7. fejezet - A tengeri árapály jelenség (a „tengerjárás”)

Tartalom

7.1. Az árapály jelenségtana
7.2. Az árapály jelenség elméleti (dinamikai) leírása

7.1. Az árapály jelenségtana

Az árapály jelenség – szép régi magyar szóval a tengerjárás – nagyon fontos szerepet játszott az elmúlt évezredekben mind az emberiség mindennapi életében (hajózás, kereskedelem), mind pedig a tudománytörténetben. Az előbbiről tanúskodnak pl. az alábbi angol mondások, kifejezések: „Time and tide wait for no one.” (Az idő és a dagály senki miatt nem vár.), vagy „the ebb and flow of events” (kb. a történelem, vagy az események árapálya). Közismert, hogy ezen kvázi-periodikus jelenség okozója a Nap és a Hold együttes tömegvonzása a forgó Földön elhelyezkedő világóceán folyékony, tehát tetszőleges alakváltozásra képes víztömegére. Az árapály jelenségnek számos fontos hatása van a világóceánra:

  • A tengerjárás az óceán sok részén, elsősorban a partvidékeken erős áramlásokat okoz. Ezek sebessége a partoknál elérheti az 5 m/s-ot is (ez tengeráramlások esetében igen nagy érték), felkavarva ez által a parti vizeket és akadályozva a halászatot, a hajózást, valamint más tengeri tevékenységeket.

  • Az árapály keltette áramlások belső, víz alatti hullámokat hoznak létre a tengerfenék domborzati egyenlőtlenségein, mint pl. a tenger alatti hegyek, a kontinentális lejtők, vagy az óceánközépi hátságok. Ezekben a hullámokban az elsődleges árapály hullám energiája disszipálódik, s az így létrejött turbulencia állandó mozgásban, átkeveredésben tartja a világóceánt.

  • Az árapály erők segítik a mélységi cirkulációt (MOC), ezáltal befolyásolják az éghajlatot és annak változásait.

  • Az árapály erők és az általuk keltett áramlások a tengerfenéken lerakódott üledéket is felemelik, állandóan mozgatják, szállítják. A szárazföldeken fellépő szélerózióhoz hasonlóan az óceánfenéken árapály erózióról beszélhetünk.

  • Mivel a földkéreg rugalmas tektonikus lemezekből áll, ez is meghajlik, egyrészt közvetlenül a Nap és a Hold okozta gravitációs anomália hatására, másrészt az árapály hullám súlya alatt. Ennek következtében elsősorban a vékony és rugalmas óceáni lemezeken mintegy 5 cm amplitúdójú oszcilláció (azaz 10 cm-es hullám-magasságú hullám) fut végig. Ez ugyanilyen mértékben emeli, illetve süllyeszti a kontinentális lemezeket is. (Az árapály hullám azonban lassú, ezért nem érzékeljük pusztító földrengésként, a geodéziai méréseknél azonban szűrni kell ezt a „zajt”.)

  • Az óceáni dagályhullám a nagy tömegű víz tehetetlensége folytán késésben van a gravitációs tér periodikus változása mögött. A késés szögsebesség-momentum (perdület) átadást eredményez, elsősorban a Föld és a Hold között. Az árapály erők következtében a Föld tengely körüli forgása folyamatosan lassul (ezért nő a nap hossza), míg a Holdé gyorsul. Ugyanakkor a Hold Föld körüli keringése is gyorsul, ami a Hold–Föld távolság fokozatos növekedését eredményezi. Végül a Hold tengely körüli forgása – a Földdel szinkronban – szintén lassul, aminek eredményeképpen eonok óta fennáll az az állapot, hogy a Holdnak csak az egyik félgömbjét látjuk.

  • Az árapály erők befolyásolják a műholdak pályáját is. Az altimetrikus (óceánfelszín-magasság mérő) műholdak esetében ezeket a zavarokat a szükséges pontosság elérése érdekében korrigálni kell.

  • A Naprendszer bolygóin és Holdjain működő árapály erők rendkívüli jelentőségét a 21. században kezdjük csak megérteni, hiszen ekkor váltak hozzáférhetővé az első részletes űrszonda felvételek a Jupiter és a Szaturnusz holdjairól (7.1. ábra). Mai ismereteink szerint talán a leglátványosabb megnyilvánulása az árapály erőknek a Naprendszerben a Szaturnusz gyűrűinek szerkezete, melyeket a bolygó és mintegy 60 holdjának kölcsönhatásai alakítottak ki. Természetesen a galaktikus dinamikának is a gravitációs kölcsönhatások képezik a fő hajtóerejét, de az itt ható erőket már nem tekintjük árapály erőknek.

Az Io és a Szaturnusz képe.

7.1. ábra. Balra: a Jupiter bolygóhoz legközelebbi holdja az Io, melyet az árapály erők olyan mértékben felfűtenek, hogy felszíne állandó izzásban van. Jobbra: a Szaturnusz gyűrűi, melyeket rések választanak el. E réseket bizonyítottan a bolygó nagyobb holdjaival való árapály-kölcsönhatások hozták létre, itt ugyanis a holdak keringési idejével megegyező keringési idejű részecskék helyezkednének el, amelyeket az árapály rezonancia „lelökött” pályájukról. A legnagyobb az ún. Cassini-rés, amelyet a legközelebbi hold, az Io hatása hozott létre. (Forrás: http://burro.astr.cwru.edu/Academics/Astr221/SolarSys/Jupiter/io.html; http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/96/Saturn_eclipse_exaggerated.jpg)

Befejezve a fenti jelenségtani felsorolást, térjünk most át arra a kérdésre, hogy hogyan is okozzák a Föld körüli gravitációs tér Nap és Hold által keltett anomáliái (perturbációi) az árapály megfigyelt jelenségét (7.2. ábra) globális mértékben.

Dagály és apály váltakozása a Fundy-öbölben

7.2. ábra. Dagály és apály váltakozása a Fundy-öbölben (Forrás: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Bay_of_Fundy_High_Tide.jpg; http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/Bay_of_Fundy_Low_Tide.jpg © Samuel Wantman / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 & GFDL)

Előbb azonban adjunk egy kis tudománytörténeti áttekintést. A tengerészek és a tengerparton élő emberek már évezredek óta tudják, hogy az apály-dagály váltakozás kapcsolatban van a Hold fázisaival. Ha a Hold véletlenül egy helyben állna a Föld mellett, és a Nap hatásával nem törődnénk, minden egyszerű volna. A dagályhullám 24 órás ciklussal körbehaladna a Földön. A dolgok azonban nem ilyen egyszerűek. A Hold kering a Föld körül, s közben a Föld is forog a tengelye körül s ez rendkívül bonyolult kölcsönhatást eredményez. Ehhez hozzájárul a látszólag nagyon távol levő Nap gravitációs hatása, ami azonban a rendkívül nagy naptömeg miatt a holdi hatással szemben egyáltalán nem elhanyagolható: annak mintegy 40–45%-a. Itt a kölcsönhatást szintén a Föld forgása, valamint a Nap körüli pályájának ellipszis alakja befolyásolja (utóbbi sem elhanyagolható mértékben). Ha ezen hatások eredőjét képesek lennénk pontosan kiszámítani, akkor a dagályhullámok bekövetkezte és nagysága pontosan előrejelezhető lenne, aminek – nyilvánvalóan – nagy gyakorlati jelentősége volna.

Ezen soktest probléma egzakt megoldása azonban mind a mai napig nem ismert, csak közelítő megoldások léteznek. A pontos megoldás megtalálásán olyan nagy tudományos elmék fáradoztak, mint Galilei, Descartes, Kepler, Newton, Euler, Bernoulli, Kant, Laplace, Airy, Lord Kelvin, a fizikai oceanológus Munk, és még sokan mások. Az első elektromos számológépek közül egyesek (még az 1800-as években) a dagályok előrejelzése céljából épültek. Ferrel 1880-ban épített egy dagály-időpont előrejelző berendezést amely 19 dagályhullám összetevőt vett figyelembe, melyet aztán 1901-ben 37 hullám-összetevőre bővítettek.

Mindezen sok erőfeszítés mellett még ma is számos megválaszolatlan kérdés van. Ilyenek:

  • Milyen amplitúdójú és fázisú a dagályhullám a világóceán, elsősorban pedig a part tetszőleges pontján?

  • Mennyi a dagályhullámok fázis- és csoportsebessége (vektoriális értelemben: azaz irány és nagyság szerint) az óceánfelszín egyes pontjain?

  • Milyen a dagályhullámok alakja: egyszerű szinuszoidális hullámok, vagy több hullám szuperpozíciójaként előálló bonyolultabb alakú hullámok?

  • Hogyan disszipálódik a dagályhullámok energiája? Mennyire disszipatívak ezek a hullámok az óceán „belső” térségében (a parttól távol)?

Ezekre az egyszerű kérdésekre nem egyszerű választ adni, mivel a tengerjárás, mint fizikai jelenség a világóceán víztömegének saját gravitációja által befolyásolt, közel rezonáns frekvenciájú ingása a forgó Földön elhelyezkedő, meghatározott, de nem szabályos domborzattal (síkságok, hátságok, sziget-hegységek, árkok) rendelkező, elasztikus óceán-medencékben. Ennek ismeretében nem lehet csodálkozni azon, hogy az első pontos globális árapály térképek csak 1994-ben láttak napvilágot (LeProvost et al., 1994). A tengerpart egy bizonyos pontján jelentkező dagályok fizikai leírása és így előrejelzése is lényegesen könnyebb. Ehhez elegendő egy kellően pontos vízszintmérő, valamint az adott pontban fellépő dagály-erőhatások ismerete.