mer än ett år i fallet med en ny hamn som inte tidigare studerats) för att göra det möjligt att särskilja responsen vid varje signifikant tidvattenalstrande frekvens genom analys och att extrahera tidvattenkonstanterna för ett tillräckligt antal av de starkaste kända komponenterna av de astronomiska tidvattenkrafterna för att möjliggöra praktisk tidvattenförutsägelse. Tidvattenhöjderna förväntas följa tidvattenkraften, med en konstant amplitud och fasfördröjning för varje komponent. Eftersom astronomiska frekvenser och faser kan beräknas med säkerhet, kan tidvattenhöjden vid andra tidpunkter sedan förutsägas när svaret på de harmoniska komponenterna i de astronomiska tidvattenalstrande krafterna har hittats.

De huvudsakliga mönstren i tidvattnet är

variationen två gånger dagligen
skillnaden mellan första och andra tidvattnet på en dag
vår-neap-cykeln
årsvariationen

Det högsta astronomiska tidvattnet är det perigean vårvatten när både solen och månen är närmast jorden.

När man konfronteras med en periodiskt varierande funktion är standardmetoden att använda Fourier-serier , en form av analys som använder sinusformade funktioner som basuppsättning , med frekvenser som är noll, en, två, tre, etc. gånger frekvensen för en viss grundläggande cykel. Dessa multipler kallas övertoner av grundfrekvensen, och processen kallas övertonsanalys . Om basuppsättningen av sinusformade funktioner passar det beteende som modelleras, behöver relativt få harmoniska termer läggas till. Banorna är nästan cirkulära, så sinusformade variationer är lämpliga för tidvatten.

För analys av tidvattenhöjder måste Fourier-seriens tillvägagångssätt i praktiken göras mer utarbetat än användningen av en enda frekvens och dess övertoner. Tidvattenmönstren sönderdelas i många sinusoider som har många grundläggande frekvenser, motsvarande (som i månteorin ) många olika kombinationer av jordens, månens rörelser och de vinklar som definierar formen och placeringen av deras banor.

För tidvatten är övertonsanalys alltså inte begränsad till övertoner av en enda frekvens. Med andra ord är harmonierna multiplar av många grundfrekvenser, inte bara av grundfrekvensen för den enklare Fourierseriemetoden. Deras representation som en Fourier-serie med endast en grundfrekvens och dess (heltals)multipler skulle kräva många termer och skulle vara kraftigt begränsad i det tidsintervall för vilket den skulle vara giltig.

Studiet av tidvattenhöjd genom harmonisk analys påbörjades av Laplace, William Thomson (Lord Kelvin) och George Darwin . AT Doodson utökade sitt arbete och introducerade Doodson Number- notationen för att organisera de hundratals resulterande termerna. Detta tillvägagångssätt har varit den internationella standarden sedan dess, och komplikationerna uppstår enligt följande: den tidvattenhöjande kraften ges teoretiskt av summor av flera termer. Varje term är av formen

A_{o}\cos \,(\omega t+p)

var

$A o$ är amplituden.
$ω$ är vinkelfrekvensen, vanligtvis angiven i grader per timme motsvarande $t$ mätt i timmar.
$p$ är fasförskjutningen med avseende på det astronomiska tillståndet vid tidpunkten t = 0 .

Det finns en term för månen och en andra term för solen. Fasen $p$ för den första övertonen för måntermen kallas lunitidalintervallet eller högvattenintervallet.

Nästa förfining är att tillgodose de harmoniska termerna på grund av banornas elliptiska form. För att göra detta antas värdet på amplituden inte vara en konstant, utan varierande med tiden, omkring $medelamplituden Ao$ . För att göra det, ersätt $A o$ i ovanstående ekvation med $A (t)$ där $A$ är en annan sinusform, liknande cyklerna och epicyklerna i den ptolemaiska teorin . Detta ger:

A(t)=A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos \,( \omega _{a}t+p_{a}){\bigr )}

det vill säga ett medelvärde $A o$ med en sinusformad variation kring sig av storleken $A a$ , med frekvensen $ω a$ och $fas pa$ . Att ersätta detta med $A o$ i den ursprungliga ekvationen ger en produkt av två cosinusfaktorer:

A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos \,(\omega _ {a}t+p_{a}){\bigr )}\cos \,(\omega t+p)

Med tanke på att för alla $x$ och $y$

\cos x\cos y={\textstyle {\frac {1}{2}}}\cos \,(x+y)+{\textstyle {\frac {1}{2}}}\cos \,(xy)

det är tydligt att en sammansatt term som involverar produkten av två cosinustermer var och en med sin egen frekvens är detsamma som tre enkla cosinustermer som ska adderas vid den ursprungliga frekvensen och även vid frekvenser som är summan och skillnaden av de två frekvenserna av produkttermen. (Tre, inte två termer, eftersom hela uttrycket är $(1+\cos x)\cos y$ .) Tänk vidare på att tidvattenkraften på en plats också beror på om Månen (eller Solen) är över eller under ekvatorns plan, och att dessa attribut har sina egna perioder också omöjliga med en dag och en månad, och det är tydligt att många kombinationer blir resultatet. Med ett noggrant val av de grundläggande astronomiska frekvenserna kommenterar Doodson-numret de särskilda tilläggen och skillnaderna för att bilda frekvensen för varje enkel cosinusterm.

Tidvattenförutsägelse summerar beståndsdelar. Tidvattenskoefficienterna definieras på sidan tidvattenteorin .

Kom ihåg att astronomiska tidvatten inte inkluderar vädereffekter. Även förändringar av lokala förhållanden (sandbanksrörelse, muddring av hamnmynningar, etc.) bortom de som rådde vid mätningstillfället påverkar tidvattnets faktiska tidpunkt och magnitud. Organisationer som anger ett "högsta astronomiskt tidvatten" för någon plats kan överdriva siffran som en säkerhetsfaktor mot analytiska osäkerheter, avstånd från närmaste mätpunkt, förändringar sedan senaste observationstidpunkten, marksänkningar etc., för att undvika ansvar om ett tekniskt arbete skulle utföras bli övertränad. Särskild försiktighet krävs när man bedömer storleken på en "vädervåg" genom att subtrahera det astronomiska tidvattnet från det observerade tidvattnet.

Noggrann Fourier- dataanalys över en nittonårsperiod ( National Tidal Datum Epoch i USA) använder frekvenser som kallas tidvattensharmoniska beståndsdelar . Nitton år är att föredra eftersom jordens, månens och solens relativa positioner upprepas nästan exakt i den metoniska cykeln på 19 år, som är tillräckligt lång för att inkludera den 18,613 år långa månens nodaltidvattenbeståndsdel . Denna analys kan göras med enbart kunskapen om forceringsperioden, men utan detaljerad förståelse av den matematiska härledningen, vilket innebär att användbara tidvattentabeller har konstruerats i århundraden. De resulterande amplituderna och faserna kan sedan användas för att förutsäga förväntade tidvatten. Dessa domineras vanligtvis av beståndsdelarna nära 12 timmar (de semi-dagliga beståndsdelarna), men det finns stora beståndsdelar nära 24 timmar ( daglig ) också. Långsiktiga beståndsdelar är 14 dagar eller varannan vecka , månadsvis och halvårsvis. Halvdagliga tidvatten dominerade kusten, men vissa områden som Sydkinesiska havet och Mexikanska golfen är i första hand dagaktiva. I de semi-dagliga områdena skiljer sig de primära beståndsdelarna M ₂ (mån) och S ₂ (sol) perioder något, så att de relativa faserna, och därmed amplituden för det kombinerade tidvattnet, ändras varannan vecka (14 dagars period).

I M ₂ -diagrammet ovan skiljer sig varje kotidlinje med en timme från sina grannar, och de tjockare linjerna visar tidvatten i fas med jämvikt vid Greenwich. Linjerna roterar runt de amfidromiska punkterna moturs på norra halvklotet så att från Baja California Peninsula till Alaska och från Frankrike till Irland fortplantar sig M ₂ tidvattnet norrut. På södra halvklotet är denna riktning medurs. Å andra sidan M ₂ tidvattnet sig motsols runt Nya Zeeland, men det beror på att öarna fungerar som en damm och tillåter tidvattnet att ha olika höjder på öarnas motsatta sidor. (Tidvattnet fortplantar sig norrut på östra sidan och söderut på västkusten, enligt teorin.)

Undantaget är Cook Strait där tidvattenströmmarna periodvis länkar högt till lågvatten. Detta beror på att kotidlinjerna 180° runt amfidromerna är i motsatt fas, till exempel högvatten mittemot lågvatten i vardera änden av Cooksundet. Varje tidvattenbeståndsdel har olika mönster av amplituder, faser och amfidrompunkter, så M ₂ -mönstren kan inte användas för andra tidvattenkomponenter.

Exempel på beräkning

Graph with a single line rising and falling between 4 peaks around 3 and four valleys around −3

Tidvatten i Bridgeport, Connecticut , USA under en 50-timmarsperiod.

Graph with a single line showing tidal peaks and valleys gradually cycling between higher highs and lower highs over a 14-day period

Tidvatten i Bridgeport, Connecticut, USA under en 30-dagarsperiod.

Graph showing with a single line showing only a minimal annual tidal fluctuation

Tidvatten vid Bridgeport, Connecticut, USA under en 400-dagarsperiod.

Graph showing 6 lines with two lines for each of three cities. Nelson has two monthly spring tides, while Napier and Wellington each have one.

Tidvattenmönster i Cooksundet. Den södra delen (Nelson) har två vårvatten per månad, mot bara en på norra sidan (Wellington och Napier).

Eftersom månen rör sig i sin bana runt jorden och i samma bemärkelse som jordens rotation, måste en punkt på jorden rotera något längre för att hinna ikapp så att tiden mellan halvdagliga tidvatten inte är tolv utan 12,4206 timmar – en lite över tjugofem minuter extra. De två topparna är inte lika. De två högvatten om dagen växlar i maximala höjder: lägre hög (knappt tre fot), högre hög (drygt tre fot) och återigen lägre hög. Likaså för lågvatten.

När jorden, månen och solen är i linje (sol–jord–måne, eller sol–måne–jord) kombineras de två huvudsakliga influenserna för att producera vårvatten; när de två krafterna är mot varandra som när vinkeln Måne–Jord–Sol är nära nittio grader, blir det jämna tidvatten. När månen rör sig runt sin bana ändras den från norr om ekvatorn till söder om ekvatorn. Växlingen i högvattenhöjder blir mindre, tills de är desamma (vid måndagjämningen är månen ovanför ekvatorn), utvecklas sedan igen men med den andra polariteten, växer till en maximal skillnad och avtar sedan igen.

Nuvarande

Tidvattnets inverkan på ström eller flöde är mycket svårare att analysera, och data är mycket svårare att samla in. En tidvattenhöjd är en skalär mängd och varierar jämnt över ett brett område. Ett flöde är en vektorkvantitet , med storlek och riktning, som båda kan variera avsevärt med djup och över korta avstånd på grund av lokal batymetri. Även om en vattenkanals centrum är den mest användbara mätplatsen, protesterar sjöfarare när strömmätningsutrustning hindrar vattenvägar. Ett flöde som går uppför en krökt kanal kan ha liknande storlek, även om dess riktning varierar kontinuerligt längs kanalen. Överraskande nog är översvämningar och ebbflöden ofta inte i motsatta riktningar. Flödesriktningen bestäms av uppströmskanalens form, inte nedströmskanalens form. Likaså virvlor bildas i endast en flödesriktning.

Ändå liknar tidvattenströmsanalys med tidvattenhöjdsanalys: i det enkla fallet, vid en given plats, är översvämningsflödet mestadels i en riktning och ebbflödet i en annan riktning. Översvämningshastigheter ges positivt tecken och ebbhastigheter negativt tecken. Analysen fortsätter som om det vore tidvattenhöjder.

I mer komplexa situationer dominerar inte de huvudsakliga ebb- och översvämningarna. Istället spårar flödesriktningen och magnituden en ellips över en tidvattencykel (på en polär tomt) istället för längs ebb- och översvämningslinjerna. I det här fallet kan analysen fortsätta längs par av riktningar, med de primära och sekundära riktningarna i rät vinkel. Ett alternativ är att behandla tidvattenflödena som komplexa tal, eftersom varje värde har både en storlek och en riktning.

Tidvattenflödesinformation ses oftast på sjökort , presenterad som en tabell över flödeshastigheter och bäringar med intervaller per timme, med separata tabeller för vår och tidvatten. Tidpunkten är relativt högvatten vid någon hamn där tidvattenbeteendet är liknande i mönstret, även om det kan vara långt borta.

Precis som med förutsägelser om tidvattenhöjd, inkluderar tidvattensförutsägelser endast baserade på astronomiska faktorer inte väderförhållanden, vilket helt kan förändra resultatet.

Tidvattenflödet genom Cooksundet mellan Nya Zeelands två huvudöar är särskilt intressant, eftersom tidvattnet på var sida om sundet är nästan exakt ur fas, så att den ena sidans högvatten är samtidigt med den andras lågvatten. Starka strömmar resulterar, med nästan noll tidvattenhöjdsförändring i sundets mitt. Ändå, även om tidvattenvågen normalt flyter i en riktning i sex timmar och i motsatt riktning i sex timmar, kan en viss våg vara i åtta eller tio timmar med den omvända vågen avmattad. I särskilt bullriga väderförhållanden kan den omvända vågen övervinnas helt så att flödet fortsätter i samma riktning under tre eller flera vågperioder.

En ytterligare komplikation för Cooksundets flödesmönster är att tidvattnet på södra sidan (t.ex. vid Nelson ) följer den vanliga vår-ljuvvattencykeln varannan vecka (som finns längs den västra sidan av landet), men den norra sidans tidvattenmönster har bara en cykel per månad, som på östra sidan: Wellington och Napier .

Grafen över Cooksundets tidvatten visar separat högvatten- och lågvattenhöjd och tid, till och med november 2007; dessa är inte uppmätta värden utan är istället beräknade från tidvattenparametrar härledda från år gamla mätningar. Cook Straits sjökort ger information om tidvattenströmmar. Till exempel hänvisar januari-utgåvan 1979 för 41°13·9'S 174°29·6'E (nordväst om Cape Terawhiti ) tider till Westport medan januarinumret 2004 hänvisar till Wellington. Nära Cape Terawhiti mitt i Cooksundet är variationen i tidvattenhöjden nästan noll medan tidvattenströmmen når sitt maximum, särskilt nära den ökända Karori Rip. Bortsett från vädereffekter påverkas de faktiska strömmarna genom Cooksundet av tidvattenhöjdsskillnaderna mellan de två ändarna av sundet och som kan ses har endast en av de två springtidvatten vid den nordvästra änden av sundet nära Nelson en motsvarighet springvatten vid den sydöstra änden (Wellington), så det resulterande beteendet följer ingen av referenshamnen. ^{[ citat behövs ]}

Kraftproduktion

Tidvattenenergi kan utvinnas på två sätt: att sätta in en vattenturbin i en tidvattenström, eller bygga dammar som släpper ut/släpper in vatten genom en turbin. I det första fallet bestäms energimängden helt av timingen och tidvattenströmmens storlek. De bästa strömmarna kan dock vara otillgängliga eftersom turbinerna skulle hindra fartyg. I den andra är uppdämningsdammarna dyra att bygga, naturliga vattenkretslopp störs fullständigt, fartygsnavigering störs. Men med flera dammar kan ström genereras vid valda tidpunkter. Hittills finns det få installerade system för tidvattenkraftgenerering (mest känt, La Rance i Saint Malo , Frankrike) som står inför många svårigheter. Bortsett från miljöfrågor innebär det tekniska utmaningar att helt enkelt motstå korrosion och biologisk nedsmutsning.

Förespråkare av tidvattenkraft påpekar att, till skillnad från vindkraftssystem, kan produktionsnivåer på ett tillförlitligt sätt förutsägas, med undantag för vädereffekter. Även om viss generation är möjlig under större delen av tidvattencykeln, tappar turbiner i praktiken effektivitet vid lägre driftshastigheter. Eftersom den tillgängliga effekten från ett flöde är proportionell mot kuben av flödeshastigheten, är de tider under vilka hög effektgenerering är möjlig kort.

Navigering

Civil och maritim användning av tidvattendata i USA

Tidvattenflöden är viktiga för navigeringen, och betydande positionsfel uppstår om de inte tillgodoses. Tidvattenhöjder är också viktiga; till exempel har många floder och hamnar en grund "bar" vid ingången som förhindrar båtar med betydande djupgående från att komma in vid lågvatten.

Fram till tillkomsten av automatiserad navigering var kompetens i att beräkna tidvatteneffekter viktig för sjöofficerare. Examensbeviset för löjtnanter i Royal Navy förklarade en gång att den blivande officeren kunde "skifta sina tidvatten".

Tidvattenflödestider och hastigheter visas i tidvattendiagram eller en tidvattenströmsatlas . Tidvattendiagram kommer i set. Varje diagram täcker en timme mellan ett högvatten och ett annat (de ignorerar de överblivna 24 minuterna) och visar det genomsnittliga tidvattenflödet för den timmen. En pil på tidvattensdiagrammet indikerar riktningen och den genomsnittliga flödeshastigheten (vanligtvis i knop ) för vår och tidvatten. Om ett tidvattensdiagram inte är tillgängligt, har de flesta sjökort " tidvattensdiamanter " som relaterar specifika punkter på sjökortet till en tabell som ger tidvattenflödesriktning och hastighet.

Standardproceduren för att motverka tidvatteneffekter på navigering är att (1) beräkna en " död räkning " position (eller DR) från färdavstånd och riktning, (2) markera sjökortet (med ett vertikalt kors som ett plustecken) och (3 ) dra en linje från DR i tidvattnets riktning. Avståndet tidvattnet flyttar båten längs denna linje beräknas av tidvattenhastigheten, och detta ger en "uppskattad position" eller EP (traditionellt markerad med en prick i en triangel).

Tidvattenindikator, Delaware River, Delaware c. 1897. Vid den tidpunkt som visas i figuren är tidvattnet 1 1 ⁄ 4 fot över medellågt vatten och faller fortfarande, vilket indikeras av pilen. Indikatorn drivs av ett system med remskivor, kablar och en flottör. (Rapport från föreståndaren för kusten och geodetisk undersökning som visar arbetets framsteg under det räkenskapsår som slutade med juni 1897 (sid. 483))

Sjökort visar vattnets "kartlade djup" på specifika platser med " sonderingar " och användningen av batymetriska konturlinjer för att avbilda den nedsänkta ytans form. Dessa djup är relativa till ett " kortdatum ", som vanligtvis är vattennivån vid lägsta möjliga astronomiska tidvatten (även om andra datum är vanliga, särskilt historiskt, och tidvatten kan vara lägre eller högre av meteorologiska skäl) och är därför det lägsta möjligt vattendjup under tidvattencykeln. "Torkhöjder" kan också visas på sjökortet, som är höjderna på den exponerade havsbottnen vid det lägsta astronomiska tidvattnet.

Tidvattentabeller visar varje dags höga och låga vattenhöjder och tider. För att beräkna det faktiska vattendjupet, lägg till det kartlagda djupet till den publicerade tidvattenhöjden. Djup för andra tider kan härledas från tidvattenkurvor publicerade för större hamnar. Regeln om tolftedelar kan räcka om en korrekt kurva inte är tillgänglig. Denna approximation förutsätter att ökningen av djupet under de sex timmarna mellan låg- och högvatten är: första timmen — 1/12, andra — 2/12, tredje — 3/12, fjärde — 3/12, femte — 2/12, sjätte — 1/12.

Biologiska aspekter

Intertidal ekologi

$Photo of partially submerged rock showing horizontal bands of different color and texture, where each band represents a different fraction of time spent submerged.$

En sten, sedd vid lågvatten, uppvisar typisk tidvattenzonering.

Tidvattenekologi är studiet av ekosystem mellan låg- och högvattenlinjerna längs en strand. Vid lågvatten är tidvattenzonen exponerad (eller nedsänkt ), medan den vid högvatten är under vatten (eller nedsänkt ). Tidvattenekologer studerar därför interaktionerna mellan tidvattenorganismer och deras miljö, såväl som mellan de olika arterna . De viktigaste interaktionerna kan variera beroende på typen av tidvattensamhälle. De bredaste klassificeringarna baseras på substrat - stenig strand eller mjuk botten.

Tidvattenorganismer upplever en mycket varierande och ofta fientlig miljö och har anpassat sig för att klara av och till och med utnyttja dessa förhållanden. En lätt synlig funktion är vertikal zonering , där samhället delar sig i distinkta horisontella band av specifika arter på varje höjd ovanför lågvatten. En arts förmåga att klara uttorkning bestämmer dess övre gräns, medan konkurrens med andra arter sätter dess nedre gräns.

Människor använder tidvattenregioner för mat och rekreation. Överexploatering kan skada intertidals direkt. Andra antropogena åtgärder som att introducera invasiva arter och klimatförändringar har stora negativa effekter. Marina skyddade områden är ett alternativ som samhällen kan ansöka om för att skydda dessa områden och stödja vetenskaplig forskning .

Biologiska rytmer

Tidvattencykeln på cirka 12 timmar och varannan vecka har stora effekter på tidvatten- och marina organismer. Därför tenderar deras biologiska rytmer att inträffa i grova multiplar av dessa perioder. Många andra djur som ryggradsdjuren visar liknande circatidala rytmer. Exempel är dräktighet och kläckning av ägg. Hos människor menstruationscykeln ungefär en månmånad , en jämn multipel av tidvattenperioden. Sådana paralleller antyder åtminstone den gemensamma härkomsten för alla djur från en marin förfader.

Andra tidvatten

När oscillerande tidvattenströmmar i det skiktade havet strömmar över ojämn bottentopografi genererar de interna vågor med tidvattenfrekvenser. Sådana vågor kallas interna tidvatten .

Grunda områden i annars öppet vatten kan uppleva roterande tidvattenströmmar, flytande i riktningar som ständigt förändras och därmed fullbordar flödesriktningen (inte flödet) en full rotation på 12 + 1 ⁄ 2 timmar (till exempel Nantucket Shoals ).

Förutom oceaniska tidvatten kan stora sjöar uppleva små tidvatten och till och med planeter kan uppleva atmosfäriska tidvatten och jordvatten . Dessa är kontinuummekaniska fenomen. De två första sker i vätskor . Den tredje påverkar jordens tunna fasta skorpa som omger dess halvflytande inre (med olika modifieringar).

Sjö tidvatten

Stora sjöar som Superior och Erie kan uppleva tidvatten på 1 till 4 cm (0,39 till 1,6 tum), men dessa kan maskeras av meteorologiskt inducerade fenomen som seiche . Tidvattnet i Lake Michigan beskrivs som 1,3 till 3,8 cm (0,5 till 1,5 tum) eller 4,4 cm ( 1 + 3 ⁄ 4 tum). Detta är så litet att andra större effekter helt döljer varje tidvatten, och som sådana anses dessa sjöar vara icke-tidvatten.

Atmosfäriska tidvatten

Atmosfäriskt tidvatten är försumbart på marknivå och flyghöjder, maskerat av vädrets mycket viktigare effekter. Atmosfäriska tidvatten har både gravitation och termisk ursprung och är den dominerande dynamiken från cirka 80 till 120 kilometer (50 till 75 mi), över vilken molekyldensiteten blir för låg för att stödja vätskebeteende.

Jordens tidvatten

Jordvatten eller terrestra tidvatten påverkar hela jordens massa, som fungerar på samma sätt som ett flytande gyroskop med en mycket tunn skorpa. Jordskorpan skiftar (in/ut, öst/väst, nord/syd) som svar på månens och solgravitationen, havsvatten och atmosfärisk belastning. Även om det är försumbart för de flesta mänskliga aktiviteter, kan terrestra tidvattens halvdagliga amplitud nå cirka 55 centimeter (22 tum) vid ekvatorn – 15 centimeter (5,9 tum) på grund av solen – vilket är viktigt vid GPS-kalibrering och VLBI - mätningar . Exakta astronomiska vinkelmätningar kräver kunskap om jordens rotationshastighet och polära rörelser , som båda påverkas av jordens tidvatten. De halvdagliga M ₂ jordens tidvatten är nästan i fas med månen med en fördröjning på cirka två timmar. ^{[ citat behövs ]}

Galaktiska tidvatten

Galaktiska tidvatten är de tidvattenkrafter som utövas av galaxer på stjärnor inom dem och satellitgalaxer som kretsar kring dem. Det galaktiska tidvattnets effekter på solsystemets Oort-moln tros orsaka 90 procent av långperiodiska kometer.

Felaktiga benämningar

Tsunamis , de stora vågorna som uppstår efter jordbävningar, kallas ibland tidvattenvågor , men detta namn ges av deras likhet med tidvattnet, snarare än något orsakssamband till tidvattnet. Andra fenomen som inte är relaterade till tidvatten men som använder ordet tidvatten är rivvatten , stormflod , orkanvatten och svarta eller röda tidvatten . Många av dessa användningar är historiska och hänvisar till den tidigare betydelsen av tidvatten som "en del av tiden, en årstid" och "en bäck, ström eller översvämning".

Se även

Vattenbruk – Odling av vattenlevande organismer
Clairauts teorem – Teorem om gravitation
Kusterosion – Förskjutning av mark längs kusten
Etablering av en hamn
Tidvattenhuvud , även känd som tidvattenräckvidd eller tidvattengräns – Längst bort uppströms där en flod påverkas av tidvattensvängningar
Hough-funktion – Egenfunktioner hos Laplaces tidvattenekvationer som styr vätskerörelser på en roterande sfär
King Tide – Ett särskilt högt vårvatten
Lunar Laser Ranging experiment – Mätning av avståndet mellan jorden och månen med laserljus
Månfas – Formen på månens direkt solbelysta del sett från jorden
Upphöjd strand , även känd som marin terrass – Emergent kustlandskap
Genomsnittlig högvattenkälla – Vattennivån från vilken djupen som visas på ett sjökort mäts
Genomsnittlig lågvattenkälla – vattennivå från vilken djup som visas på ett sjökort mäts
Månens bana – Månens krets runt jorden
Primitiva ekvationer – Ekvationer för att uppskatta globalt atmosfäriskt flöde
Tidal island – Ö tillgänglig till fots vid lågvatten
Tidvattenlåsning – Situation där ett astronomiskt objekts omloppsperiod matchar dess rotationsperiod
Tidvattenprisma – Volym vatten i en mynning eller inlopp mellan medelhögvatten och medellågvatten
Tidvattenresonans – Förbättrad tidvatten på grund av havsresonans
Tidvattenflod – Flod där flöde och nivå påverkas av tidvatten
Tidvattenutlösande av jordbävningar – Idé att tidvattenkrafter kan inducera seismicitet
Tidvattenbassäng – Stenig pool på en strand, skild från havet vid lågvatten, fylld med havsvatten
Tideline – Där två havsströmmar konvergerar
Tidvatten i marginalhav – Dynamik för flodvågsdeformation i de grunda vattnen i marginalhaven

Anteckningar

Vidare läsning

150 år av tidvatten på västkusten: Den längsta serien av tidvattenobservationer i Amerika NOAA (2004).
Eugene I. Butikov: En dynamisk bild av havets tidvatten
Tidvatten och centrifugalkraft : Varför centrifugalkraften inte förklarar tidvattnets motsatta lob (med fina animationer).
O. Toledano et al. (2008): Tidvatten i asynkrona binära system
Gaylord Johnson "How Moon and Sun Generate the Tides" Popular Science , april 1934

Simon, Bernard (2013) [2007]. Kustvatten . Översatt av Manley, David. Institut océanographique, Fondation Albert Ier, Prince de Monaco . ISBN 978-2-903581-83-1 . Arkiverad från originalet 2022-11-13 . Hämtad 2021-10-18 .

externa länkar

Geofysik
Översikt	Skissera Geofysiker
Underfält	Geodynamik Geofysisk undersökning Geomagnetism Geomamatik Geofysisk vätskedynamik Mineralfysik Geofysik nära ytan Paleomagnetism Seismologi Tektonofysik
Fysiska fenomen	Chandler vinglar Coriolis effekt Jordens energibudget Jordens magnetfält Geodynamo Geotermisk gradient Jordens gravitation Mantelkonvektion Precession av dagjämningarna Seismisk våg Tidvatten
Relaterade discipliner	Geodesi
Geofysikportal Kategori Commons

Fysisk oceanografi
Vågor	Luftig vågteori Ballantinvåg Benjamin–Feir instabilitet Boussinesq uppskattning Brytande våg Clapotis Knoidal våg Korsa havet Dispersion Kantvåg Ekvatorialvågor Hämta Tyngdkraftsvåg Greens lag Infragravitetsvåg Intern våg Iribarren nummer Kelvin vinkar Kinematisk våg Långstranddrift Lukas variationsprincip Mild lutning ekvation Strålningsstress Rogue våg Rossby vinka Rossby-gravitationsvågor Havsstat Seiche Betydande våghöjd Soliton Stokes gränsskikt Stokes driver Stokes vinkar Svälla Trochoidal våg Tsunami megatsunami Understräcka Ursell nummer Vågverkan Vågbas Våghöjd Våg-olinjäritet Vågkraft Vågradar Våguppsättning Vågstim Vågturbulens Interaktion mellan vågor och ström Vågor och grunt vatten endimensionella Saint-Venant-ekvationer grunt vatten ekvationer Vindvågsmodell _
Omlopp	Atmosfärisk cirkulation Baroklinitet Gränsström Coriolis kraft Coriolis–Stokes kraft Craik–Leibovich virvelkraft Downwelling Virvel Ekman lager Ekman spiral Ekman transport El Niño–södra oscillation Allmän cirkulationsmodell Studie av geokemiska havssektioner Geostrofisk ström Global Ocean Data Analysis Project Golfströmmen Halotermisk cirkulation Humboldtström Hydrotermisk cirkulation Langmuir cirkulation Långstranddrift Slingström Modulär havsmodell havsström Havets dynamik Ocean dynamisk termostat Ocean gyre Princeton ocean modell Ripström Underjordiska strömmar Sverdrup balans Termohalincirkulationsavstängning _ Uppvällande Vindgenererad ström Bubbelpool World Ocean Circulation Experiment
Tidvatten	Amfidromisk punkt Jordens tidvatten Huvud av tidvattnet Inre tidvatten Lunitida intervall Perigean springflod Rip tidvattnet Regel om tolftedelar Slapp vatten Tidvattenborrning Tidvattenkraft Tidvattenkraft Tidvattenlopp Tidvattenområde Tidvattenresonans Tidvattenmätare Tideline Teori om tidvatten
Landformer	Abyssal fan Abyssal slätt Atoll Batymetriskt diagram Kustgeografi Kall sipp Kontinental marginal Kontinental uppgång Kontinentalhylla Konturit Guyot Sjömätning Knoll Oceanic bassäng Oceanisk platå Oceanisk dike Passiv marginal Havsbotten Seamount Ubåtskanjon Ubåtsvulkan
Platttektonik _	Konvergent gräns Divergent gräns Frakturzon Hydrotermisk ventil Marin geologi Midhavsås Mohorovičić diskontinuitet Vine–Matthews–Morleys hypotes Oceanisk skorpa Yttergraven sväller Ridge push Havsbottenspridning Plåtdrag Plattsug Platta fönster Subduktion Transformeringsfel Vulkanbåge
Havszoner	Benthic Djupt havsvatten Djupt hav Kust Mesopelagisk Oceanic Pelagisk Fotografisk Surfa Swash
Havsnivå	Djuphavsbedömning och rapportering av tsunamis Framtida havsnivå Globalt havsnivåobservationssystem North West Shelf Operations Oceanographic System Havsnivåkurva Havsnivåhöjning World Geodetic System
Akustik	Djupt spridande lager Hydroakustik Ocean akustisk tomografi Sofar bomb SOFAR kanal Undervattensakustik
Satelliter	Jason-1 Jason-2 (Ocean Surface Topography Mission) Jason-3
Relaterad	Försurning Argo Bentisk lander Färg på vatten DSV Alvin Marginalt hav Marin energi Havsföroreningar Förtöjning National Oceanographic Data Center Hav Utforskningar Observationer Omanalys Havsyttopografi Havstemperatur Ocean termisk energiomvandling Oceanografi Översikt över oceanografi Pelagiskt sediment Havsytans mikroskikt Havsytans temperatur Havsvatten Vetenskap på en sfär Stratifiering Termoklin Undervattensglidare Vattenpelare World Ocean Atlas
Oceans portal Kategori Commons