8.  ΠΑΛΙΡΡΟΙΕΣ

 

        8.1 Γενικά

Ως παλίρροια ορίζουμε την διαδοχική εναλλασσόμενη ανύψωση και πτώση του επιπέδου της θάλασσας σε σχέση με την ξηρά, που δημιουργείται από τη βαρυτική έλξη που ασκούν η σελήνη και ο ήλιος στη γη. Σε πολύ μικρότερο βαθμό παλίρροιες συμβαίνουν σε πολύ μεγάλες λίμνες, στην ατμόσφαιρα αλλά και στο στερεό φλοιό της γης από τις ίδιες βαρυτικές δυνάμεις.  Επιπρόσθετοι μη αστρονομικοί παράγοντες, όπως η μορφολογία των αβαθών παράκτιων περιοχών, το τοπικό βάθος του νερού στην ωκεάνια λεκάνη, καθώς και άλλες υδρογραφικές και μετεωρολογικές επιδράσεις, παίζουν σημαντικό ρόλο στο εύρος και στο χρόνο άφιξης  αλλά και το ύψος της παλίρροιας σε μια περιοχή. Σε περιοχές με μικρό παλιρροιακό εύρος όπως η Ελλάδα, οι μετεωρολογικοί παράγοντες μπορεί να έχουν διπλάσια ή τριπλάσια επίδραση από ότι η αστρονομική παλίρροια. Ένας άνεμος κάθετος στην ακτή, ένα βαρομετρικό υψηλό ή χαμηλό μπορεί να κάνουν τη στάθμη της θάλασσας στις περιοχές του Αιγαίου και του Ιονίου να μεταβληθεί περισσότερο από ένα μέτρο ενώ η αστρονομική παλίρροια δεν υπερβαίνει τα 30cm.

Η παλίρροια γίνεται αντιληπτή στον άνθρωπο, σε μια παράκτια περιοχή, σαν διαδοχική επικάλυψη και αποκάλυψη της παράκτιας ζώνης από τη θάλασσα που ονομάζονται πλημμυρίδα και άμπωτης αντίστοιχα. Στις ελληνικές θάλασσες δεν γίνεται ιδιαίτερα αντιληπτή, γιατί   το εύρος της κάθετης διακύμανσης θαλάσσιας στάθμης δεν ξεπερνά τα 0.3m. Σε περιοχές όμως όπου το εύρος είναι αρκετά μέτρα, σημαντικές εκτάσεις του θαλάσσιου πυθμένα καλύπτονται και αποκαλύπτονται από το νερό σε κάθε παλιρροιακό κύκλο. Τέτοιες περιοχές είναι οι ανατολικές ακτές της Αγγλίας στη Βόρειο θάλασσα με εύρος 7m, μερικές ακτές της βόρειας Γαλλίας, με αποκορύφωμα τον κόλπο Φάντι (Fundy) στον Καναδά όπου το παλιρροιακό εύρος φτάνει τα 15m.  Στις παράκτιες αυτές περιοχές η παλίρροια είναι το καθοριστικό φαινόμενο που δεν κυριαρχεί μόνο στη παράκτια γεωμορφολογία, στην ιζηματογένεση και στις άλλες συναφείς διεργασίες, αλλά επιδρά στον τρόπο ζωής των ανθρώπων. Η γνώση του χρόνου και του εύρους της παλίρροιας για την κάθε ημέρα, είναι απαραίτητες για τους κατοίκους των παράκτιων αυτών περιοχών για ένα μεγάλο εύρος πρακτικών προβλημάτων όπως τη ναυσιπλοΐα, τις εργασίες κατασκευής και συντήρησης  λιμενικών και γενικά παράκτιων έργων, την αλιεία, τα θαλάσσια σπόρ κλπ.

Οι άνθρωποι από πολύ παλιά παρατηρούσαν την περιοδική άνοδο και πτώση της στάθμης της θάλασσας, αλλά οι πρώτες γραπτές αναφορές για το φαινόμενο αυτό προέρχονται από τον Ηρόδοτο (450.π.Χ.). Ο Αριστοτέλης επίσης αναφέρει για τις παλίρροιες και το συσχετισμό τους με τις φάσεις της Σελήνης. Παρόλα αυτά μόνο μετά τη διατύπωση του παγκόσμιου νόμου της βαρύτητας από το Νεύτωνα (1642-1727) μπόρεσαν να δοθούν επαρκείς επιστημονικές εξηγήσεις για το φαινόμενο.

 

        8.2 Οι Αστρονομικές δυνάμεις που δημιουργούν τις παλίρροιες.

Στην επιφάνεια της γης η βαρύτητα έλκει το νερό των ωκεανών  προς το κέντρο της γης αλλά οι βαρυτικές δυνάμεις της Σελήνης και του Ήλιου ασκούν επίσης κάποια έλξη στο νερό των ωκεανών.

Οι σχετικές κινήσεις της Γης, της Σελήνης και του Ήλιου είναι σημαντικές για την κατανόηση αυτών των φαινομένων, για το λόγο αυτό θα αναφερθούμε πρώτα στο σύστημα Γης-Σελήνης και κατόπιν θα δούμε και την επίδραση του Ήλιου.

Για να εξηγήσουμε την κίνηση αυτή πρώτα πρέπει να αγνοήσουμε την περιστροφική κίνηση της Γης γύρω από τον άξονά της. Η κίνηση αυτή δε δημιουργεί παλίρροιες. Αν τώρα δούμε το σύστημα Γης-Σελήνης έξω από τη Γη  θα διαπιστώσουμε ότι τα δύο σώματα περιστρέφονται με φορά αντίθετη  των δεικτών του ωρολογίου κατά ένα σύνθετο τρόπο.Στην πράξη η Σελήνη δεν περιστρέφεται γύρω από τη Γη,  αλλά Γη και Σελήνη περιστρέφονται γύρω από έναν κοινό άξονα, ο οποίος διέρχεται από ένα κοινό κέντρο μάζας. Αυτό το κοινό κέντρο μάζας βρίσκεται επάνω στον άξονα που ενώνει τα κέντρα μάζας Γης και Σελήνης. Η θέση του όμως δεν είναι κάπου στο διάστημα, αλλά βρίσκεται μέσα στο μανδύα της Γης σε απόσταση περίπου 4700Km από το κέντρο της (Σχήματα 8.1 & 8.2).  Αυτό συμβαίνει γιατί η Σελήνη έχει το 1/82.3 της μάζας της Γης. Κατά την περιστροφή της η Σελήνη παρασύρει τη Γη σε μία κυκλική ταλάντωση γύρω από αυτό το κοινό κέντρο μάζας. Η κίνησή της μοιάζει με την κίνηση που εκτελεί η παλάμη μας αν την ακουμπήσουμε με τα δάχτυλα ανοικτά επάνω σ’ ένα τραπέζι και προσπαθήσουμε με το άκρο του αντίχειρα να ακολουθήσουμε έναν κύκλο π.χ. ακτίνας 10cm, κρατώντας το χέρι μας στην ίδια πάντοτε διεύθυνση. Τότε κάθε σημείο της παλάμης μας θα διαγράψει κυκλική κίνηση ακτίνας επίσης 10cm.

Έτσι και κάθε σημείο της Γης διαγράφει κυκλική κίνηση της ίδιας ακριβώς ακτίνας (Σχήμα 8.2). Επομένως, η φυγόκεντρος που αναπτύσσεται από την κίνηση αυτή έχει την ίδια ακριβώς τιμή σε κάθε περιοχή της Γης.

Τα δύο σώματα, Γη και Σελήνη, συγκρατούνται στο χώρο από την ισορροπία δύο δυνάμεων, της βαρυτικής έλξης, που προσπαθεί να τα κάνει να πλησιάσουν και της φυγοκέντρου δύναμης, με αντίθετη φορά, που αναπτύσσεται από την περιστροφική κίνηση γύρω από το κοινό κέντρο μάζας. Οι δυνάμεις αυτές εξισορροπούν πλήρως μόνο στα κέντρα μάζας των δύο σωμάτων (Σχήμα 8.1).  Αν τώρα θέλουμε να εξετάσουμε τι συμβαίνει αν απομακρυνθούμε από το κέντρο μάζας της Γης διαπιστώνουμε τα εξής:

 

Η φυγόκεντρος δύναμη έχει την ίδια τιμή και την ίδια διεύθυνση σε όλα τα σημεία της γης.  Τα ανύσματα είναι πάντοτε παράλληλα μεταξύ τους και έχουν το ίδιο μέτρο και την ίδια διεύθυνση και φορά, είναι δηλαδή πάντοτε αντίθετα από τη θέση της Σελήνης.

Η βαρυτική δύναμη που εξασκείται από τη Σελήνη, είναι διαφορετική σε  κάθε περιοχή της Γης, γιατί το μέγεθος της εξασκούμενης δύναμης μεταβάλλεται με την απόσταση του έλκοντος σώματος. Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα, η βαρυτική έλξη μειώνεται σύμφωνα με το τετράγωνο της απόστασης και διευθύνεται προς το κέντρο μάζας του σώματος που την προκαλεί. Έτσι εισάγεται μια παράμετρος που μεταβάλλει σημαντικά τόσο το μέτρο όσο και τη διεύθυνση των ανυσμάτων της βαρυτικής έλξης, γιατί τα ανύσματα κατευθύνονται προς το κέντρο μάζας της Σελήνης.

Οι δυνάμεις αυτές φαίνονται στο σχήμα 8.3, όπου επίσης φαίνεται και η διαφορά (συνισταμένη) που προκύπτει από τη σύνθεση της φυγόκεντρου και της ελκτικής, για κάθε θέση στην επιφάνεια της Γης.  Παρατηρούμε ότι:

Στη θέση που βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης στην τομή του άξονα Γης - Σελήνης, προς την πλευρά της Σελήνης, η βαρυτική έλξη είναι πολύ μεγαλύτερη της φυγόκεντρου. Επομένως το διανυσματικό τους άθροισμα (συνισταμένη) είναι μια δύναμη με φορά προς τη Σελήνη.  Στη θέση που βρίσκεται στον αντίποδα της προηγουμένης, η βαρυτική έλξη είναι πολύ μικρότερη από τη φυγόκεντρο (η οποία όπως είδαμε έχει την ίδια τιμή σε όλα τα σημεία της Γης). Στην περίπτωση αυτή, το διανυσματικό άθροισμα των δύο δυνάμεων, είναι μια δύναμη με φορά αντίθετη της Σελήνης.

Στο ίδιο επίσης σχήμα 8.3 φαίνεται ότι η συνισταμένη αυτή δύναμη, διευθύνεται προς το κέντρο της γης στα σημεία που βρίσκονται 90^ο ως προς τον άξονα Γης-Σελήνης και είναι παράλληλη στην επιφάνεια της γης στα σημεία που βρίσκονται 45^ο ως προς τον ίδιο άξονα.

 

        8.2.1 Οι Εφελκυστικές Δυνάμεις (Tractive Forceς)

Στην προηγούμενη παράγραφο είδαμε την κατανομή της δύναμης που προκύπτει σαν συνισταμένη της φυγόκεντρου και της ελκτικής. Στις περιοχές της γης που η δύναμη αυτή έχει τη μέγιστη τιμή της, η διεύθυνση του ανύσματός της είναι από το κέντρο της γης προς τα έξω. Τείνει δηλαδή να «σηκώσει» τα νερά των ωκεανών. Είναι όμως επαρκής να το κάνει; Η δύναμη αυτή είναι μικρότερη από το 1/(9x10⁶) της γήινης βαρύτητας, επομένως είναι τελείως ανεπαρκής να ανταγωνιστεί τη βαρύτητα και να «σηκώσει» τα νερά στους ωκεανούς.

Αν όμως αυτή τη μικρή δύναμη την αναλύσουμε σε δύο συνιστώσες τη μία κάθετη και την άλλη παράλληλη στην επιφάνεια της Γης, τότε η παράλληλη στην επιφάνεια συνιστώσα, δεν έχει να ανταγωνιστεί τη βαρύτητα και το μέτρο της είναι της ίδιας περίπου τάξης μεγέθους με τις υπόλοιπες δυνάμεις που προξενούν τα θαλάσσια ρεύματα. Έτσι γίνεται μια αποτελεσματική δύναμη ικανή να προξενήσει παλίρροιες. Η κατανομή της δύναμης αυτής στην επιφάνεια της Γης φαίνεται στο σχήμα 8.4.

Οι δυνάμεις αυτές είναι γνωστές σαν εφελκυστικές δυνάμεις (Tractive Forceς)  και τείνουν να δημιουργήσουν δύο συμμετρικά «εξογκώματα» στη γη, κατά μήκος του άξονα Γης-Σελήνης. Η παραμόρφωση που τείνει να πάρει η Γη από τις εφελκυστικές αυτές δυνάμεις φαίνεται στο σχήμα 8.5.

 

Το ίδιο ακριβώς αποτέλεσμα αλλά σε μικρότερο βαθμό (46% μικρότερο) εξασκεί και ο Ήλιος επάνω στη Γη. Παρά την τεράστια μάζα του το αποτέλεσμά είναι μικρότερο λόγω της μεγάλης απόστασης. Στο σχήμα 8.6 φαίνεται το συνδυασμένο αποτέλεσμα της Σελήνης και του Ήλιου στις διάφορες φάσεις περιστροφής.

Όταν η Γη, ο Ήλιος και η Σελήνη βρίσκονται σε ευθεία, δηλαδή σε συζυγία, τότε η δράση των δύο αυτών ουρανίων σωμάτων επάνω στη Γη ενισχύεται, με αποτέλεσμα μεγιστοποίηση του παλιρροιακού εύρους και τότε έχουμε τις παλίρροιες συζυγιών (spring tides). Ο αγγλικός όρος spring δε σημαίνει την εποχή του έτους, αλλά έχει την έννοια της εκτίναξης. Οι παλίρροιες συζυγιών συμβαίνουν κάθε πανσέληνο και κάθε νέα σελήνη.

Αντίθετα, όταν Σελήνη, Γη και Ήλος σχηματίζουν ορθή γωνία, δηλαδή βρίσκονται σε τετραγωνισμό, συμβαίνει εξασθένηση του εύρους των παλιρροιών και τότε έχουμε τις παλίρροιες τετραγωνισμών (neap tides). Ο αγγλικός όρος neap, που δεν έχει άλλη έννοια στην αγγλική γλώσσα, προέρχεται στην ουσία από την ελληνική λέξη νήπιο -μικρό-. Στην Ελλάδα όμως δεν έχει επικρατήσει σαν όρος. Ο τετραγωνισμός συμβαίνει στο πρώτο και τελευταίο τέταρτο της σελήνης.

Ο κύκλος της μεγιστοποίησης και ελαχιστοποίησης του παλιρροιακού εύρους διαρκεί όσο ο συνοδικός μήνας δηλαδή 29.53 ημέρες.

 

        8.2.2 Επίδραση της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονά της.

Ας εισαγάγουμε τώρα, αυτό που αγνοήσαμε στην αρχή του κεφαλαίου δηλαδή την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της. Η περιστροφή συμβαίνει ενώ οι εφελκυστικές δυνάμεις τείνουν να παραμορφώσουν τη Γη τόσο στον άξονα Γης-Σελήνης όσο και στον άξονα Γης-Ήλιου. Η επίδραση της Σελήνης είναι πολύ πιο έντονη γι’αυτό πρώτα θα αναφερθούμε σ’αυτήν.  Το επίπεδο περιστροφής της Γης, γύρω από τον εαυτό της, σχηματίζει γωνία 23.5^ο ως προς το επίπεδο περιφοράς της γύρω από τον Ήλιο. Είναι η αιτία που δημιουργεί τις εποχές. Το επίπεδο περιφοράς της Σελήνης γύρω από τη Γη σχηματίζει γωνία 5^ο ως προς το επίπεδο περιφοράς της Γης γύρω από τον Ήλιο. Συνεπώς το επίπεδο περιφοράς της Σελήνης σχηματίζει γωνία 28.5^ο (23.5^ο +5^ο) ως προς το επίπεδο του ισημερινού της Γης (Σχήμα 8.7).  Η γωνία αυτή δεν είναι  σταθερή αλλά μεταβάλλεται αργά στη διάρκεια του σεληνιακού μήνα και φθάνει στο μέγιστο 28.5^ο βόρεια και νότια του ισημερινού. Έτσι οι περιοχές της Γης που βρίσκονται πλησιέστερα στη Σελήνη δεν ταυτίζονται με τις περιοχές του Ισημερινού. Αυτό δημιουργεί μια κατάσταση όπου κάποιες θέσεις στην επιφάνεια της Γης διέρχονται από τις περιοχές μέγιστης παραμόρφωσης δύο φορές το ημερονύκτιο και κάποιες περιοχές μόνο μία φορά. Στην πράξη λόγω της κίνησης της Σελήνης στη διάρκεια της ημερονυκτίου δεν είναι 24 ώρες ακριβώς αλλά 24:50.

Έτσι προκύπτουν δύο παλιρροιακές ταλαντώσεις:

·Μία με περίοδο 12.4 ώρες (12:25) που ονομάζεται ημιημερήσια παλίρροια ή semidiurnal tide, με δύο μέγιστα το ημερονύκτιο.

·  Και μια άλλη με περίοδο 24.8 ώρες (24:50) που ονομάζεται ημερήσια παλίρροια ή diurnal tide, με ένα μέγιστο το ημερονύκτιο.

 

        8.2.3 Άλλες επιδράσεις αστρονομικών κινήσεων

Είναι όμως σταθερό το εύρος των παλιρροιακών παλμών στη διάρκεια του χρόνου; Η απάντηση είναι όχι. Δεν είναι μόνο ο συνοδικός μήνας της Σελήνης που προξενεί τις παλίρροιες των τετραγωνισμών και των συζυγιών. Οι κινήσεις της Γης και της Σελήνης γύρω από τον Ήλιο είναι αρκετά σύνθετες και κάθε περιοδική μεταβολή της απόστασης εισαγάγει και μια περιοδική ταλάντωση που προστίθεται στο τελικό αποτέλεσμα.

Για παράδειγμα η περιστροφή της Γης γύρω από τον Ήλιο ακολουθεί ελλειπτική τροχιά (Σχήμα 8.8). Η Γη βρίσκεται πλησιέστερα στον Ήλιο, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, του βόρειου ημισφαιρίου. Αν τώρα συμπέσει η θέση της Σελήνης να είναι τέτοια ώστε να προστίθεται το αποτέλεσμά της με του Ήλιου, τότε σε κάποιες χρονικές στιγμές, στη διάρκεια του χειμώνα (Β ημισφ.), αναμένονται πολύ ενισχυμένες παλίρροιες σε όλη τη Γη. Είναι δυνατόν, αν συμπέσουν οι καταστάσεις αυτές, με έντονες μετεωρολογικές αναταράξεις, να συμβούν πολύ μεγάλες καταστροφές σε παράκτιες περιοχές που έχουν μεγάλο παλιρροιακό εύρος.

 

Η μεγαλύτερη σε περίοδο μεταβολή που παρατηρείται είναι αυτή της απόκλισης του επιπέδου περιφοράς της σελήνης από το επίπεδο του ισημερινού. Η γωνία αυτή, όπως είδαμε προηγουμένως, μεταβάλλεται στη διάρκεια του σεληνιακού μήνα ως 28.5^ο βόρεια και νότια του ισημερινού. Στην πραγματικότητα μέγιστο αυτής της γωνίας μεταβάλλεται από 18.5^ο ως 28.5^ο σε περίοδο 18.6 ετών.  Τα 18.6 έτη είναι το ελάχιστο χρονικό διάστημα που πρέπει να υπάρχουν καταγραφές παλιρροιών σε μια περιοχή για να εξαχθούν ασφαλή στατιστικά συμπεράσματα για τα διάφορα παλιρροιακά μεγέθη. Οι κυριότερες συνιστώσες των παλιρροιακών δυνάμεων είναι στον παρακάτω Πίνακα 8.1

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 8.1

 

 

        8.3 Η δυναμική θεώρηση των παλιρροιών.

Αυτά που αναφέραμε μέχρι  στιγμής, σχετικά με τη δημιουργία των παλιρροιών προκύπτουν από γνώσεις της αστρονομίας καθώς οι κινήσεις της Γης και των πλανητών είναι πολύ καλά γνωστές. Είναι μια θεωρητική προσέγγιση  και ονομάζεται παλιρροιακή πρόγνωση από την ισορροπία δυνάμεων.

Στην πράξη όμως το νερό μέσα στις ωκεάνιες λεκάνες ταλαντώνεται κάτω από την επίδραση των παλιρροιακών δυνάμεων με σύγχρονη επίδραση της δύναμης Coriolis.  Στη Δυναμική Θεωρία αντιμετωπίζουμε τις παλίρροιες σαν παλιρροιακά κύματα και όχι σαν τάσεις παραμόρφωσης των ωκεανών. Οι περίοδοι των κυμάτων συμπίπτουν με τις περιόδους των παλιρροιακών δυνάμεων, επομένως έχουν πολύ μεγάλα μήκη κύματος. Τα παλιρροιακά κύματα καθώς δημιουργούνται από τις παλιρροιακές δυνάμεις διαδίδονται, από τα ανατολικά στα δυτικά, ώσπου να συναντήσουν το δυτικό όριο του ωκεανού. Τότε αντανακλώνται και επιστρέφουν προς τα πίσω ενώ συμβάλλουν με τα άλλα κύματα που κινούνται δυτικά. Έτσι δημιουργούνται στάσιμα κύματα (Σχήμα 8.9). Στάσιμα κύματα δημιουργούνται και σε ένα δοχείο γεμάτο με νερό αν το μετακινήσουμε πέρα-δώθε. Το νερό ταλαντώνεται εμπρός και πίσω από μια γραμμή που μένει ακίνητη και αποτελεί την κομβική γραμμή. Η περίοδος ταλάντωσης λεκάνης με μία κομβική γραμμή είναι:

           

 όπου L_b είναι το μήκος της λεκάνης από το ανατολικό ως το δυτικό όριο και h είναι το βάθος της λεκάνης. (το (gh)^0.5 είναι η ταχύτητα φάσης του κύματος). Βλέπουμε λοιπόν ότι η φυσική περίοδος ταλάντωσης μιας λεκάνης (ιδιοπερίοδος) είναι συνάρτηση του μήκους και του βάθους της.

Οι παλιρροιακές δυνά­μεις επιδρούν στο νερό συνεχώς, με μεταβαλλόμενη ένταση και διεύθυνση δηλαδή δημιουργούν μία εξανα­γκασμένη ταλάντωση. Αν τώρα η ιδιοπερίοδος της λεκάνης, που προκύπτει από τον παραπάνω μαθηματικό τύπο, συμπίπτει με κάποια από τις παλιρροιακές περιόδους 12.4h ή 24.8h  τότε θα συμβεί συντονισμός και το παλιρροιακό εύρος θα μεγιστοποιηθεί.

Η δύναμη Coriolis επιδρά στο κινούμενο παλιρροιακό κύμα και το εκτρέπει προς τα δεξιά (για το βόρειο ημισφαίριο). Έτσι καθώς το στάσιμο κύμα κατευθυνόταν προς τα δυτικά, εκτρέπεται προς τα βόρεια, ως το όριο της κλειστής λεκάνης. Με τον ίδιο τρόπο όταν το κύμα κατευθύνεται προς τα ανατολικά, εκτρέπεται προς το νότιο όριο της λεκάνης. Το αποτέλεσμα αυτής της σύνθετης κίνησης είναι το παλιρροιακό στάσιμο κύμα  αντί να ταλαντώνεται δεξιά και αριστερά της κομβικής γραμμής να περιστρέφεται γύρω από ένα σημείο το οποίο ονομάζεται αμφιδρομικό σημείο.  Με τον τρόπο αυτό η κορυφή του  παλιρροιακού κύματος περιστρέφεται με φορά αντίθετη των δεικτών του ωρολογίου στο βόρειο ημισφαίριο και συμπληρώνει μια πλήρη περιστροφή στη διάρκεια ενός ημερήσιου (24.8h) ή ημιημερήσιου κύκλου (12.4h), ανάλογα που συντονίζεται η λεκάνη. 

Ένα τέτοιο περιστρεφόμενο κύμα ονομάζεται επίσης κύμα Kelvin. Το παλιρροιακό εύρος είναι ελάχιστο στην περιοχή του αμφιδρομικού σημείου και μεγαλώνει όσο απομακρυνόμαστε.  Ο υπολογισμός των παλιρροιακών κυμάτων και η κίνησή τους κάτω από την επίδραση της δύναμης Coriolis είναι εξαιρετικά πολύπλοκος, καθώς η Coriolis μεταβάλλεται με το γεωγραφικό πλάτος και μηδενίζεται στον ισημερινό.

Η καταγραφή των παλιρροιών στον ανοικτό ωκεανό είναι αδύνατη, γιατί δεν υπάρχει σημείο αναφοράς. Την περασμένη δεκαετία το δορυφορικό σύστημα TOPEX-POSEIDON πραγματοποίησε ένα παλαιό όνειρο του ανθρώπου να έχει μία σταθερή πλατφόρμα για να κάνει μετρήσεις της στάθμης της θάλασσας. Το δορυφορικό αυτό σύστημα μετράει την απόσταση του δορυφόρου από την θάλασσα με ακρίβεια μερικών εκατοστών. Με αρκετά πολύπλοκους υπολογισμούς, στατιστική επεξεργασία και συσχέτιση με άλλα δεδομένα μπορούν πλέον να μετρηθούν η επιφάνεια του γεωειδούς, το ύψος των κυμάτων, η δυναμική τοπογραφία, αλλά και το ύψος των παλιρροιών. Με μεγάλα υπολογιστικά συστήματα έχουν γίνει μαθηματικά μοντέλα για ολόκληρη τη Γη τα οποία λαμβάνουν υπόψη στοιχεία πραγματικών μετρήσεων από το δορυφορικό σύστημα και κατορθώνουν να προσομοιάσουν τις παλιρροιακές κινήσεις για διάφορες παλιρροιακές συνιστώσες καθώς και αμφιδρομικά σημεία.

Στο σχήμα 8.10 φαίνεται η παγκόσμια κατανομή των αμφιδρομικών σημείων και του ύψους των K1 παλιρροιών και στο σχήμα 8.11 τα αντίστοιχα των Μ2 παλιρροιών. Τα παλιρροιακά κύματα, να περιστρέφονται γύρω από αμφιδρομικά σημεία.

 

        8.4 Παλίρροιες σε περιφερειακές θάλασσες και κόλπους

Αν μια παράκτια περιοχή βρίσκεται στο περιθώριο μια μεγάλης ωκεάνιας λεκάνης, δέχεται απ’ ευθείας την επίδραση των παλιρροιών οι οποίες όμως στην περίπτωση αυτή δεν έχουν πολύ μεγάλο εύρος (2-4m).

Αν όμως η παράκτια περιοχή βρίσκεται μέσα σε μια περιφερειακή θάλασσα, τότε το εύρος εξαρτάται αποκλειστικά από τις τοπικές συνθήκες. Μπορεί να γίνει μεγαλύτερο ή μικρότερο από το εύρος της ωκεάνιας παλίρροιας. Για να εξεταστούν οι ιδιαίτερες συνθήκες μιας λεκάνης πρέπει να υπολογιστεί η ιδιοπερίοδος ταλάντωσής της και ο τρόπος διάδοσης των παλιρροιακών κυμάτων. Αν για παράδειγμα  στην άκρη μιας ωκεάνιας λεκάνης βρίσκεται μια ανοικτή περιφερειακή θάλασσα, όπως η Βόρειος Θάλασσα στον ΒΑ Ατλαντικό (Σχήμα 8.12), τότε ο παλιρροιακός παλμός εισέρχεται από το ελεύθερο προς τον ωκεανό άνοιγμα και διαδίδεται σαν κύμα Kelvin.  Πολύ καλό παράδειγμα μιας σειράς κυμάτων Kelvin παρατηρούνται γύρω από τα Βρετανικά νησιά και την Ιρλανδία εξαιτίας των  μικρών αβαθών περιφερειακών θαλασσών, όπως η Βόρειος Θάλασσα, το Στενό της Μάγχης και η Ιρλανδική Θάλασσα.

Οι διαστάσεις της Βόρειας Θάλασσας είναι τέτοιες που συντονίζεται στις ημιημερήσιες παλίρροιες (semi diurnal) έχοντας τρία αμφιδρομικά σημεία. Τα παλιρροιακά κύματα εισέρχονται από τον Ατλαντικό, στα βόρεια και διαδίδονται προς νότο, κάνοντας περιστροφή με φορά αντίθετη των δεικτών του ωρολογίου γύρω από τα αμφιδρομικά σημεία. Όπως είπαμε μπορούν να θεωρηθούν σαν κύματα Kelvin.

Κάθε κύμα Kelvin όταν διαδίδεται σε μια στενόμακρη και ρηχή λεκάνη εξαναγκάζεται, λόγω της τριβής, να μετατοπίσει τα αμφιδρομικά σημεία προς τα αριστερά, ως προς την φορά που εισέρχεται η κυματική ενέργεια στη λεκάνη. (Δηλαδή αν βαδίζουνε μαζί με την φορά της ενέργειας, η μετατόπιση των αμφιδρομικών σημείων γίνεται προς τα αριστερά μας).

Οι περιοχές που βρίσκονται πλησίον των αμφιδρομικών σημείων έχουν πολύ μικρό εύρος ταλάντωσης. Στην περίπτωση της Βόρειας Θάλασσας τα αμφιδρομικά σημεία βρίσκονται πολύ κοντά στις Σκανδιναβικές ακτές οι οποίες έχουν μικρό παλιρροιακό εύρος ενώ οι ακτές των Βρετανικών νησιών παρουσιάζουν ιδιαίτερα σημαντικές παλίρροιες.  Αντίθετα, στην Ιρλανδική Θάλασσα η παλιρροιακή ενέργεια εισέρχεται από τα ΝΑ, με αποτέλεσμα να μετατοπίζεται το αμφιδρομικό σημείο του κύματος Kelvin προς την Ιρλανδία όπου υπάρχει μικρό εύρος σε αντίθεση με την Αγγλία που έχει μεγαλύτερο.

Γενικά μπορεί να θεωρηθεί ότι η κάθε παράκτια περιοχή, είτε βρίσκεται στα περιθώρια ωκεάνιας λεκάνης, είτε σε περιφερειακή θάλασσα έχει μια ιδιοπερίοδο ταλάντωσης. Ανάλογα αν αυτή η ιδιοπερίοδος πλησιάζει τις ημιημερήσιες ή τις ημερήσιες παλίρροιες τότε συντονίζεται σε μια από αυτές, ελαχιστοποιώντας το εύρος  στην άλλη. Σε περίπτωση που η ιδιοπερίοδος της περιοχής δεν ταιριάζει με καμία από τις δυο τότε προκαλούνται μικτές παλίρροιες που αποτελούν την πλειονότητα παγκοσμίως.

Για τον χαρακτηρισμό μιας παλίρροιας έχουν σημασία τα σχετικά μεγέθη των τεσσάρων κύριων συνιστωσών K1, O1, M2 και S2. Ο Defant (1958) πρότεινε τον παρακάτω τύπο, ο οποίος χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα:

Οι παλίρροιες ταξινομούνται σύμφωνα με την τιμή του αριθμού Nf ως εξής:

Nf = 0 - 0.25                            ημι-ημερήσια

Nf = 0.25 - 1.5                        μικτή με επικρατούσα την ημι-ημερήσια

Nf = 1.5 - 3.0                           μικτή με επικρατούσα την ημερήσια

Nf > 3.0                                    ημερήσια

 

Στα σχήμα 8.13α,β,γ,δ, φαίνονται παραδείγματα τεσσάρων χαρακτηριστικών τύπων παλιρροιών από διάφορα μέρη του κόσμου όπως έχουν προκύψει, με προσομοίωση, από πρόγραμμα Η/Υ.

 

 

 

         8.5 Μετρήσεις των παλιρροιών

Η μέτρηση των παλιρροιών στην ουσία ανάγεται σε καταγραφή μεταβολών της στάθμης του νερού με το χρόνο. Οι παλιρροιογράφοι είναι συσκευές ανάλογες με τους σταθμηγράφους που χρησιμοποιούνται στην  υδρογεωλογία για τη μέτρηση της στάθμης των ποταμών.

Οι συνήθεις μηχανικοί σταθμηγράφοι ή παλιρροιογράφοι είναι συσκευές που αποτελούνται από ένα σωλήνα διαμέτρου 10 ως 20 cm ο οποίος είναι βυθισμένος κατά το ήμισυ μέσα στο νερό και βρίσκεται σε υδραυλική επικοινωνία με μια μικρή δίοδο με τη θάλασσα. Η στάθμη μέσα στο σωλήνα είναι ίση με την στάθμη της θάλασσας, απαλλαγμένη όμως από τις αναταράξεις των ανεμογενών κυμάτων. Μέσα στο σωλήνα βρίσκεται ένας πλωτήρας με συρματόσχοινο και αντίβαρο, το οποίο μεταφέρει την κίνηση μηχανικά στο καταγραφικό. Εκεί η στάθμη καταγράφεται, σαν ένα ίχνος, από γραφίδα επάνω σε μια λωρίδα χαρτιού, το οποίο ξετυλίγεται από ένα κύλινδρο και τυλίγεται σε ένα άλλο με σταθερή ταχύτητα. Η κίνηση αυτή στην ουσία υλοποιεί τον άξονα του χρόνου.

Σήμερα υπάρχουν και ψηφιακοί παλιρροιογράφοι οι οποίοι βασίζονται σε δύο κυρίως αρχές:

·  Στη μέτρηση της στάθμης μέσα σε σωλήνα με υπερήχους (Σχήμα 8.14) και στην καταγραφή των μετρήσεων σε μνήμες. Η μέθοδος αυτή στην ουσία αντικαθιστά το μηχανικό μέρος της κλασικής μεθόδου.

·  Στον υπολογισμό της στάθμης με μετρήσεις της πίεσης μέσα στο νερό με ηλεκτρονικό πιεσόμετρο. Η μέθοδος αυτή έχει τη δυνατότητα να υπάρξει σε δύο τύπους:  Ο ένας τύπος μετρά την πίεση στιγμιαία, οπότε πρέπει να τοποθετηθεί μέσα σε σωλήνα, όπως η κλασική διάταξη για να εξαλειφθεί η επίδραση των κυματισμών.  Ο άλλος τύπος έχει ενσωματωμένο ηλεκτρονικό μικροεπεξεργαστή ο οποίος λαμβάνει πολλές μετρήσεις σε διάστημα μερικών λεπτών, βρίσκει τον μέσο όρο και τον αποθηκεύει στη μνήμη σαν μία αντιπροσωπευτική μέτρηση. Στην ουσία η ψηφιακή επεξεργασία αντικαθιστά την μηχανική απόσβεση των κυματισμών στο σωλήνα. Οι τελευταίου τύπου αυτοί παλιρροιογράφοι έχουν πολύ μικρό κόστος εγκατάστασης γιατί αποφεύγονται οι μηχανικές κατασκευές πάκτωσης των σωλήνων.

Στην Ελλάδα επίσημος φορέας καταγραφής των παλιρροιών είναι η Υδρογραφική Υπηρεσία του Πολεμικού Ναυτικού, η οποία διαθέτει πλήρες δίκτυο μηχανικών κυρίως παλιρροιογράφων εγκατεστημένων στα μεγάλα λιμάνια της χώρας.

Οποιοδήποτε σύστημα παλιρροιογράφου και αν χρησιμοποιηθεί πρέπει να γίνει προσεκτικά η πάκτωσή του και να ‘εξαρτηθεί’ με το τοπογραφικό δίκτυο της περιοχής. Αυτό εξασφαλίζει σταθερότητά σε βάθος χρόνου, καθώς επίσης συσχέτιση των μετρήσεων με το απόλυτο υψόμετρο των τοπογραφικών χαρτών της περιοχής.

 

       8.6 Πρακτικές περιβαλλοντικές εφαρμογές της παρακολούθησης της στάθμης της θάλασσας.

Τα τελευταία χρόνια η παγκόσμια ανησυχία για την αύξηση του φαινομένου του θερμοκηπίου και την άνοδο της στάθμης της θάλασσας έδωσε το έναυσμα για συστηματικές έρευνες διεθνώς. Σήμερα επικρατεί η άποψη ότι, τα τελευταία 100 χρόνια που υπάρχουν παρατηρήσεις από παλιρροιογράφους, η μέση στάθμη της θάλασσας ανέβηκε κατά περίπου 10 cm. Παρά του ότι αποτελεί ένα από τα πλέον δυσεπίλυτα προβλήματα παγκοσμίως, έχει γίνει αποδεκτό ότι ο ρυθμός ανόδου πρέπει να βρίσκεται κάπου μεταξύ 1mm/y και 1.75mm/y. 

Οι διαφορές προκύπτουν από το αν η εξεταζόμενη περιοχή βρίσκεται σε παθητικού τύπου ηπειρωτικό περιθώριο ή βρίσκεται σε κάποιο νησί, με υπόβαθρο ωκεάνια λιθοσφαιρική πλάκα. Οι ενδείξεις των παλιρροιογράφων που δείχνουν, όπως αναφέραμε 1mm/y, προέρχονται από σταθερά παθητικά ηπειρωτικά περιθώρια. Με τις ενδείξεις αυτές συμφωνούν και δορυφορικά δεδομένα. Έχει υπολογιστεί όμως ότι υπάρχει ισοστατική υποχώρηση των ωκεάνιων λιθοσφαιρικών πλακών λόγω του βάρους του νερού που προστίθεται. Έτσι ο πραγματικός όγκος που προστίθεται αντιστοιχεί σε αύξηση 1.75mm/y.

Τα στοιχεία αυτά είναι σε διαρκή επανεξέταση καθώς τα ενόργανα δεδομένα συνεχώς βελτιώνονται και παρατίθενται με κάθε επιφύλαξη.

Σε αυτό που συμφωνούν όλοι είναι ότι υπάρχει ένας μικρός ρυθμός ανόδου της στάθμης της θάλασσας, 1 ως 2 mm/y. Το μόνο που ακόμα είναι αβέβαιο, είναι πιο ποσοστό από αυτή την αύξηση οφείλεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, λόγω των ανθρωπογενών επιδράσεων και πιο στα συνεχιζόμενα φυσικά αίτια, λόγω της μεσοπαγετώδους εποχής που διανύουμε.

Η τάση ανόδου ήταν εξαιρετικά μεγάλη πριν από 5000 χρόνια. Δεν έχει σταματήσει τελείως σήμερα, αλλά έχει εξασθενήσει σημαντικά. Ενδεχόμενα ο ρυθμός αύξησης να ήταν μικρότερος αν δεν υπήρχαν οι ανθρωπογενείς επιδράσεις.

Η στάθμη της θάλασσας εκτός από τις παλίρροιες και τις μετεωρολογικές επιδράσεις, υπόκειται και σε περιοδικές μεταβολές πολύ μακράς περιόδου που μπορεί να έχουν ετήσιο ή υπερετήσιο χαρακτήρα. Οι μεταβολές αυτές όμως συμβαίνουν σε πολύ μεγάλη έκταση (π.χ. ολόκληρο το βόρειο ή το νότιο Αιγαίο). Σε τοπικό επίπεδο, η στατιστική επεξεργασία μακρόχρονων παρατηρήσεων και συσχετίσεων με άλλες περιοχές, αποκαλύπτει ανοδικές ή καθοδικές κινήσεις της ξηράς. Οι κινήσεις αυτές επιδρούν ταυτόχρονα με την παγκόσμια τάση ανόδου της στάθμης της θάλασσας. Σε πολύ ενεργές περιοχές όμως, όπως τα παράκτια ενεργά ηφαίστεια, είναι δυνατόν να υπάρξουν αρκετά έντονες κάθετες παραμορφώσεις του φλοιού σε σύντομο χρονικό διάστημα. Η εγκατάσταση ενός δικτύου παλιρροιογράφων αποτελεί ένα από τα συστήματα παρακολούθησης των ηφαιστείων, με σκοπό την έγκαιρη πρόγνωση του ηφαιστειακού κινδύνου. Τέτοια δίκτυα υπάρχουν από πολλές δεκαετίες στην Ιταλία για την Αίτνα και το Βεζούβιο. Τη δεκαετία του 1990 εγκαταστάθηκε στη Σαντορίνη ένα δίκτυο παλιρροιογράφων σχεδιασμένο και κατασκευασμένο στο ΑΠΘ αποτελούμενο από τέσσερις  ψηφιακούς τηλεμετρικούς παλιρροιογράφους που τοποθετήθηκαν στην καλδέρα του ηφαιστείου.  Η ταυτόχρονη μέτρηση της στάθμης στα διάφορα σημεία, μετά από επεξεργασία με κινούμενο μέσο-όρο και συσχέτιση μεταξύ τους, απαλλάσσει τις μετρήσεις από όλες τις αστρονομικές και μετεωρολογικές μεταβολές. Το τελικό αποτέλεσμα είναι να υπολογίζεται η σχετική κάθετη μετατόπιση της μιας περιοχής, ως προς την άλλη και είναι μηδενικό σε περιόδους σταθερότητας. Με το αυτόματο τηλεμετρικό και τηλεχειριζόμενο δίκτυο παλιρροιογράφων, έχει δημιουργηθεί δηλαδή ένα εργαλείο που αυτόματα, ελέγχει συστηματικά την σχετική παραμόρφωση του φλοιού από ενδεχόμενη άνοδο μάγματος.

Άλλη πρακτική εφαρμογή των παλιρροιογράφων στην Ελλάδα, είναι μελέτες ανταλλαγής νερών μεταξύ των λιμνοθαλασσών και του πελάγους. Σχεδόν σε όλες τις ελληνικές λιμνοθάλασσες είναι εγκατεστημένα φυσικά ιχθυοτροφεία, που εκμεταλλεύονται το περιβάλλον της λιμνοθάλασσας, για την ανάπτυξη και την αλιεία πολλών ειδών ψαριών. Οι λιμνοθάλασσες συνήθως επικοινωνούν με την ανοικτή θάλασσα με ένα σύστημα στενών διόδων, όπου η μόνη δύναμη που ανανεώνει τα νερά της λιμνοθάλασσας είναι η διακύμανση της στάθμης.  Γνωρίζοντας τη διακύμανση αυτή, υπολογίζεται η ποσότητα των νερών που εναλλάσσεται με το πέλαγος. Η παράμετρος αυτή μαζί με ταυτόχρονες μετρήσεις θερμοκρασίας, αλατότητας, pH, κ.τ.λ., βοηθούν στην αποτελεσματική διαχείριση της λιμνοθάλασσας. Εγκατεστημένα δίκτυα παλιρροιογράφων, τα οποία μετρούν και άλλες παραμέτρους,  υπάρχουν στις λιμνοθάλασσες Μεσολογγίου-Αιτωλικού, Αγιάσματος Καβάλας και Πορτολάγους-Βιστωνίδας. Τα δίκτυα αυτά είναι ασύρματα τηλεμετρικά και τηλεχειριζόμενα και δίνουν τη δυνατότητα στις τοπικές διευθύνσεις αλιείας, καθώς και σε επιστήμονες στο πανεπιστήμιο να μελετούν τις φυσικές διεργασίες της λιμνοθάλασσας από τα εργαστήριά τους.