Tidvattenlära
Tidvattenlära
Innehåll:
När du för första gången kommer ut i Nordsjön med din båt, antagligen via Kielkanalen, märker du tidvattnets effekter. Vad är det som orsakar att havet höjer och sänker sig med denna regelbundenhet? Hur kan man förstå detta och hur kan man göra förutsägelser om tidvattnet? Ja det är några frågor som jag ska försöka besvara i detta kapitel. Tidvattenkraften orsakas av den dragningskraft som himlakropparna, främst månen och solen, utövar på Jorden. Men det är inte dragningskraften som sådan utan skillnaden i gravitation mellan en punkt på jordytans fram- resp. baksida och jordens centrum som är orsaken. För att hårdra exemplet: tänk dig att du skulle komma i närheten av ett svart hål, en punktformig massa med en enorm gravitation. Om huvudet då var närmast hålet skulle det utsättas för en kraft som var mycket större än den som dina fötter skulle erfara. Eftersom kraften från det svarta hålet på nära håll är enorm skulle du helt enkelt slitas sönder av denna tidvattenkraft! Nu är effekten av månens och solens gravitation på jorden småpotatis jämfört med den från det svarta hålets och därför känner våra arma kroppar inte några besvär av detta fenomen, dessutom har vi vant oss en smula. Men vatten är lättrörligt, även små skillnader i gravitation mellan jordens framsida, dess tyngdcentrum och baksidan orsakar en rörelse, vattnet rinner i riktning mot himlakroppen på framsidan och bort från den på baksidan.
Det senare brukar vara svårt att förstå: hur kan vattnet rinna utåt, bort från månen räknat, när dragningskraften är motsatt riktad? Jo, enligt vad jag nyss framhöll är det skillnaden i dragningskraft mellan två punkter som är orsaken. Tänk dig att tre fordon står stilla vid ett rödljus: en traktor, en Volvo och en MC som otåligt varvas upp. Volvon får representera den trygga jorden, traktorn är vattnet på baksidan och MC:n det på framsidan mot månen. När ljuset slår om ser vi som sitter i Volvon hur traktorn liksom av en oförklarlig kraft förs i riktning bakåt från oss, medan motorcykeln försvinner i fjärran åt andra hållet. Precis så är det med vattenpartiklarna också. Kraften orsakas förstås av skillnaden i acceleration. En annan förklaring (som förekommer på Internet) är att tidvattnet på Jorden orsakas en kombination av centrifugalkraft och dragningskraft. Systemet måne/jord roterar nämligen runt den gemensamma tyngdpunkten som ligger under jordytan på 1/4 jordradies djup. Då, påstår dessa "teoretiker", drar månen vattnet på båda sidorna mot sig men centrifugalkraften skjuter samtidigt ut det från jordytan. Eftersom den sistnämnda kraften är 7 gånger större på bortsidan än på sidan som vetter mot månen och månens dragningskraft är ungefär hälften därav (något större förstås på framsidan) bli resultatet en ungefär nästan lika stor bulb på de båda sidorna (7-3,5 och 1+3,5). Jag kan inte acceptera en sådan förklaring eftersom tidvattenkraften bör vara universell (man kan se dess verkan på meteorer i närheten av planeter) Den gode guden kan inte heller ha menat att reservera denna för bara systemet måne/jord (med ett barycenter under jordytan). Man behöver bara göra följande tankeexperiment för att inse felaktigheten i resonemanget: Antag att månen är helt omgiven av vatten. Detta vatten skulle då av rotationen kring detta barycenter tvingas bort i riktning från Jorden och alltså inte ge något nämnvärt tidvatten på framsidan. Samma resonemang gäller för det tidvatten på Jorden som orsakas av solen. Rotationscentrum ligger här nästan i solens medelpunkt Den matematiska härledningen av gravitationsdifferensen per kilo ger den approximativa termen GM2R/r*r*r där G är gravitationskonstanten, M är sol- eller månmassan, R jordens radie och r avståndet till himlakroppen. Sätter man i de rätta värdena fås månens tidvattenacceleration (kraft/kg) till 1,1*10-6 och solens till 5,05*10-7 riktade ut från jorden på de sidor som vetter mot och från himlakroppen. Den sista blir då 46% av den förstnämnda, vilket också stämmer med observationerna. Räknar man ut skillnaden mellan kraften per massenhet på två olika avstånd från en himlakropp finner man alltså att denna blir proportionell mot himlakroppens massa men omvänt proportionell mot avståndet till himlakroppen upphöjt till tre. Därför kommer solen, med en massa som är 30 miljoner gånger större än månens och med ett avstånd från jorden som är 400 gånger större, ändå att ge en mindre tidvattenalstrande kraft, eftersom 400x400x400 är 64 miljoner. M a o en hälften så stor kraft! Detta betyder att de gånger som sol och måne samverkar, dvs. drar åt samma håll, och som inträffar två gånger i månaden, blir den tidvattenalstrande kraften upptill tre gånger större än när de motverkar varandra. Fenomenen kallas spring och neap och är tydligt märkbara genom högre tidvatten och starkare strömmar under springtiden. Högvatten och lågvattenEftersom månen står för den största tidvattenalstrande kraften, begränsar vi oss till att beakta endast denna i fortsättningen. ”Månen vandrar sin tysta ban”, skaldade Viktor Rydberg. Men rörelsen är till största delen endast skenbar, då vi vet att det är jorden som snurrar kring sin axel — ett varv på 24 timmar. Men månen rör sig också runt jorden — ett varv på 27 dygn. Och hela systemet jord-måne rör kring sig solen — ett varv per år eller ca en grad per dygn. Sammantaget ger detta till effekt att en månad, tiden mellan två fullmånar, blir ca 30 dygn och ett måndygn, tiden mellan två meridianpassager för månen, blir 24 timmar och 50 minuter. Den sista siffran är intressant, eftersom den ger oss 12 timmar och 25 minuter mellan de tillfällen då vi har månen rakt över oss eller rakt under oss, och alltså borde erfara ett högvatten. Nu är det inte alltid så, vattnet bromsas av friktion och mellanliggande kontinenter, men det skulle vara mera sant om vatten täckte hela jorden. Siffran är dock bra att lägga på minnet eftersom den ändå stämmer i stort: mellan två på varandra följande högvatten är det i Nordeuropa 12 timmar och 25 minuter och däremellan kommer det ett lågvatten. Inte alltid mitt emellan, utan något förskjutet mot påföljande högvatten, något som kallas dagliga ojämnheter. Dessa beror bl a på att månens bana inte ligger över ekvatorn utan precis som solen bildar en vinkel, deklinationen, med ekvatorsplanet. Månens bana lutar dessutom en aning, ca 5 grader för att vara noggrann, mot ekliptikan, jordens banplan runt solen, och de ställen där månens bana skär ekliptikan roterar långsamt med en period på 18,6 år. Detta ger en maximal deklination på mellan 18 och 28 grader för månen och olika karaktär på tidvattnet under denna period. I detta avsnitt behandlas några av de statistiska begrepp du bör känna till för att kunna ta del av informationen i tidvattentabeller o. dyl. Högsta och lägsta astronomiska tidvatten En dag inträffar det bingo i tidvattenvärlden. Det sker ungefär vart nittonde år när månens deklination är som störst och både den och solen samtidigt befinner sig över ekvatorn i samma riktning, något som måste ske vid vårdagjämningen. Då är tidvattnet som högst under högvattnet och lägst under de omgivande lågvattnen. Fenomenet kallas högsta eller lägsta astronomiska tidvatten, HAT och LAT. Den som går på grund då under högvatten får skylla sig själv, loss kommer han inte utan hjälp på 19 år. Det land som ligger precis i vattenytan när tidvattnet är som lägst utgör nollnivån i engelska och franska sjökort för dessa områden: Chart Datum eller CD. (Detta är inte riktigt sant. I äldre engelska kort, sådana med famnar och fot, ligger nollnivån något högre, svarande mot genomsnittligt lägsta lågvatten.) Alla uppgifter om tidvattnets höjd anges relativt denna nollnivå. (I undantagsfall kan av meteorologiska eller andra skäl faktiskt tidvattnet understiga nivån.) Alla djup i sjökorten också, men observera att visst land sticker upp ibland och täcks av vatten ibland. Detta markeras med understrukna djupsiffror och med annan färg, grönt i engelska kort. Sådana djup ska alltså subtraheras från den aktuella tidvattenhöjden för att ge det riktiga djupet vid tillfället i fråga. I de andra fallen sker förstås en addition. MHWS, MLWS och Range Springtid ger alltså de högsta och lägsta tidvattenhöjderna. Ett medelvärde för alla springhögvatten och springlågvatten under den nämnda 19-årsperioden kallas på engelska för Mean High Water Springs resp. Mean Low Water Springs och förkortas MHWS och MLWS. Motsvarande medelvärden under niptid förkortas MHWN resp. MLWN. Skillnaden mellan högvattnets och föregående eller följande lågvattens höjd kallas Range på engelska. Mean Spring Range, MSR och Mean Neap Range, MNR är följaktligen skillnaden mellan medelvärdena ovan. På tyska heter hög- och lågvatten Hochwasser, HW resp. Niedrigwasser, NW och på franska Pleine Mer, PM resp. Basse Mer, BM. Range kallas ibland amplitud och på franska ofta för marnage. Spring och nip heter likadant på tyska, men har på franska fått de mer talande beteckningarna Vive Eau, VE och Morte Eau, ME, livligt resp. dött vatten. Jag tar upp dessa beteckningar eftersom du sannolikt förr eller senare träffar på dem om du färdas efter Europas kuster. I bilden nedan finns de flesta begreppen illustrerade.
Ebb och flod Så kallas perioderna med fallande resp. stigande tidvatten. Dessa begrepp representerar alltså ett dynamiskt skede och ska inte användas som synonymer för låg- resp. högvatten. Tidpunkten mellan de två perioderna kan ibland vara utsträckt och kallas stillvatten, slack resp. étale, men avser egentligen perioden med ingen eller ringa ström och som kan vara förskjuten i förhållande till tiderna för hög- och lågvatten. Om jorden var täckt av vatten skulle en bula av högvatten följa rotationen och vara vänd mot och från månen. Bulans höjd skulle kanske uppgå till en meter, eller så. Högre blir faktiskt inte amplituden ute på världshaven. Nu ligger emellertid flera kontinenter i vägen — vattenvågen stoppas upp och reflekteras. Den reflekterade vågen möter ett halvt dygn senare en ny tidvattenvåg och ett fenomen kallat stående vågor kan uppstå. Inte alla bassänger ger upphov till en stående våg, den s k egenfrekvensen stämmer inte med månens passage. (Stämmer den med solpassagen kan man få högvatten vid samma tid varje dygn som är fallet i södra Stilla Havet.) I Medelhavet har man därför inget nämnvärt tidvatten av denna orsak och inte heller i Östersjön som bekant. Denna stående våg kommer p g a jordens rotation att själv rotera långsamt motsols runt ett antal punkter, s k amfidrompunkter med inget tidvatten. I Nordsjön har vi tre sådana punkter som framgår av bilden på nästa sida. En annan effekt av tidvattenvågen är uppkomsten av strömmar. Vatten rinner förstås nedåt och detta ger upphov till en ström. På de stora haven med en fart av 1/2 till 1 knop, men i förträngningar och uppgrundningar ända upp till 10 knop. Strömmen blir riktad mot vågdalen, lågvattnet. När tidvattenvågen möter en uppgrundning bromsas den upp. Rörelseenergin måste ta vägen någonstans och omvandlas därför delvis till lägesenergi: vågen reser sig. Den kan därför nå stora höjder: innanför kanalöarna har man en amplitud på 11 meter, i Fundy Bay har 24 meter uppmätts. Om tidvattenvågen möter en flod kan ett fenomen kallat tidvattenbränning uppstå. Kända sådana är pororocan i Amazonflodens mynning som kan nå en höjd av 10 meter och le mascaret som under springtid kan uppgå till halvannan meter i Seine nedanför Rouen. Till Nordsjön kommer en tidvattenvåg in från Atlanten norr om Storbritannien och reflekteras så småningom mot den europeiska kusten. Vid reflektionen uppstår en stående våg med tre noder, där vattnet alltså stiger och sjunker periodiskt. Den ström som bildas i nerförsbackarna tvingas av Corioliskraften åt höger, varvid en ansamling av vatten sker efter engelska. holländska och tyska kusten. Noderna drivs också av kraften att långsamt rotera motsols runt de tre amfidrompunkterna. På bilden nedan visas högvattnet timme för timme med de heldragna linjerna och amplituden i fot med de streckade. Vi ser att den senare når en höjd av 10–12 fot efter England, men att den så småningom huvudsakligen p g a friktion avtar och endast når en höjd av 2–4 fot efter danska kusten.
Den effekt som alltså orsakas av jordens rotation och gör att strömmarna — liksom vindarna — på norra halvklotet tar av åt höger i rörelsens riktning ger också som resultat att tidvattnet på franska sidan blir högre än på den engelska sidan eftersom tidvattenvågen från Atlanten vandrar uppåt Engelska kanalen. Bilden nedan som härrör från Votre Livre de Bord visar högvattnets läge timme för timme från Brest samt amplitudens storlek. Man ser tydligt hur tidvattnets bromsas upp mellan Cotentinhalvön och England samt att amplituden är större på den franska sidan.
Races, overfalls och eddies Vid uddar och avsnörningar måste tidvattnet gå en längre väg. Hastigheten hos strömmen ökar därför och ger upphov till vad som kallas för tidvattenrace. Bekanta och fruktade sådana hittar vi i Pentland Firth, Raz de Sein, utanför Portland Bill samt mellan Alderney och Cotentinhalvön. Farten hos strömmen ökas i förträngningen norr om Skottland markant, från 2-3 knop i omgivningen ända upp till 10 knop. På baksidan av uddar bildas också ofta strömvirvlar, eddies. Kombineras avsnörningen med en uppgrundning som ofta är fallet kommer dessutom vattnet att ges en rörelse i lodrät led, brottsjöar kastas liksom upp underifrån och kan bryta över den stackare som befinner sig i vägen, ett veritabelt överfall kan man lugnt säga. På engelska sjökort varnas man för dessa overfalls med en symbol bestående av våglinjer (slå upp i Kort 1!) och du gör klokt i att undvika dessa områden. Passerar du Portland Bill bör du hålla ut några sjömil, såvida du inte är djärv nog att passera tätt intill land där en lugnvattenpassage finns. Ska du gå mellan Alderney och fastlandet, eller i Chenal du Four ochRaz de Sein utanför Bretagne ska du undvika stark medström och motsjö. Om ström möter vind blir nämligen vågorna kortare och högre och en obehaglig för att inte säga farlig sjö uppstår. På motsvarande sätt utjämnas sjön när vind och ström har samma riktning. Olika tidvattentyper I norra Europa har vi ett halvdygnstidvatten med två hög- och två lågvatten per dygn och små dagliga ojämnheter. Heldygnstidvatten har så stora dagliga ojämnheter att det låga högvattnet och det höga lågvattnet inträffar samtidigt. Detta är vanligt på flera ställen i Stilla Havet och i Mexikanska golfen och kan alltså periodvis ge endast ett högvatten och ett lågvatten per dygn. Blandat tidvatten förekommer efter den amerikanska västkusten och i södra Atlanten och är en blandning av de två förra typerna. På grunda områden som i The Solent, området mellan Isle of Wight och det engelska fastlandet, kan andra fenomen uppstå. I Southampton har man under springtid dubbla högvatten. Vattnet stiger först ganska raskt för att sedan sjunka något och sedan stiga igen. I Hook van Holland har man ibland dubbla lågvatten. Ett vulkanutbrott på havets botten kan ibland ge upphov till en tidvattenliknande våg, en tsunami, som rör sig oerhört snabbt — 400 knop har uppmätts i Stilla Havet. Vågen är inte särskilt hög och märks knappast ute på havet, men när den når grundare områden växer den och kan bli ganska hög. Den våg som bildades när vulkanen Krakatau i sundet mellan Java och Sumatra exploderade 1883 nådde en höjd av 35 meter och dränkte 36 000 människor. Vågen gick tre varv runt jorden innan den utplånades. Ändå värre skador lär ha orsakats av den 100 meter höga våg som bildades ungefär 1450 f Kr då vulkanön Santorini exploderade. Vågen nådde på kort tid Kreta och tillsammans med nedfallande aska kan den, åtminstone enligt vissa vetenskapsmän, ha varit orsaken till den minoiska kulturens sönderfall. Trots att tidvattnet i Medelhavet sällan får en amplitud över halvmetern, och man därför kan bortse helt från dess effekter, uppstår på vissa ställen starka strömmar. Messinasundet är ökänt sedan Homeros berättade om hur Scylla och Charybdis hotade att dra ner Odysseus. Orsaken är den tidsskillnad som finns mellan när högvatten inträffar norr och söder om Sicilien. I Europissundet vid Halkida (antikens Kalkis) mellan Eubea och det grekiska fastlandet kan strömmen av samma orsak — olika tider för högvattnet — uppnå ansenlig styrka. Ett fenomen som lär ha lett till att Aristoteles år 322 f Kr valde att dränka sig när han inte kunde ge någon tillfredsställande förklaring till varför strömmen på detta ställe regelbundet ändrade riktning — ett öde som alltså läsaren, efter att ha anammat ovanstående förklaring, inte längre behöver riskera att dela! |
