المد والجزر (Tide)

يمثل المد والجزر التقلبات الدورية في مستوى سطح البحر، والتي تنتج بشكل أساسي عن قوى الجاذبية التفاضلية التي يمارسها القمر والشمس، بالتزامن مع تأثيرات القصور الذاتي الناجمة عن الميكانيكا المدارية لنظام الأرض والقمر وحركة دوران الأرض.

المد والجزر هو الارتفاع والانخفاض الدوري لمستوى سطح البحر الناتج عن قوى الجاذبية التفاضلية التي يمارسها القمر والشمس بشكل أساسي، بالإضافة إلى تأثيرات القصور الذاتي المرتبطة بالحركة المدارية لنظام الأرض والقمر ودوران الأرض.

على الرغم من أن هذه التأثيرات الفلكية تحدد إمكانات المد والجزر الأساسية، إلا أن المد والجزر التي تمت ملاحظتها تجريبيًا تخضع لتعديلات كبيرة بواسطة العناصر الأرضية، مثل التكوين المورفولوجي للمحيطات. الأحواض، والحواف القارية، وتضاريس قاع البحر، وتأثير كوريوليس، وتبديد طاقة الاحتكاك في البيئات البحرية الضحلة، والخصائص الرنانة للخطوط الساحلية.

تظهر اختلافات المد والجزر عبر فترات زمنية من ساعات إلى سنوات، متأثرة بمحددات متعددة للفاصل الطولي. وللحصول على توثيق دقيق، تقوم أجهزة قياس المد والجزر الموضوعة في مواقع ثابتة بمراقبة مستويات المياه بشكل مستمر. تتجاهل هذه الأدوات التقلبات الناجمة عن الموجات التي تقل فتراتها عن دقيقة. يتم بعد ذلك الرجوع إلى البيانات المجمعة مقابل مرجع محدد، يشار إليه عادةً بمتوسط مستوى سطح البحر.

بينما يشكل المد والجزر عادة المصدر السائد لتقلب مستوى سطح البحر على المدى القصير، فإن مستويات سطح البحر تكون أيضًا عرضة للتغيرات الناجمة عن التمدد الحراري، وإجهاد الرياح، وفوارق الضغط الجوي، والتي يمكن أن تؤدي إلى هبوب العواصف، لا سيما في المناطق البحرية الضحلة والمناطق الساحلية.

تمتد ظواهر المد والجزر إلى ما هو أبعد من البيئات المحيطية، وتظهر في أي نظام حيث يوجد مجال الجاذبية المتغير الزماني المكاني. على سبيل المثال، يتعرض الجسم الصلب للأرض لتشوهات طفيفة بسبب المد والجزر على الأرض، على الرغم من أن هذه التشوهات أقل وضوحًا من حركات المد والجزر المحيطية.

الخصائص

يُظهر المد والجزر المحيطي نمطًا دوريًا، وعادةً ما يرتفع وينخفض بشكل شبه يومي تقريبًا. تتكون دورة المد والجزر من أربع مراحل متميزة:

• يُطلق على توقف انحسار المياه، والذي يمثل حدًا أدنى محليًا، اسم المد والجزر.
• يُشار إلى الزيادة اللاحقة في مستوى سطح البحر على مدار عدة ساعات، مما يؤدي إلى إغراق منطقة المد والجزر، باسم الفيضان.
• يُشار إلى توقف صعود المياه، الذي يشير إلى الحد الأقصى المحلي، على أنه المد العالي.
• يُعرف الانخفاض اللاحق في مستوى سطح البحر على مدار عدة ساعات، مما يكشف منطقة المد والجزر، باسم الانحسار.

يتم تحديد التيارات المتذبذبة الناتجة عن قوى المد والجزر على أنها تيارات مد وجزر أو تيارات مد وجزر. تسمى اللحظة التي يتوقف فيها تيار المد والجزر المياه الراكدة أو المد الركود، وبعدها يعكس المد اتجاهه، مما يشير إلى مرحلة التحول. في حين أن المياه الراكدة تتزامن عادةً مع فترات قريبة من المياه المرتفعة والمنخفضة، تظهر بعض المواقع الجغرافية تناقضات ملحوظة بين توقيت المد الراكد وحدوث المياه المرتفعة والمنخفضة.

يتم تصنيف المد والجزر في كثير من الأحيان على أنه إما شبه نهاري، يتميز بمياه مرتفعة مرتين ومنخفضتين يوميًا، أو نهاري، ويتميز بدورة مد وجزر واحدة يوميًا. عادةً ما يُظهر ارتفاع المياه اليومي ارتفاعات غير متساوية، وهي ظاهرة تُعرف باسم عدم المساواة اليومية؛ يتم تحديدها على أنها أعلى منسوب مياه ومنخفض منسوب المياه في جداول التنبؤ بالمد والجزر. في المقابل، يتم تمييز المنخفضين اليوميين للمياه على أنهما المنخفض الأعلى والمنخفض السفلي. وهذا التفاوت اليومي ليس منتظمًا ويتضاءل عمومًا عندما يكون القمر فوق خط الاستواء.

المستويات المرجعية

يتم تحديد مستويات المد والجزر المرجعية اللاحقة، مرتبة من الأعلى إلى الأدنى:

• أعلى مد فلكي (HAT) – يمثل الحد الأقصى لارتفاع المد والجزر المتوقع. ومن المهم ملاحظة أن عوامل الأرصاد الجوية يمكن أن تزيد من ارتفاع القبعة.
• متوسط ينابيع المياه المرتفعة (MHWS) – يشير إلى متوسط ارتفاع المد والجزر المرتفعين اللذين يحدثان خلال فترات المد الربيعي.
• متوسط ارتفاعات المياه (MHWN) – يمثل متوسط ارتفاع المد والجزر المرتفعين اللذين تم ملاحظتهما أثناء فترات المد المرتفع.
• متوسط ​​مستوى سطح البحر (MSL) – يشكل متوسط ​​مستوى سطح البحر. يظل MSL ثابتًا لموقع جغرافي معين على مدار فترات زمنية ممتدة.
• متوسط فترات المد المنخفض (MLWN) – يشير إلى متوسط انخفاض المد والجزر المنخفضين اللذين يحدثان أثناء فترات المد المنخفض.
• متوسط ينابيع المياه المنخفضة (MLWS) – يدل على متوسط انخفاض المد والجزر المنخفضين اللذين لوحظا خلال فترات المد الربيعي.
• أدنى مد فلكي (LAT) – يحدد الحد الأدنى المتوقع لانخفاض المد والجزر.

تنوع النطاق: الربيع والمد والجزر المنخفضة

يُظهر النطاق شبه النهاري، الذي يمثل فرق الارتفاع بين المياه العالية والمنخفضة على مدى نصف يوم تقريبًا، تقلبًا كل أسبوعين. تقريبًا مرتين شهريًا، خلال مراحل القمر الجديد والقمر الكامل، تصطف الشمس والقمر والأرض في تكوين يسمى الاقتران. في هذا المحاذاة، تزيد قوة المد والجزر الشمسية من قوة المد والجزر القمرية، مما يؤدي إلى أقصى نطاق للمد والجزر، وهي ظاهرة تعرف باسم المد الربيعي. هذا المصطلح لا ينشأ من الموسم ولكن من المعنى الاشتقاقي لـ "القفز، أو الاندفاع، أو الارتفاع"، وهو أقرب إلى الربيع الطبيعي. المد والجزر Syzygy هو تسمية بديلة للمد والجزر الربيعي.

على العكس من ذلك، عندما يكون القمر في ربعه الأول أو الثالث، يتم وضع الشمس والقمر بزاوية 90 درجة بالنسبة للأرض، وهو التكوين المعروف باسم التربيع. خلال هذه الفترات، تتعارض قوة المد والجزر الشمسية جزئيًا مع قوة المد والجزر القمرية، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من نطاق المد والجزر. تُسمى هذه الظاهرة المد الخفيف أو المد الخفيف. كلمة "neap" مشتقة من مصطلح أنجلوسكسوني يعني "بدون قوة". المد والجزر التربيعي هو تسمية بديلة للمد والجزر الخفيف.

يتميز المد والجزر الربيعي بمياه عالية أعلى من المتوسط، ومياه منخفضة أقل من المتوسط، ومدة منخفضة من "المياه الراكدة"، وتيارات المد والجزر المكثفة. في المقابل، ينتج المد والجزر المنخفض ظروف مد وجزر أكثر اعتدالًا. ويفصل بين حدوث المد الربيعي والمد الخفيف حوالي سبعة أيام.

مكونات المد والجزر

مكونات المد والجزر التأثير التراكمي للعوامل المختلفة التي تؤثر على تقلبات المد والجزر عبر نطاقات زمنية محددة. تشمل المكونات الرئيسية دوران الأرض، والمواقع النسبية للقمر والشمس بالنسبة للأرض، وارتفاع القمر فوق خط الاستواء للأرض، وقياس الأعماق. يتم تصنيف الاختلافات ذات الفترات الأقصر من نصف يوم على أنها مكونات توافقية، بينما يتم تصنيف الدورات التي تمتد لأيام أو أشهر أو سنوات على أنها مكونات دورات طويلة.

تمارس قوى المد والجزر تأثيرًا عبر نظام الأرض بأكمله. داخل القشرة الأرضية، تُحدث هذه القوى إزاحات رأسية دورية يمكن قياسها بالسنتيمتر، وهي ظاهرة تسمى المد الأرضي. في الوقت نفسه، في الغلاف الجوي، تولد قوى الجاذبية من القمر والشمس، جنبًا إلى جنب مع التسخين الشمسي، تذبذبات عالمية النطاق في الضغط والكثافة والرياح، يشار إليها باسم المد الجوي. بينما يظهر المد والجزر على الأرض كتشوه مرن، يتم ملاحظة المد والجزر في الغلاف الجوي في الغالب كتقلبات في تدرجات الضغط وأنماط الرياح.

المكون الرئيسي شبه النهاري

أبرز مكونات المد والجزر في غالبية المواقع هو مكون القمر شبه النهاري الرئيسي، والذي يتم تحديده بدلاً من ذلك باسم مكون المد والجزر M2 أو M§56§ مكون المد والجزر. يُظهر هذا الجزء فترة تبلغ حوالي 12 ساعة و25.2 دقيقة، أي نصف يوم مد وجزر قمري بالضبط. يمثل اليوم القمري المد والجزر متوسط ​​الفاصل الزمني بين سموات القمر المتعاقبة، وهو ما يتوافق مع الوقت اللازم للأرض لإكمال دورة واحدة بالنسبة للقمر. تم تصميم ساعات المد والجزر الأساسية لمراقبة هذا المكون. يتجاوز اليوم القمري اليوم الأرضي في المدة لأن الاتجاه المداري للقمر يتماشى مع اتجاه دوران الأرض.

نظرًا لاتجاه القمر المداري حول الأرض بالتزامن مع الدوران المحوري للأرض، يلزم حوالي 24 ساعة و50 دقيقة حتى يظهر القمر مرة أخرى في نفس الموقع السماوي. خلال هذه الفترة، يمر القمر بذروة واحدة (ممر علوي) وممر واحد تحت الأقدام (يتوافق مع زاويتي الساعة 00:00 و12:00 على التوالي). وبالتالي، في العديد من المناطق، تتوافق فترة التأثير الأقصى للمد والجزر مع المدة المذكورة أعلاه والتي تبلغ حوالي 12 ساعة و25 دقيقة. من المهم أن نلاحظ أن اللحظة الدقيقة لذروة المد لا تتزامن دائمًا مع أقرب نقطة للقمر من ذروة أو نظير؛ ومع ذلك، تظل فترة التأثير هي العامل المحدد للفاصل الزمني بين ارتفاع المد والجزر.

يتضاءل مجال جاذبية القمر مع زيادة المسافة، مما يؤدي إلى قوة تفاضلية تمارس على الأرض. على وجه التحديد، تؤثر قوة أقوى قليلاً من المتوسط ​​على جانب الأرض المواجه للقمر، بينما تؤثر قوة أضعف قليلاً على الجانب المقابل. تتسبب هذه الجاذبية التفاضلية في إحداث القمر "تمددًا" طفيفًا للأرض على طول المحور الذي يربط بين الجرمين السماويين. على الرغم من أن الأرض الصلبة تتعرض لبعض التشوه، إلا أن مياه المحيطات، بسبب طبيعتها السائلة، تظهر قدرة أكبر على الحركة بشكل ملحوظ استجابة لقوة المد والجزر، وخاصة في الإزاحة الأفقية.

يؤدي دوران الأرض بشكل مستمر إلى تغيير حجم واتجاه قوى المد والجزر عند أي نقطة معينة على سطحها. على الرغم من أن المحيط لا يحقق التوازن أبدًا - مما يعني أن السائل يفتقر إلى الوقت الكافي للاستجابة الكاملة لقوة المد والجزر الثابتة - إلا أن قوى المد الديناميكية هذه تحفز تقلبات إيقاعية في ارتفاع سطح البحر.

يتم تصنيف نمط المد والجزر الذي يتميز بحدوث مدين مرتفعين ومد منخفضين بارتفاعات مختلفة خلال يوم واحد على أنه مد وجزر شبه نهاري مختلط.

المسافة القمرية

تؤثر الاختلافات في المسافة بين القمر والأرض أيضًا على سعة المد والجزر. عند الحضيض، عندما يكون القمر أقرب إلى الأرض، يتوسع نطاق المد والجزر؛ وعلى العكس من ذلك، عند الأوج، عندما يكون القمر في أبعد نقطة، يتضاءل النطاق. سنويًا، يتطابق الحضيض مع القمر الجديد أو البدر ما يقرب من ست إلى ثماني مرات، مما يؤدي إلى حدوث مد وجزر ربيعي في الحضيض، والذي يظهر أقصى نطاق المد والجزر. يعتمد فرق الارتفاع بين المد الربيعي في منطقة الحضيض والمد الربيعي الذي يحدث عند الأوج القمري على الموقع ولكنه يمكن أن يصل إلى قدم واحدة.

المكونات الأخرى

يعتبر ما يقرب من 62 مكونًا للمد والجزر كبيرة بما يكفي لإدراجها في نماذج التنبؤ بالمد والجزر البحرية. وتشمل هذه تأثيرات الجاذبية الشمسية، وميل (ميل) خط استواء الأرض ومحور الدوران، وميل المستوى المداري القمري، والمسار الإهليلجي لمدار الأرض حول الشمس.

تشتمل مكونات المياه الضحلة على المد والجزر، الذي يُعرف بأنه توافقيات أعلى لتردد المد والجزر المهيمن المفرد، والمد والجزر المركب، الذي ينشأ من التفاعلات بين المكونات القمرية والشمسية الأولية. في حين أن هذه المكونات تمتلك عمومًا سعات أصغر من إمكانات المد والجزر الأساسية، إلا أنها تقدم عدم تناسق بين مرحلتي صعود وهبوط المد والجزر داخل مصبات الأنهار وبيئات الجرف القاري.

الطور والسعة

نظرًا لانتشار مكون المد والجزر M₂ في معظم المناطق، فإن مفهوم مرحلة المد والجزر أو المرحلة، والتي يتم التعبير عنها بالوقت بالساعات التي تلي ارتفاع منسوب المياه، يثبت أنه ذو قيمة كبيرة. يمكن أيضًا قياس مرحلة المد والجزر بالدرجات، حيث تمثل 360 درجة دورة مد وجزر كاملة. تسمى الخطوط التي تربط نقاط مرحلة المد والجزر الثابتة الخطوط المدارية; وهي قابلة للمقارنة بالخطوط الكنتورية التي تشير إلى ارتفاع ثابت على الخرائط الطبوغرافية، وعند تصويرها، تشكل خريطة مدارية أو مخططًا مداريًا. ويحدث ارتفاع منسوب المياه بشكل متزامن على طول خطوط المد والجزر الممتدة من الساحل باتجاه البحر، وتتقدم مراحل المد والجزر (الممثلة بخطوط المد والجزر) على طول الساحل. يتم الرجوع إلى مكونات الطور شبه النهاري والطويل الأمد من المياه العالية، في حين يتم الرجوع إلى المكونات النهارية من الحد الأقصى لمد الفيضان. من المهم ملاحظة أن هذه المناقشة والتفسيرات اللاحقة تكون دقيقة تمامًا فقط عند النظر في مكون مدي واحد.

في حوض المحيط الذي يشبه شكلًا دائريًا محاطًا بخط ساحلي، تتلاقى الخطوط الساحلية بشكل قطري نحو الداخل، وتلتقي في النهاية في موقع فريد يعرف بالنقطة البرمائية. تتميز النقطة البرمائية بوجود مياه مرتفعة ومنخفضة بشكل متزامن، وهي حالة تتحقق بحركة المد والجزر صفر. (توجد استثناءات نادرة حيث يدور المد والجزر حول الجزر، مثل نيوزيلندا وأيسلندا ومدغشقر.) تتضاءل حركة المد والجزر عادة مع زيادة المسافة من السواحل القارية؛ وبالتالي، فإن الخطوط الكنتورية ذات السعة الثابتة (المُعرَّفة بنصف المسافة العمودية بين المياه المرتفعة والمنخفضة) تتقاطع مع الخطوط الساحلية وتتناقص إلى الصفر عند النقطة المزدوجة. بالنسبة للمد والجزر شبه النهاري، يمكن تصور نقطة متوازية كمركز لوجه الساعة، حيث يشير عقرب الساعات إلى اتجاه خط المد والجزر المرتفع للمياه، مقابل خط المد والجزر المنخفض للمياه تمامًا. تدور المياه المرتفعة حول النقطة البرمائية كل 12 ساعة، وتتحرك في اتجاه الخطوط الساحلية المتقدمة وبعيدًا عن الخطوط المتراجعة. هذا الدوران، الناجم عن تأثير كوريوليس، يكون عمومًا في اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي وعكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي. يُطلق على انحراف المرحلة الساحلية عن مرحلة المد المرجعي المحدد اسم العصر. يتم تعريف المد المرجعي على أنه مكون "توازن المد" الافتراضي على أرض لا أرض لها، ويتم قياسه عند خط الطول 0 درجة (خط الطول غرينتش).

في شمال المحيط الأطلسي، يؤدي دوران خطوط المد والجزر عكس اتجاه عقارب الساعة حول النقطة المزدوجة إلى وصول المد العالي إلى ميناء نيويورك قبل ساعة واحدة تقريبًا من ميناء نورفولك. جنوب كيب هاتيراس، أصبحت ديناميكيات المد والجزر أكثر تعقيدًا إلى حد كبير، مما يحول دون التنبؤ الموثوق به فقط بناءً على أنماط خطوط المد والجزر في شمال المحيط الأطلسي.

التاريخ

تاريخ نظرية المد والجزر

في تقاليد ما قبل العلم، غالبًا ما يُعزى الارتفاع والانخفاض الدوري للمد والجزر إلى تفسيرات أسطورية أو روحانية. على سبيل المثال، صورت النصوص الهندية وشرق آسيا البحر على أنه يتنفس أو ينبض مثل كائن حي، بينما استشهدت روايات أخرى بتأثير قوة بحرية خارقة للطبيعة.

لعبت دراسة فيزياء المد والجزر دورًا حاسمًا في المراحل الناشئة للميكانيكا السماوية. في البداية، كان يُعزى حدوث المد والجزر مرتين يوميًا إلى جاذبية القمر. بعد ذلك، ظهر تفسير أكثر دقة، يوضح بالتفصيل التفاعل بين قوى الجاذبية لكل من القمر والشمس.

حوالي عام 150 قبل الميلاد، افترض سلوقس السلوقي أن القمر هو سبب المد والجزر. كما أشار عمل بطليموس Tetrabiblos إلى تأثير القمر على الأجسام المائية.

في عام 725، أنشأ بيدي، في عمله De temporumratione (حساب الوقت)، صلة بين المد والجزر شبه النهاري وتقلبات المد والجزر. المرتفعات ومراحل القمر. ولاحظ أن المد والجزر يرتفع وينخفض ​​باستمرار بعد 4/5 ساعة كل يوم، مما يعكس تأخر صعود القمر والأوقات المحددة. وأوضح بيدي أيضًا أنه على مدى شهرين قمريين (59 يومًا)، يدور القمر حول الأرض 57 مرة، أي ما يعادل 114 مدًا. كما لاحظ أيضًا الاختلافات الشهرية في ارتفاع المد والجزر، حيث وصف المد والجزر المتزايد بأنه malinae والمد والجزر المتناقص باسم ledones. وأوضح أن الشهر مقسم إلى أربع فترات كل منها سبعة أو ثمانية أيام، وتتميز بالتناوب بين malinae وledones. وفي نفس النص، أقر بيدي بقدرة الرياح على إعاقة تدفق المد والجزر. علاوة على ذلك، قام بتوثيق الاختلافات الجغرافية في توقيت المد والجزر، مشيرًا إلى أن المد والجزر حدث في وقت مبكر شمال موقعه (مونكويرماوث) ثم في وقت لاحق إلى الجنوب. وأوضح هذه الظاهرة بقوله إن المد "يهجر هذه الشواطئ ليتمكن أكثر من إغراق [شواطئ] أخرى عندما يصل هناك"، وأن "القمر الذي يشير إلى ارتفاع المد هنا، يشير إلى تراجعه في مناطق أخرى بعيدة عن هذا الربع من السماء".

إن الفهم اللاحق للمد والجزر في العصور الوسطى مستمد إلى حد كبير من كتابات علماء الفلك المسلمين، والتي أصبحت متاحة في الترجمات اللاتينية بدءًا من القرن الثاني عشر. أبو معشر البلخي (ت. حوالي 886)، في كتابه مقدمة في علم الفلك، افترض أن القمر كان مسؤولاً عن المد والجزر والفيضانات. كما استكشف أيضًا تأثير الرياح وأطوار القمر، بالنسبة للشمس، على أنماط المد والجزر. خلال القرن الثاني عشر، قدم البتروجي (ت. حوالي 1204) النظرية القائلة بأن المد والجزر ناتج عن الدوران العام للسماء.

في أطروحته عام 1608، De spiegheling der Ebbenvloet (نظرية المد والجزر)، سيمون ستيفين دحض العديد من المفاهيم الخاطئة السائدة فيما يتعلق بالمد والجزر والفيضانات. دافع ستيفين عن مفهوم أن جاذبية القمر تسبب المد والجزر، موضحًا تعريفات واضحة للمد والجزر والفيضان والمد الربيعي والمد والجزر، مع التأكيد على ضرورة إجراء مزيد من البحث.

في عام 1609، اقترح يوهانس كيبلر أيضًا بدقة أن الجاذبية القمرية كانت سبب المد والجزر، مما أسس فرضيته على الملاحظات والارتباطات القديمة.

في عمله عام 1632، الحوار فيما يتعلق بالنظامين العالميين الرئيسيين، والذي كان عنوانه في الأصل الحوار حول المد والجزر، قام جاليليو جاليلي بدمج نظرية المد والجزر كعنصر أساسي في حجته الفيزيائية لمركزية الشمس الكوبرنيكية. وافترض أن المد والجزر ينشأ من الحركات التآزرية لدوران الأرض وثورتها. رفض جاليليو صراحة تأكيد كيبلر على تأثير القمر على البحار، واصفًا هذا الانجذاب القمري بأنه استحضار لصفات غامضة وليس سببًا مفهومًا ميكانيكيًا.

كان إسحاق نيوتن (1642–1727) رائدًا في تفسير المد والجزر، وعزاها إلى الجاذبية التي تمارسها الأجرام السماوية. استخدمت نظريته الشاملة، المفصلة في المبادئ (1687)، الجاذبية العالمية لتوضيح كيفية توليد عوامل الجذب القمرية والشمسية لقوى المد والجزر. قبل بيير سيمون لابلاس، تعامل نيوتن ومعاصروه مع هذه الظاهرة من خلال نظرية التوازن، وهي نموذج نظام ثابت يقارب سلوك المد والجزر في محيط افتراضي غير قصوري يغطي الأرض بشكل موحد. في حين أن مفهوم قوة توليد المد والجزر (أو إمكاناتها) لا يزال حاسما في نظرية المد والجزر الحديثة، فإنه يعمل الآن كوظيفة تأثير وسيطة بدلا من نتيجة نهائية. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن النظرية المعاصرة استجابة المد والجزر الديناميكية للأرض لهذه القوى المطبقة، وهي استجابة يتم تعديلها بواسطة عوامل مثل عمق المحيط، ودوران الكواكب، والمتغيرات البيئية الأخرى.

في عام 1740، أنشأت الأكاديمية الملكية للعلوم في باريس جائزة لأكثر الأطروحات النظرية إلحاحًا حول المد والجزر. مُنحت هذه الجائزة المرموقة بشكل مشترك إلى دانييل برنولي، ولينارد أويلر، وكولين ماكلورين، وأنطوان كافاليري.

طبق ماكلورين النظرية النيوتونية لإثبات أن الكرة الملساء المغطاة بالمحيط، والتي تخضع لقوة المد والجزر لجسم سماوي فريد، ستتخذ شكل جسم كروي متطاول - بيضاوي ممدود ثلاثي الأبعاد - مع محورها الرئيسي موجه نحو الجسم المضطرب. كما كان أول من وثق تأثير دوران الأرض على الحركة. حدد أويلر بعد ذلك المكون الأفقي لقوة المد والجزر باعتباره المحرك الأساسي لظاهرة المد والجزر، وليس نظيره العمودي. في عام 1744، قام جان لو روند دالمبيرت بالتحقيق في معادلات المد والجزر الجوية، على الرغم من أن نماذجه لم تتضمن تأثيرات الدوران. وفي عام 1770، جنحت سفينة جيمس كوك، إتش إم إس إنديفور، في الحاجز المرجاني العظيم. أثبتت المحاولات الأولية لإعادة تعويم السفينة أثناء المد العالي اللاحق عدم نجاحها. ومع ذلك، فإن المد الذي أعقب ذلك نجح في إزاحته. خلال فترة الإصلاح التي استمرت سبعة أسابيع عند مصب نهر إنديفور، لاحظ كوك بدقة أنماط المد والجزر. وأشار إلى أنه أثناء المد الخفيف، أظهر المد والجزر اليومي ارتفاعات مماثلة، بينما خلال المد الربيعي، ارتفع المد الصباحي 7 أقدام (2.1 م) بينما وصل المد المسائي إلى 9 أقدام (2.7 م).

طوَّر بيير سيمون لابلاس نظامًا من المعادلات التفاضلية الجزئية التي ربطت التيار الأفقي للمحيطات بارتفاع سطحها، مما أدى إلى إنشاء النظرية الديناميكية الأساسية للمد والجزر المائية. تظل معادلات لابلاس للمد والجزر ذات صلة بعلم المحيطات المعاصر. قام ويليام طومسون، بارون كلفن الأول، في وقت لاحق بإعادة صياغة معادلات لابلاس باستخدام الدوامة، وبالتالي تمكين اشتقاق الحلول التي تصف الموجات المحاصرة ساحليًا والمستحثة مديًا، والمعروفة الآن باسم موجات كلفن.

بعد لابلاس، طور علماء مثل كلفن وهنري بوانكاريه إطاره النظري. بناءً على هذه التطورات ونظرية إي دبليو براون القمرية، التي تناولت تفاصيل الميكانيكا المدارية للقمر، نشر آرثر توماس دودسون في عام 1921 الصيغة الحديثة الافتتاحية لإمكانية توليد المد والجزر في شكل توافقي. حدد عمل دودسون 388 ترددًا مميزًا للمد والجزر، ويستمر استخدام العديد من منهجياته.

المسار التاريخي لرصد المد والجزر.

منذ العصور القديمة، تطور تطور مراقبة المد والجزر والخطاب تدريجيًا، مع التركيز في البداية على التكرارات اليومية ثم بعد ذلك على العلاقة المعقدة بين المد والجزر والشمس والقمر.

تشير السجلات القديمة الباقية لمراقبة المد والجزر إلى أن بيثياس، خلال رحلته الاستكشافية إلى الجزر البريطانية حوالي عام 325 قبل الميلاد، لاحظ أنماط المد والجزر المرتبطة بالدورة القمرية. تشير الأجزاء المنسوبة إلى عمله على المحيط إلى التعرف المبكر على العلاقة بين نطاق المد والجزر ومراحل القمر.

خلال القرن الثاني قبل الميلاد، وصف سلوقس السلوقي، وهو عالم فلك هلنستي، ظاهرة المد والجزر بدقة لإثبات نموذج مركزية الشمس. لقد افترض بشكل صحيح أن القمر يسبب المد والجزر، على الرغم من أنه افترض أن هذا التفاعل يتم تسهيله عن طريق "الاستنشاق". لاحظ سلوقس أيضًا أن توقيت المد والجزر وحجمه يختلفان عبر مواقع عالمية مختلفة. كما وثق سترابو (1.1.9)، كان سلوقس أول من أنشأ علاقة بين المد والجزر وجاذبية القمر، مشيرًا أيضًا إلى أن ارتفاع المد والجزر يعتمد على موقع القمر بالنسبة للشمس.

يوثق كتاب بليني الأكبر Naturalis Historia العديد من مشاهدات المد والجزر؛ على سبيل المثال، يحدث المد الربيعي بعد أيام قليلة من أو قبل ظهور القمر الجديد والبدر ويصل إلى ذروته عند الاعتدالين، على الرغم من أن بليني سجل أيضًا العديد من الارتباطات التي تعتبر الآن تخمينية. في كتابه الجغرافيا، أوضح سترابو بالتفصيل أن المد والجزر في الخليج العربي أظهر أقصى مدى له عندما كان القمر بعيدًا عن المستوى الاستوائي. تم إجراء هذه الملاحظات على الرغم من سعة المد والجزر المحدودة نسبيًا داخل حوض البحر الأبيض المتوسط. والجدير بالذكر أن التيارات القوية التي لوحظت في مضيق يوريبوس ومضيق ميسينا قدمت لغزًا لأرسطو. في الكتاب الخامس من حياة أبولونيوس من تيانا، استكشف فيلوستراتوس المد والجزر، واعترف بتأثير القمر لكنه أرجع الظاهرة إلى "الأرواح". حوالي عام 730 بعد الميلاد في أوروبا، وثق الموقر بيد الارتفاع المتزامن للمد والجزر على ساحل إحدى الجزر البريطانية مع سقوطه على ساحل آخر، مع تقديم تفاصيل إضافية عن التقدم الزمني لارتفاع المياه على طول ساحل نورثمبريا.

ظهر جدول المد والجزر الأول في الصين في عام 1056 بعد الميلاد، وكان مخصصًا في المقام الأول للزوار الراغبين في مراقبة تجويف المد والجزر الشهير في نهر تشيانتانغ. يُنسب أول جدول مد وجزر بريطاني معروف إلى جون والينجفورد، الذي توفي بصفته رئيس دير سانت ألبانز في عام 1213، والذي قام بحساب ارتفاع منسوب المياه بعد 48 دقيقة يوميًا وقبل ثلاث ساعات عند مصب نهر التايمز مقارنة بموقعه عند المنبع في لندن.

في عام 1614، نشر كلود دابيفيل أطروحة ""Histoire de la" Mission de pères capucins en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines"، والذي كشف فيه أن شعب Tupinambá كان يمتلك فهمًا للعلاقة بين القمر والمد والجزر قبل الاعتراف الأوروبي.

بدأ ويليام طومسون (اللورد كلفن) أول تحليل توافقي منهجي لسجلات المد والجزر في عام 1867. وكانت النتيجة الأولية هي بناء آلة للتنبؤ بالمد والجزر، والتي استخدمت نظام بكرة لتجميع ست وظائف زمنية توافقية. تمت "برمجة" هذا الجهاز من خلال ضبط التروس والسلاسل لتعديل المراحل والسعات. ظلت الآلات المماثلة قيد الاستخدام حتى الستينيات.

تم توثيق أول سجل معروف لمستوى سطح البحر لدورة الربيع-القيلولة بأكملها في عام 1831 في Navy Dock داخل مصب نهر التايمز. بحلول عام 1850، أنشأت العديد من الموانئ الرئيسية محطات أوتوماتيكية لقياس المد والجزر.

كان جون لوبوك من بين الرواد في رسم خرائط خطوط المد والجزر لبريطانيا العظمى وأيرلندا والسواحل المجاورة لها في عام 1840. قام ويليام ويويل لاحقًا بتوسيع هذا البحث، وبلغ ذروته في مخطط عالمي تقريبًا بحلول عام 1836. ولضمان اتساق هذه الخرائط، افترض وجود منطقة وسط المحيط خالية من ارتفاع أو انخفاض المد والجزر، حيث تتقارب خطوط المد والجزر. تم تأكيد وجود مثل هذه النقطة المزدوجة، وهو مصطلح يستخدم الآن لوصف هذه المواقع، في عام 1840 من قبل الكابتن وليام هيويت، RN، من خلال عمليات السبر الدقيقة التي أجريت في بحر الشمال.

وفي وقت لاحق، في أواخر القرن العشرين، حدد الجيولوجيون إيقاعات المد والجزر، والتي تعمل كدليل جيولوجي على وجود المد والجزر القديمة، وخاصة خلال العصر الكربوني.

الفيزياء

نظرية التوازن

النموذج التأسيسي المنسوب إلى إسحاق نيوتن والذي يوضح ظاهرة المد والجزر اليومي يسمى نظرية التوازن. تتضمن هذه النظرية ثلاثة تبسيطات أساسية: 1) إغفال الكتل الأرضية للأرض، 2) افتراض لزوجة الماء التي لا تذكر، مما يسمح باستجابة الجاذبية اللحظية، و3) تجاهل الاحتكاك بين الأرض والماء. ضمن نظام إحداثي يشارك في الدوران مع نظام الأرض والقمر، تظل المسافة بين الأرض والقمر ثابتة، مما يدل على حالة التوازن. يُنظر إلى هذا التوازن على أنه توازن بين قوة جاذبية القمر وقوة الطرد المركزي الناتجة عن الدوران. وفي قلب الأرض، تكون هذه القوى متساوية ومتعاكسة تمامًا. ومع ذلك، في مواقع أخرى، لا تعمل هذه القوى على موازنة التوازن بشكل مثالي، ويتم تحديد القوة المتبقية الناتجة على أنها قوة توليد المد والجزر. على سطح الأرض، تواجه النقاط الأقرب إلى القمر قوة جذب أقوى بشكل هامشي، في حين أن النقاط الأبعد تظهر قوة طرد مركزية أقوى قليلاً. عند القطبين، الواقعين بعيدًا عن محور الأرض والقمر، يتم توجيه قوة صافية طفيفة نحو الداخل نحو الأرض. تتأثر مياه المحيط بشكل طفيف بهذه القوى المحددة. وعلى العكس من ذلك، في المناطق الواقعة بين القطبين وخط الاستواء، يعمل أحد مكونات هذه القوة الصغيرة بشكل أفقي عبر سطح الأرض، موجهًا نحو خط الاستواء. لا تواجه هذه القوة الأفقية أي مقاومة معاكسة. ونتيجة لذلك، تتدفق مياه المحيطات استجابة لذلك، وتنحسر عن القطبين وتتراكم بالقرب من خط الاستواء. وتبلغ هذه العملية ذروتها في تشكيل انتفاخ مدي مزدوج يتماشى مع محور الأرض والقمر، مع كون الانتفاخ على الجانب الأقرب إلى القمر أكبر قليلاً. وبينما تدور الأرض حول محورها، تعبر نقاط مختلفة على سطحها هذه الانتفاخات، مما يوفر تفسيرًا عامًا لحدوث المد المزدوج اليومي. تخضع كل من مياه المحيطات والأرض الصلبة لقوى الجذب التفاضلية هذه؛ ومع ذلك، فإن الأرض الصلبة تقاوم التشوه، وتحافظ على شكلها الكروي تقريبًا، بينما يعيد السائل توزيع نفسه لاستيعاب عدم التوازن، وبالتالي تشكيل الانتفاخات المميزة. يمثل المد والجزر المتوازن حالة المد والجزر المثالية هذه، والتي تعتمد على افتراض وجود أرض بلا أرض.

القوات

يتم تعريف قوة المد التي يولدها جرم سماوي ضخم (يشار إليه لاحقًا باسم القمر) على جسيم صغير يقع على أو داخل جسم كبير (يشار إليه لاحقًا باسم الأرض) على أنها الفرق المتجه بين قوة الجاذبية التي يمارسها القمر على ذلك الجسيم وقوة الجاذبية التي ستمارس على الجسيم إذا تم وضعه في مركز كتلة الأرض.

بينما تظهر قوة الجاذبية التي يمارسها جسم سماوي على الأرض علاقة مربعة عكسية مع بعده عن الأرض، فإن قوة المد القصوى تظهر تناسبًا مكعبًا عكسيًا تقريبيًا مع هذه المسافة. إذا كانت قوة المد والجزر الناتجة عن كل جسم تعادل إجمالي قوة الجاذبية - وهو شرط لم يتم تحقيقه بسبب السقوط الحر للأرض بأكملها، وليس فقط محيطاتها، تجاه هذه الأجسام - فسيظهر نمط متميز من قوى المد والجزر. على سبيل المثال، قد يبدو تأثير الشمس أقوى بكثير من تأثير القمر. على الرغم من أن قوة الجاذبية الشمسية على الأرض أكبر بـ 179 مرة في المتوسط ​​من قوة الجاذبية القمرية، فإن متوسط ​​مسافة الشمس من الأرض أكبر بـ 389 مرة، مما يؤدي إلى تدرج أضعف للمجال. يمكن التعبير عن التناسب الشامل على النحو التالي:

${\displaystyle {\text{قوة المد والجزر}}\propto {\frac {M}{d^{3}}}\propto \rho \left({\frac {r}{d}}\right)^{3},}$

هنا، يشير M إلى كتلة الجسم السماوي، ويمثل d بعده، ويشير ρ إلى متوسط كثافته، ويشير r إلى نصف قطره. وترتبط النسبة r/d بالحجم الزاوي للجسم كما لوحظ من الأرض. على الرغم من أن الشمس والقمر يظهران قطرين ظاهريين متطابقين تقريبًا في السماء الأرضية، إلا أن قوة المد والجزر للشمس أضعف بكثير من قوة المد والجزر للقمر. ينشأ هذا التفاوت لأن متوسط ​​كثافة الشمس أقل بكثير، وتأثيرها المد والجزر لا يتجاوز 46% من تأثير القمر. وبالتالي، أثناء المد الربيعي، يمثل القمر 69% من إجمالي قوة المد والجزر، بينما تساهم الشمس بنسبة 31%. على وجه التحديد، يبلغ تسارع المد القمري، المُقاس على طول محور القمر-الأرض عند سطح الأرض، حوالي 1.1ק1516§−7 g. في المقابل، يبلغ تسارع المد والجزر الشمسي، على طول محور الشمس-الأرض عند سطح الأرض، حوالي 0.52ק2122§−7 g، حيث يمثل g تسارع الجاذبية على سطح الأرض. تتقلب تأثيرات المد والجزر التي تمارسها الكواكب الأخرى وفقًا لاختلاف مسافاتها من الأرض. عند نقطة الحضيض، يبلغ تأثير المد والجزر لكوكب الزهرة 0.000113 مرة تأثير المد والجزر على الشمس. وعلى العكس من ذلك، في التكوينات المدارية المختلفة، قد يمارس كوكب المشتري أو المريخ تأثير المد والجزر الكوكبي السائد.

يتم تصميم سطح المحيط تقليديًا بواسطة المجسم الأرضي، وهو سطح نظري متساوي الجهد يفسر كلاً من قوة الجاذبية الأرضية وقوة الطرد المركزي الناشئة عن دورانها. وبالتالي، يجب أخذ تأثير الأجرام السماوية الخارجية الكبيرة في الاعتبار، وتحديدًا القمر والشمس. تمتلك هذه الكيانات السماوية مجالات جاذبية قوية تضعف مع زيادة المسافة، مما يؤدي إلى انحرافات في سطح المحيط عن المجسم الأرضي. ينشئ هذا التفاعل توازنًا ديناميكيًا لسطح المحيط، ويتميز بالانتفاخات الموجهة نحو القمر وفي مقابله مباشرة. إن دوران الأرض بالنسبة لهذا التكوين المتطور يولد دورة المد والجزر النهارية. يسعى سطح المحيط باستمرار لتحقيق هذا التوازن المتغير باستمرار، على الرغم من أنه لا يصل إليه بشكل كامل أبدًا. يؤدي الانحراف بين سطح المحيط الفعلي وحالة التوازن هذه إلى إنشاء انحدار واضح، مما يدفع المياه إلى التسارع في اتجاه الانحدار.

معادلات لابلاس للمد والجزر

أعماق المحيطات أقل بكثير من أبعادها الأفقية. وبالتالي، يمكن صياغة استجابة المحيطات لتأثيرات المد والجزر بدقة باستخدام معادلات لابلاس للمد والجزر، والتي تدمج الخصائص التالية:

• تعتبر السرعة العمودية (أو الشعاعية) ضئيلة، ويعني غياب القص الرأسي وجود نظام تدفق للصفائح.
• التأثير المطبق يكون أفقيًا (عرضيًا) حصريًا.
• يظهر تأثير كوريوليس كقوة قصورية وهمية، تعمل بشكل عمودي على اتجاه التدفق وتتناسب طرديًا مع السرعة.
• يتناسب المعدل الزمني للتغير في ارتفاع السطح بشكل مباشر مع الانحراف السلبي للسرعة، والذي يتدرج حسب العمق. عندما تؤدي السرعة الأفقية إلى تمدد أو ضغط الطبقة المحيطية، فإن حجم الماء يصبح رقيقًا أو سميكًا.

تنص شروط الحدود على تدفق صفر عمودي على الخطوط الساحلية وحالة الانزلاق الحر في قاع البحر.

يعمل تأثير كوريوليس، وهو قوة قصورية، على انحراف التدفقات التي تقترب من خط الاستواء غربًا وانحسار التدفقات من خط الاستواء شرقًا، مما يسهل تكوين الأمواج المحاصرة ساحليًا. علاوة على ذلك، يمكن دمج مصطلح التبديد، المماثل للزوجة، في المعادلات.

سعة المد والجزر ودوريتها

يبلغ الحد الأقصى للسعة النظرية للمد والجزر المحيطية الناجمة عن القمر حوالي 54 سم (21 بوصة). تمثل هذه القيمة السعة التي يمكن تحقيقها في ظل الظروف المثالية، وتحديدًا عمق المحيط الموحد، وغياب الكتل الأرضية، ودوران الأرض المتزامن مع مدار القمر. وبالمثل، تولد الشمس مدًا وجزرًا بسعة نظرية تبلغ حوالي 25 سم (9.8 بوصة)، مما يشكل 46% من سعة المد والجزر على القمر، وتظهر دورة مدتها 12 ساعة. خلال المد والجزر الربيعية، يجتمع هذان التأثيران معًا، مما يؤدي إلى سعة نظرية تبلغ 79 سم (31 بوصة). على العكس من ذلك، عند فترات المد والجزر المنخفضة، تتضاءل السعة النظرية إلى 29 سم (11 بوصة). نظرًا للطبيعة الإهليلجية لمدار الأرض حول الشمس ومدار القمر حول الأرض، تظهر اتساع المد والجزر اختلافات بسبب تقلب المسافات بين الأرض والشمس والأرض والقمر. يقدم هذا الانحراف المداري تباينًا في قوة المد والجزر والسعة النظرية لما يقرب من ±18% للمد والجزر القمرية و±5% للمد والجزر الشمسية. إذا احتل كل من الشمس والقمر أقرب مواقعهما المدارية في نفس الوقت واصطفا خلال مرحلة القمر الجديد، فقد يصل السعة النظرية للمد والجزر إلى 93 سنتيمترًا (37 بوصة).

تظهر اتساع المد والجزر الفعلي تباينًا كبيرًا، بسبب عوامل مثل الاختلافات في قياسات الأعماق، والكتل الأرضية القارية، والفترة الطبيعية لانتشار الأمواج المحيطية، والتي تقارب فترة دوران الأرض. على سبيل المثال، تتطلب الموجة السطحية ذات الطول الموجي الطويل ما يقرب من 30 ساعة لعبور نصف محيط الأرض على طول خط الاستواء في غياب الكتل الأرضية (في المقابل، يمتلك الغلاف الصخري للأرض فترة طبيعية تبلغ حوالي 57 دقيقة). علاوة على ذلك، فإن استجابة المحيط لقوى المد والجزر معقدة بشكل كبير بسبب المد والجزر على الأرض، والتي تحفز الإزاحة العمودية لقاع البحر، وجاذبية المد والجزر نفسها.

التبديد

تولد تذبذبات المد والجزر الأرضية معدل تبديد متوسط يبلغ حوالي 3.75 تيراواط. تمثل حركات المد والجزر البحرية حوالي 98% من تبديد الطاقة. ويحدث هذا التبديد عندما تؤدي تدفقات المد والجزر على مستوى الحوض إلى تحفيز تيارات أصغر حجمًا، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة المضطرب. يؤثر سحب المد والجزر الناتج على عزم الدوران على القمر، وينقل الزخم الزاوي تدريجيًا إلى مداره ويسبب زيادة تدريجية في الفصل بين الأرض والقمر. وفي الوقت نفسه، فإن عزم الدوران المتساوي والمعاكس المطبق على الأرض يقلل من سرعة دورانها. ونتيجة لذلك، وعلى المقاييس الزمنية الجيولوجية، يبتعد القمر عن الأرض بمعدل تقريبي يبلغ 3.8 سم (1.5 بوصة) سنويًا، مما يؤدي إلى تمديد اليوم الأرضي.

على مدار الـ 600 مليون سنة الماضية، زادت مدة اليوم الأرضي بمقدار ساعتين تقريبًا. وفي ظل الافتراض المبسط لمعدل التباطؤ الثابت، يشير هذا إلى أنه قبل 70 مليون سنة، كان طول اليوم أقصر بنسبة 1% تقريبًا، مما أدى إلى أربعة أيام إضافية تقريبًا في السنة.

قياس الأعماق

يؤثر مورفولوجية السواحل وقاع المحيط بشكل كبير على انتشار المد والجزر، مما يحول دون وجود قاعدة عالمية بسيطة للتنبؤ بأوقات ارتفاع منسوب المياه بناءً على الموقع السماوي للقمر فقط. وبالتالي، فإن الخصائص الساحلية المحلية، بما في ذلك قياس الأعماق وتكوين الخط الساحلي، تؤثر على التنبؤ بالمد والجزر، مما يؤدي إلى تناقضات محتملة بين أوقات المياه المرتفعة الفعلية والارتفاعات وتلك المستمدة من النماذج التنبؤية، بسبب تأثير التشكل الساحلي على تيارات المد والجزر. ومع ذلك، بالنسبة لأي موقع محدد، تظل العلاقة بين الارتفاع القمري وتوقيت المد المرتفع أو المنخفض (المعروف باسم الفاصل الطولي) ثابتة نسبيًا ويمكن التنبؤ بها، كما هو الحال مع توقيت المد والجزر بالنسبة إلى نقاط أخرى على طول نفس الخط الساحلي. على سبيل المثال، في نورفولك، فيرجينيا، الولايات المتحدة، يحدث المد العالي باستمرار قبل حوالي ساعتين ونصف من مرور القمر في ذروته.

تعوق الكتل الأرضية القارية والأحواض المحيطية الحركة العالمية الحرة للمياه، وتؤثر جيومورفولوجياتها المتنوعة على ترددات المد والجزر. ونتيجة لذلك، تظهر أنماط المد والجزر تباينًا إقليميًا كبيرًا. على سبيل المثال، يتعرض الساحل الشرقي للولايات المتحدة والسواحل الأطلسية في أوروبا في المقام الأول للمد والجزر شبه النهاري، في حين يتميز الساحل الغربي للولايات المتحدة بالمد والجزر المختلط. يمكن أيضًا أن تؤدي التعديلات البشرية المنشأ على المناظر الطبيعية إلى تعديل أنظمة المد والجزر المحلية بشكل كبير.

الملاحظة والتنبؤ

التوقيت

تولد قوى المد والجزر القمرية والشمسية موجات طويلة واسعة النطاق تنتشر في جميع أنحاء المحيط، وتتبع المسارات الموضحة في خرائط المد والجزر المشتركة. يحدد وقت وصول قمة الموجة إلى ميناء معين وقت ارتفاع المياه المحلي. يقدم وقت الانتشار المحيطي لهذه الموجات تأخرًا زمنيًا بين المراحل القمرية وتأثيرات المد والجزر المقابلة لها. على سبيل المثال، يحدث المد الربيعي والمد والجزر الخفيف في بحر الشمال بعد يومين تقريبًا من اكتمال القمر الجديد/البدر والربع الأول/الثالث من القمر، على التوالي. تُسمى هذه الظاهرة عمر للمد والجزر.

تحدد قياسات الأعماق المحيطية بشكل كبير التوقيت الدقيق وسعة المد والجزر في مواقع ساحلية محددة. تشمل الأمثلة المتطرفة البارزة خليج فندي، الواقع على الساحل الشرقي لكندا، والذي يُستشهد به كثيرًا لامتلاكه أعلى مستويات المد والجزر في العالم، وهي خاصية تعزى إلى جيومورفولوجيته الفريدة، وقياس الأعماق، وقربه من حافة الجرف القاري. في نوفمبر 1998، وثقت القياسات في بيرنتكوت هيد داخل خليج فندي أقصى مدى للمد والجزر يبلغ 16.3 مترًا (53 قدمًا) وأعلى حد متوقع يبلغ 17 مترًا (56 قدمًا). أسفرت قياسات مماثلة أجريت في مارس 2002 في ليف باسين، خليج أونغافا، شمال كيبيك، عن قيم مماثلة (مع مراعاة عدم اليقين في القياس)، مع نطاق أقصى يبلغ 16.2 مترًا (53 قدمًا) وأعلى حد متوقع يبلغ 16.8 مترًا (55 قدمًا). في حين أن كلاً من خليج أونغافا وخليج فندي يقعان في موقع مماثل بالنسبة لحافة الجرف القاري، يظل خليج أونغافا خاليًا من الجليد لمدة أربعة أشهر تقريبًا سنويًا، في حين أن خليج فندي نادرًا ما يتجمد.

تواجه مدينة ساوثامبتون في المملكة المتحدة ظاهرة ارتفاع المياه المزدوجة، والتي تنتج عن التفاعل بين مكونات المد والجزر M₂ وM§67§، والتي تم تحديدها على أنها مد وجزر للمياه الضحلة للمد القمري الرئيسي. وبالمثل، تظهر بورتلاند مياهًا منخفضة مزدوجة بسبب نفس الآلية الأساسية. المد M§1011§ هو السائد على طول الساحل الجنوبي للمملكة المتحدة بأكمله؛ ومع ذلك، فإن تأثيره يكون أكثر وضوحًا في المنطقة الواقعة بين جزيرة وايت وبورتلاند، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن المد M§14_{15§ يصل إلى الحد الأدنى من سعته داخل هذه المنطقة المحددة.}

يُظهر البحر الأبيض المتوسط وبحر البلطيق أكبر سعات مد وجزر بالقرب من اتصالاتهما المحدودة بالمحيط الأطلسي، نتيجة لعدم توافق أوضاع تذبذبهما مع أي تقلبات فلكية كبيرة. فترات الإجبار. وعلى نحو مماثل، يشهد خليج المكسيك وبحر اليابان الحد الأدنى من المد والجزر بشكل استثنائي لأسباب مماثلة. في سياقات جغرافية أخرى، مثل طول الساحل الجنوبي لأستراليا، قد يُعزى انخفاض نطاقات المد والجزر إلى قرب نقطة متوازية.

التحليل

قدمت نظرية الجاذبية لإسحاق نيوتن الإطار المبدئي لتفسير حدوث مدين نموذجيين يوميًا، وليس مدًا واحدًا، مما عزز بالتالي احتمالات التوصل إلى فهم شامل لقوى المد وديناميكياتها. في حين أنه قد يبدو أنه يمكن التنبؤ بظواهر المد والجزر فقط من خلال المعرفة الدقيقة للتأثيرات الفلكية اللحظية، فإن سلوك المد والجزر الفعلي في أي موقع محدد يتأثر بالقوى الفلكية التي تتراكم داخل الجسم المائي على مدى عدة أيام. علاوة على ذلك، يتطلب تحقيق تنبؤات دقيقة معلومات مفصلة فيما يتعلق بتشكل جميع أحواض المحيطات، بما في ذلك قياسات الأعماق وتكوينات الخط الساحلي.

وتستخدم المنهجية المعاصرة لتحليل المد والجزر تقنية التحليل التوافقي، التي قدمها ويليام طومسون في ستينيات القرن التاسع عشر. يفترض هذا النهج أن النظريات الفلكية المتعلقة بحركات الشمس والقمر تحدد ترددات متعددة للمكونات، يرتبط كل منها بعنصر القوة الذي يحفز حركة المد والجزر. وبشكل حاسم، في كل موقع جغرافي محدد على الأرض، يستجيب المد والجزر لكل من هذه الترددات بسعة فريدة ومرحلة مميزة لذلك الموقع المحدد. وبالتالي، في كل موقع محل اهتمام، يتم قياس ارتفاعات المد والجزر بدقة على مدى فترة ممتدة - تتجاوز عادة سنة واحدة للموانئ التي تم فحصها حديثًا - لتسهيل التمييز التحليلي للاستجابات عند كل تردد كبير لتوليد المد والجزر. وتسمح هذه العملية باستخلاص ثوابت المد والجزر لعدد كاف من أبرز المكونات المعروفة لقوى المد والجزر الفلكية، مما يتيح التنبؤ العملي بالمد والجزر. من المتوقع أن تتوافق ارتفاعات المد والجزر مع قوة المد والجزر، مما يُظهر سعة ثابتة وتأخرًا في الطور لكل مكون. نظرًا لأنه يمكن تحديد الترددات والأطوار الفلكية بدقة، يمكن التنبؤ بارتفاعات المد والجزر المستقبلية بدقة بمجرد إنشاء الاستجابة للمكونات التوافقية لقوى توليد المد والجزر الفلكية.

تتضمن الأنماط الأساسية التي تمت ملاحظتها في ظواهر المد والجزر ما يلي:

• الاختلاف نصف النهاري;
• التفاوت النهاري؛
• دورة القيلولة الربيعية؛
• التغير السنوي.

يتم تعريف أعلى مد فلكي (HAT) على أنه المد الربيعي في منطقة الحضيض، والذي يحدث عندما تكون الشمس والقمر في أقرب مدار لهما من الأرض.

في تحليل الوظائف المتغيرة دوريًا، تتضمن المنهجية التقليدية تطبيق سلسلة فورييه. تستخدم هذه التقنية التحليلية الوظائف الجيبية كمجموعة أساسية، بترددات عبارة عن مضاعفات صحيحة (صفر، واحد، اثنان، ثلاثة، وهكذا دواليك) لتردد دورة أساسية محددة. يتم تحديد هذه المضاعفات على أنها توافقيات للتردد الأساسي، ويشار إلى الإجراء بأكمله باسم التحليل التوافقي. عندما تمثل مجموعة الأساس المختارة من الوظائف الجيبية السلوك النموذجي بدقة، يكون عدد صغير نسبيًا من المصطلحات التوافقية كافيًا. نظرًا لأن المسارات المدارية دائرية تقريبًا، فإن الاختلافات الجيبية مناسبة تمامًا لنمذجة ظواهر المد والجزر.

في التحليل العملي لارتفاعات المد والجزر، تتطلب منهجية سلسلة فورييه تطبيقًا أكثر تعقيدًا من مجرد استخدام تردد واحد والتوافقيات المرتبطة به. وبالتالي تتحلل أنماط المد والجزر إلى العديد من الجيوب الأنفية، كل منها يمتلك ترددات أساسية متميزة. تتوافق هذه الترددات، المشابهة للنظرية القمرية، مع مجموعات مختلفة من حركات الأرض والقمر، جنبًا إلى جنب مع المعلمات الزاوية التي تحدد تكوين وموقع مداراتها.

بالنسبة لتحليل المد والجزر، يمتد التحليل التوافقي إلى ما هو أبعد من التوافقيات المشتقة من تردد فردي. وبالتالي، فإن التوافقيات التأسيسية مشتقة من ترددات أساسية متعددة، متباعدة عن خاصية التردد الأساسي المفرد لمنهجية سلسلة فورييه الأساسية. إن تمثيل هذه الظواهر فقط من خلال سلسلة فورييه ذات تردد أساسي واحد ومضاعفاته الصحيحة سوف يستلزم عددًا كبيرًا من المصطلحات وسيظهر قيودًا زمنية كبيرة فيما يتعلق بإمكانية تطبيقه.

بدأ البحث عن ارتفاع المد والجزر من خلال التحليل التوافقي بواسطة لابلاس، ووليام طومسون (اللورد كلفن)، وجورج داروين. في. توسع دودسون بعد ذلك في هذا البحث، وأنشأ تدوين رقم دودسون لتصنيف المصطلحات الناتجة العديدة بشكل منهجي. وقد حققت هذه المنهجية في وقت لاحق التقييس الدولي. تنبع التعقيدات الكامنة في هذا النموذج من التمثيل المفاهيمي لقوة رفع المد كمجموع لمصطلحات مكونة متعددة. وعلى وجه التحديد، يلتزم كل مصطلح بالبنية الرياضية التالية:

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

حيث

A_o يمثل السعة؛

ω يشير إلى التردد الزاوي، الذي يتم التعبير عنه عادةً بالدرجات في الساعة، وهو ما يتوافق مع المتغير t عند قياسه بالساعات؛

p يدل على إزاحة الطور بالنسبة للظروف الفلكية في الوقت t = 0.

تتضمن هذه الصيغة مصطلحًا واحدًا مخصصًا للقمر ومصطلحًا ثانيًا مميزًا للشمس. يتم تعيين معلمة الطور p المرتبطة بالتوافقي الأساسي للحد القمري على أنها الفاصل الطولي أو، بدلاً من ذلك، الفاصل الزمني للمياه العالية.

وتتضمن عملية التحسين اللاحقة دمج المصطلحات التوافقية التي تفسر التكوينات الإهليلجية للمدارات. لتحقيق ذلك، يتم اعتبار السعة كمية متغيرة زمنيًا، تتأرجح حول السعة المتوسطة A_o، بدلاً من كونها ثابتة. على وجه التحديد، A_o في المعادلة السابقة يتم استبدالها بـ A(t)، حيث يمثل A نفسه وظيفة جيبية إضافية، مماثلة من الناحية المفاهيمية للدورات وأفلاك التدوير ضمن النماذج الفلكية البطلمية. ينتج عن هذا الاستبدال التعبير التالي:

31§ <مو>+ <مسوب> <مي>أ <مي>أ كوس ⁡ ( <مسوب> ω <مي>أ <مي>تي <مو>+ <مسوب> ص <مي>أ ) ) <مو>، {\displaystyle A(t)=A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos(\omega _{a}t+p_{a}){\bigr )},}

يشير هذا التعبير إلى قيمة متوسطة A_o، يتم تعديلها بواسطة تباين جيبي للحجم A_a، وتتميز بتردد ω_a ومرحلة p_a. يؤدي استبدال هذا التعبير بـ A_o في المعادلة الأولية إلى منتج يشتمل على عاملي جيب التمام:

21§ <مو>+ <مسوب> <مي>أ <مي>أ كوس ⁡ ( <مسوب> ω <مي>أ <مي>تي <مو>+ <مسوب> ص <مي>أ ) ) كوس ⁡ ( ω <مي>تي <مو>+ ص ) <مو>. {\displaystyle A_{o}{\bigl (}1+A_{a}\cos(\omega _{a}t+p_{a}){\bigr )}\cos(\omega t+p).

من الثابت أنه بالنسبة لأي متغيرات x وy،

26§ §2728§ كوس ⁡ ( س <مو>+ <مي>ص ) <مو>+ <مفراك> §5253§ §5455§ كوس ⁡ ( س − <مي>ص ) <مو>، {\displaystyle \cos x\cos y={\tfrac {1}{2}}\cos(x+y)+{\tfrac {1}{2}}\cos(x-y),}

من الواضح أن الحد المركب، الذي يتكون من حاصل ضرب حدي جيب التمام لكل منهما تردد مميز، يعادل ثلاثة حدود جيب التمام البسيطة. تتم إضافة هذه المصطلحات لاحقًا عند التردد الأصلي، وكذلك عند الترددات التي تمثل مجموع واختلاف الترددين المكونين من مصطلح المنتج. يؤدي هذا إلى ثلاثة مصطلحات، بدلاً من اثنين، لأن التعبير الكامل يتم تقديمه بواسطة ${\displaystyle (1+\cos x)\cos y}$. علاوة على ذلك، فإن قوة المد والجزر المطبقة على موقع محدد تعتمد أيضًا على موقع القمر (أو الشمس) بالنسبة للمستوى الاستوائي (أي أعلى أو أسفل). تقدم هذه الخصائص المدارية فترات إضافية غير قابلة للقياس مع كل من اليوم والشهر، مما يؤدي إلى العديد من المجموعات الناتجة. من خلال الاختيار الدقيق للترددات الفلكية الأساسية، يحدد رقم دودسون بشكل منهجي الإضافات والاختلافات المحددة المطلوبة لاشتقاق التردد لكل حد جيب التمام البسيط.

من المهم ملاحظة أن المد والجزر الفلكية صراحةً لا تتضمن تأثيرات الأرصاد الجوية. علاوة على ذلك، فإن التغيرات في الظروف البيئية المحلية، مثل هجرة الرمال أو تجريف مداخل الميناء، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على التوقيت الفعلي وحجم المد والجزر، خاصة عندما تنحرف هذه الظروف عن تلك الموجودة أثناء القياس. قد تؤدي الكيانات التي تنشر "أعلى مد فلكي" لموقع معين إلى تضخيم هذه القيمة. غالبًا ما تكون هذه المبالغة بمثابة هامش أمان لمراعاة الشكوك التحليلية، والمسافة من أقرب نقطة قياس، والتغيرات الزمنية منذ آخر ملاحظة، وهبوط الأرض، وعوامل أخرى، وبالتالي تخفيف المسؤولية المحتملة إذا تم تجاوز الهيكل الهندسي. وبالتالي، هناك ما يبرر الحذر بشكل خاص عند تحديد حجم "الارتفاع المفاجئ في الطقس" عن طريق خصم المد الفلكي من المد المرصود تجريبيا.

يستخدم تحليل بيانات فورييه الدقيق، الذي يمتد على فترة تسعة عشر عامًا (يسمى عصر مرجعيات المد والجزر الوطني في الولايات المتحدة)، ترددات تُعرف باسم المكونات التوافقية للمد والجزر. تم تفضيل هذه المدة البالغة تسعة عشر عامًا بسبب التكرار شبه الدقيق للمواقع النسبية للأرض والقمر والشمس ضمن الدورة الميتونية، وهي فترة كافية لتشمل مكون المد والجزر العقدي القمري البالغ 18.613 عامًا. ولا يمكن إجراء مثل هذا التحليل إلا بمعرفة فترة التأثير، مما يؤدي إلى تجنب الفهم التفصيلي للاشتقاق الرياضي؛ وبالتالي، تم تجميع جداول المد والجزر العملية لعدة قرون. السعات والمراحل المشتقة تسهل بعد ذلك التنبؤ بالمد والجزر المتوقعة. في حين أن المكونات التي تقترب من 12 ساعة (تسمى المكونات شبه النهارية) تمارس عادةً التأثير الأساسي، فإن المكونات المهمة موجودة أيضًا حوالي 24 ساعة (نهارية). تشمل المكونات الإضافية طويلة المدى تلك التي تحدث كل 14 يومًا (أو كل أسبوعين)، وشهريًا، ونصف سنويًا. على الرغم من أن المد والجزر شبه النهاري يسود على طول معظم السواحل، إلا أن بعض المناطق، مثل بحر الصين الجنوبي وخليج المكسيك، تظهر في الغالب أنماط المد والجزر النهارية. ضمن المناطق شبه النهارية، فإن المكونات الرئيسية، M§1415§ (القمرية) و S§1819§ (الشمسية)، لها فترات متباعدة قليلًا. يؤدي هذا التناقض إلى اختلافات نصف شهرية (فترة 14 يومًا) في مراحلها النسبية، وبالتالي، في سعة المد المشترك الناتج.

ضمن مخطط M₂ المذكور أعلاه، يمثل كل خط مدي فرق طور مدته ساعة واحدة عن الخطوط المجاورة، مع وجود خطوط أكثر سمكًا تشير إلى المد والجزر في مرحلة التوازن عند غرينتش. في نصف الكرة الشمالي، تُظهر هذه الخطوط دورانًا عكس اتجاه عقارب الساعة حول النقاط المزدوجة، مما يتسبب في انتشار المد M§6_{7§ شمالًا من شبه جزيرة باجا كاليفورنيا إلى ألاسكا ومن فرنسا إلى أيرلندا. وعلى العكس من ذلك، في نصف الكرة الجنوبي، يكون اتجاه الانتشار هذا في اتجاه عقارب الساعة. ومع ذلك، ينتشر المد M§1011§ عكس اتجاه عقارب الساعة حول نيوزيلندا، وهي ظاهرة تعزى إلى تأثير حاجز الجزر، والذي يسمح بارتفاعات المد والجزر التفاضلية على الجانبين المتقابلين. (من الجدير بالذكر أن المد والجزر ينتشر شمالًا على طول الساحل الشرقي وجنوبًا على طول الساحل الغربي، بما يتوافق مع التنبؤات النظرية.)}

يحدث استثناء في مضيق كوك، حيث تربط تيارات المد والجزر بشكل دوري المياه المرتفعة بالمياه المنخفضة. تنشأ هذه الظاهرة لأن الخطوط الساحلية الواقعة بزاوية 180 درجة حول المدرجات تمر بمراحل متعارضة، ويتمثل ذلك في ارتفاع المياه الذي يحدث مقابل انخفاض المياه عند كل طرف من مضيق كوك. نظرًا لأن كل مكون من مكونات المد والجزر يمتلك تكوينًا مميزًا من السعات والأطوار والنقاط المزدوجة، فإن الأنماط التي تمت ملاحظتها في M₂ غير قابلة للتحويل إلى مكونات المد والجزر الأخرى.

جداول المد والجزر

توفر جداول المد والجزر الأوقات والسعة المتوقعة (أو "نطاق المد والجزر") لمواقع جغرافية محددة. تخضع هذه التنبؤات لتأثيرات عديدة، مثل محاذاة الشمس والقمر، ومرحلة المد وسعة المد (التي تمثل نمط المد والجزر في أعماق المحيط)، والأنظمة المتناقضة المحيطية، وتشكل الخط الساحلي وقياس الأعماق بالقرب من الشاطئ.

بينما تقدم الجداول تنبؤات، فإن التوقيت الفعلي وارتفاع المد والجزر يتأثران بعوامل الأرصاد الجوية مثل الرياح والضغط الجوي. تظهر العديد من المناطق الساحلية مدًا وجزرًا شبه نهاري، وتتميز بحدوث مدين مرتفعين ومنخفضين متساويين تقريبًا يوميًا. على العكس من ذلك، تشهد مواقع أخرى مدًا وجزرًا نهاريًا، حيث تتميز بمد مرتفع ومنخفض واحد يوميًا. التصنيف الشائع الثالث هو "المد المختلط"، والذي يتضمن مدين غير متساويين في الحجم يحدثان خلال يوم واحد.

الحساب التوضيحي

نظرًا لحركة القمر المدارية حول الأرض في نفس اتجاه دوران الأرض، يجب أن تدور النقطة الأرضية مسافة إضافية لإعادة تنظيمها، مما يؤدي إلى فترة بين المد والجزر شبه النهارية تبلغ 12.4206 ساعة، أي ما يقرب من خمس وعشرين دقيقة أطول من اثنتي عشرة ساعة. إن قمتي المد والجزر اليوميتين ليستا متساويتين في الحجم. يُظهر المد والجزر المرتفعان اليوميان ارتفاعات قصوى متناوبة: ارتفاع أقل (أقل بقليل من ثلاثة أقدام)، يليه ارتفاع أعلى (ما يزيد قليلاً عن ثلاثة أقدام)، ثم ارتفاع أقل آخر. ويلاحظ وجود نمط مماثل في انخفاض المد والجزر.

عندما تكون الأرض والقمر والشمس في محاذاة (تكوينات الاقتران، أي تكوينات الشمس-الأرض-القمر أو الشمس-القمر-الأرض)، فإن تأثيرات الجاذبية مجتمعة تولد المد الربيعي؛ وعلى العكس من ذلك، عندما تتعارض هاتان القوتان مع بعضهما البعض، كما هو الحال عندما تقترب زاوية القمر والأرض والشمس من تسعين درجة، يحدث المد والجزر المنخفض. أثناء تقدمه المداري، يعبر القمر من مواقع شمال خط الاستواء إلى جنوب خط الاستواء. يؤدي هذا التحول المداري إلى تقليل التناوب في ارتفاعات المد، لتصبح متساوية في النهاية (عند الاعتدال القمري، عندما يكون القمر فوق خط الاستواء). وبعد ذلك، يعاود التناوب الظهور مع القطبية المعاكسة، ويتزايد إلى أقصى فرق قبل أن يتناقص تدريجيًا مرة أخرى.

تيار المد والجزر

يمثل تحليل تأثير المد والجزر على التيارات أو التدفق تحديات كبيرة، كما هو الحال مع جمع البيانات ذات الصلة. يُظهر ارتفاع المد والجزر، وهو كمية عددية، تباينًا سلسًا عبر مناطق جغرافية واسعة النطاق. على العكس من ذلك، يشكل التدفق كمية متجهة، تمتلك كلاً من الحجم والاتجاه، والتي يمكن أن تتقلب بشكل كبير مع العمق وعبر مسافات قصيرة، وتتأثر بشكل أساسي بقياس الأعماق المحلي. علاوة على ذلك، في حين أن المحور المركزي لقناة المياه يوفر الموقع الأكثر فائدة للقياسات، فإن نشر معدات القياس الحالية غالبا ما يواجه معارضة من البحارة بسبب احتمال عرقلة الممرات المائية. قد يحافظ التدفق الذي يعبر قناة منحنية على حجم ثابت على الرغم من التغيرات المستمرة في الاتجاه على طول مساره. وعلى عكس ما هو متوقع، فإن تدفقات الفيضانات والمد والجزر لا تظهر في كثير من الأحيان اتجاهات متعارضة تمامًا. يحدد مورفولوجية قناة المنبع اتجاه التدفق، بدلاً من تكوين المصب. وبالمثل، قد يقتصر تكوين الدوامات على اتجاه تدفق واحد.

على الرغم من هذه التعقيدات، فإن تحليل تيارات المد والجزر بشكل عام يوازي تحليل ارتفاعات المد والجزر. في سيناريو مبسط، في موقع محدد، يتحرك تدفق الفيضان في الغالب في اتجاه واحد، بينما يستمر تدفق المد في اتجاه بديل. تُعطى سرعات الفيضان تقليديًا إشارة إيجابية، في حين تتلقى سرعات المد والجزر إشارة سلبية. ويتعامل هذا النهج التحليلي مع هذه السرعات بشكل مماثل لارتفاعات المد والجزر.

في السيناريوهات الأكثر تعقيدًا، قد لا تكون تدفقات المد والجزر الأولية هي العوامل المهيمنة. بدلاً من ذلك، يحدد اتجاه التدفق وحجمه مسارًا بيضاويًا على دورة مد وجزر كاملة عند رسمه على رسم بياني قطبي، متباعدًا عن تقدم خطي بسيط على طول محاور المد والجزر. وبالتالي، قد يتضمن التحليل في مثل هذه الحالات أزواجًا من الاتجاهات المتعامدة، والتي تم تحديدها على أنها أولية وثانوية. يتضمن النهج المنهجي البديل تمثيل تدفقات المد والجزر كأرقام معقدة، نظرًا لأن كل قيمة تمتلك بطبيعتها كلاً من الحجم والاتجاه.

يتم عادةً نشر المعلومات المتعلقة بتدفق المد والجزر عبر المخططات البحرية، حيث يتم تقديمها في شكل جدول، مع تفصيل سرعات التدفق واتجاهاته بزيادات كل ساعة، مع توفير جداول مميزة للمد والجزر الربيعية والخفيفة. تم تحديد المرجع الزمني لهذه البيانات بالنسبة لارتفاع منسوب المياه في ميناء معين يظهر نمط مد وجزر مشابه، بغض النظر عن المسافة الجغرافية.

وعلى غرار تنبؤات ارتفاع المد والجزر، فإن توقعات تدفق المد والجزر المستمدة فقط من المعلمات الفلكية لا تأخذ في الاعتبار ظروف الأرصاد الجوية، التي تمتلك القدرة تمامًا على تغيير النتائج المتوقعة.

مضيق الطبخ

يمثل تدفق المد والجزر الذي يمر عبر مضيق كوك، الواقع بين الجزيرتين الرئيسيتين في نيوزيلندا، دراسة حالة ملحوظة بسبب العلاقة شبه الدقيقة بين المد والجزر على كلا الجانبين، مما يؤدي إلى تزامن ارتفاع المياه في أحد الجانبين مع انخفاض المياه في الجانب الآخر. تولد هذه الظاهرة تيارات قوية، يصاحبها تغير يكاد لا يذكر في ارتفاع المد والجزر عند النقطة المركزية للمضيق. ومع ذلك، في حين أن اندفاع المد والجزر يحافظ عادة على تدفق أحادي الاتجاه لمدة ست ساعات قبل أن ينعكس لمدة مماثلة، فإن اندفاعات محددة يمكن أن تمتد لمدة ثماني أو عشر ساعات، مع تضاؤل ​​​​الاندفاع العكسي اللاحق بشكل كبير. في ظل ظروف الأرصاد الجوية الشديدة بشكل خاص، قد يتم قمع الاندفاع العكسي تمامًا، مما يتسبب في استمرار التدفق في اتجاه واحد عبر ثلاث فترات اندفاع متتالية أو أكثر.

تُظهر خصائص دورة المد والجزر في مضيق كوك أيضًا اختلافات ساحلية. على طول الساحل الغربي وداخل خليج تاسمان/غولدن باي، تلتزم نطاقات المد والجزر عادة بدورة ربيع-قيلولة تقليدية نصف شهرية، وتتميز بنطاقات متضخمة خلال المد والجزر الربيعية ونطاقات منخفضة خلال المد والجزر المنخفضة، وهي ظاهرة تتأثر في المقام الأول بالاقتران بين القمر والشمس. على العكس من ذلك، في بعض المناطق الساحلية الشرقية، بما في ذلك المناطق القريبة من ولنجتون ونابير، يُظهر نمط المد والجزر تعديلًا شهريًا أكثر وضوحًا، والذي يرتبط بإشارات الحضيض والأوج (الاختلافات في المسافة المدارية للقمر)، وبالتالي لا يُظهر إشارة واضحة كل نصف شهر من القيلولة الربيعية.

يحدد التمثيل البياني للمد والجزر في مضيق كوك، والذي يمتد حتى نوفمبر 2007، ارتفاعات وأوقات ارتفاع المياه وانخفاضها. نقاط البيانات هذه ليست قياسات مباشرة، بل هي حسابات مستمدة من معلمات المد والجزر التي تم تحديدها من خلال قياسات تاريخية امتدت لعدة سنوات. توفر الخرائط البحرية المتعلقة بمضيق كوك معلومات شاملة عن تيارات المد والجزر. على سبيل المثال، طبعة يناير 1979، التي تغطي الإحداثيات 41°13.9′S 174°29.6′E (الواقعة شمال غرب كيب تيراوهيتي)، أشارت إلى توقيت المد والجزر في ويستبورت، في حين استخدمت طبعة يناير 2004 ولنجتون كنقطة مرجعية لها.

بالقرب من كيب تيراوهيتي، الواقع في مضيق كوك المركزي، يكون تباين ارتفاع المد والجزر ضئيلًا، في حين يصل تيار المد والجزر إلى سرعته القصوى، خاصة حول منطقة كاروري البارزة. وبعيدًا عن تأثيرات الأرصاد الجوية، تتشكل التيارات السائدة عبر مضيق كوك من خلال فروق ارتفاع المد والجزر بين طرفي المضيق. ومن الجدير بالذكر أن واحدًا فقط من المد الربيعي عند الطرف الشمالي الغربي للمضيق بالقرب من نيلسون ينعكس مع المد الربيعي المقابل في الطرف الجنوبي الشرقي (ويلينغتون)؛ وبالتالي، فإن ديناميكيات المد والجزر لا تتوافق مع خصائص أي من المنفذين المرجعيين.

نانتوكيت شولز

في منطقة نانتوكيت شولز في المحيط الأطلسي، تظهر تيارات المد والجزر طبيعة دوارة، حيث يتغير اتجاه التدفق تدريجيًا عبر جميع نقاط البوصلة طوال دورة المد والجزر، بدلاً من مجرد التأرجح خطيًا. عبر المياه الضحلة، تظهر هذه التيارات عادةً دورانًا في اتجاه عقارب الساعة، حيث تتراوح سرعات الذروة عادةً من 1.5 إلى 2.5 عقدة والحد الأدنى يقترب من 0.5 عقدة؛ ومع ذلك، فإن السرعات تخضع لتباين كبير بناءً على الموقع الجغرافي ومرحلة المد والجزر. ونظرًا للتحول الدوراني المستمر في الاتجاه الحالي، بدلاً من الانعكاس المفاجئ، فإن فترة ركود المياه المميزة - وهي سمة للتيارات العكسية البسيطة - غائبة. وبدلا من ذلك، تتقلب السرعة الحالية طوال الدورة، في حين يخضع متجهها الاتجاهي لتغيير دائم.

توليد الطاقة

يمكن تسخير طاقة المد والجزر من خلال منهجيتين رئيسيتين: نشر توربينات هيدروكينية داخل تيارات المد والجزر، أو بناء برك احتجاز تنظم تدفق المياه عبر التوربينات. بالنسبة للأولى، يعتمد إنتاج الطاقة فقط على الديناميكيات الزمنية وحجم تيار المد والجزر. ومع ذلك، قد لا يكون من الممكن الوصول إلى المواقع الحالية المثالية بسبب احتمال عرقلة الملاحة البحرية بواسطة منشآت التوربينات. وعلى العكس من ذلك، فإن النهج الأخير ينطوي على تكاليف بناء كبيرة لسدود الحجز، ويؤدي إلى اضطراب كبير في الدورات الهيدرولوجية الطبيعية، ويعوق الملاحة البحرية. ومع ذلك، فإن استخدام أحواض التخزين المتعددة يوفر المرونة اللازمة لتوليد الطاقة على فترات زمنية محددة مسبقًا. حتى الآن، لا يزال تنفيذ أنظمة توليد طاقة المد والجزر محدودًا (مع كون منشأة لارانس في سان مالو بفرنسا مثالًا بارزًا)، وتواجه هذه المشاريع العديد من التحديات. وبعيدًا عن الاعتبارات البيئية، فإن الصعوبات الكامنة في مقاومة التآكل وتخفيف الحشف الحيوي تشكل عقبات هندسية كبيرة.

تُظهر طاقة المد والجزر إمكانية التنبؤ بشكل أكبر مقارنة بطاقة الرياح؛ ومع ذلك، فإن كفاءة التوربينات تتضاءل بشكل كبير عند سرعات التدفق المنخفضة، وبالنظر إلى أن إنتاج الطاقة يتناسب مع مكعب السرعة، فإن فترات توليد الذروة تكون قصيرة الأجل بطبيعتها. ويمكن تخفيف هذه التقلبات من خلال حلول تخزين الطاقة، وأنظمة التحكم المتطورة في التوربينات، ومصفوفات طاقة المد والجزر الموزعة، أو من خلال التهجين مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى.

الملاحة

تعد تدفقات المد والجزر أمرًا بالغ الأهمية للملاحة البحرية، وقد يؤدي الفشل في حساب هذه التدفقات إلى عدم دقة موضعية كبيرة. علاوة على ذلك، فإن ارتفاعات المد والجزر لها أهمية كبيرة؛ على سبيل المثال، تتميز العديد من الأنهار والموانئ بوجود "شريط" ضحل عند مداخلها، مما يمنع السفن ذات الغاطس الكبير من الدخول أثناء انخفاض المد.

قبل الاعتماد الواسع النطاق لأنظمة الملاحة الآلية، كانت الكفاءة في حساب تأثيرات المد والجزر مهارة أساسية لضباط البحرية. تاريخيًا، تشهد شهادة امتحان ملازم البحرية الملكية على قدرة المرشح على "تحويل المد والجزر"، مما يدل على إتقانه لحسابات المد والجزر.

يتم عادةً تقديم المعلومات المتعلقة بتوقيت تدفق المد والجزر وسرعاته في مخططات المد والجزر أو أطلس تيارات المد والجزر المخصص. يتم إصدار هذه المخططات عادة في مجموعات متسلسلة. ويصور كل مخطط فردي متوسط ​​تدفق المد والجزر لفترة زمنية محددة مدتها ساعة واحدة بين المياه المرتفعة المتعاقبة، مع حذف فترة الـ 24 دقيقة المتبقية. يشير سهم الاتجاه الموجود على مخطط المد والجزر إلى كل من الاتجاه ومتوسط ​​سرعة التدفق (يتم التعبير عنها تقليديًا بالعقد) لكل من المد والجزر الربيعي والخفيف. في غياب مخطط مد وجزر مخصص، تشتمل غالبية المخططات البحرية على "ماسات المد والجزر"، والتي تربط مواقع معينة في المخطط مع عرض جدولي لاتجاه تدفق المد والجزر وسرعته.

تتضمن المنهجية التقليدية للتعويض عن تأثيرات المد والجزر أثناء الملاحة ثلاث خطوات: (1) حساب موضع "الحساب الميت" (DR) استنادًا إلى المسافة المقطوعة والمسار الموجه، (2) وضع علامة على هذا الموضع على المخطط بتقاطع عمودي، و (3) عرض خط من DR في اتجاه تيار المد والجزر. يتم بعد ذلك حساب إزاحة السفينة على طول هذا الخط المتوقع، بسبب تيار المد والجزر، باستخدام سرعة المد والجزر، مما يؤدي إلى "الموقع المقدر" (EP)، والذي يُشار إليه تقليديًا بنقطة محاطة بمثلث.

تشير الخرائط الهيدروغرافية إلى أعماق المياه المخططة في نقاط محددة عبر عمليات السبر ومن خلال الخطوط الكنتورية لقياس الأعماق، والتي تحدد شكل قاع البحر المغمور. تتم الإشارة إلى هذه القياسات إلى "مسند مخطط" محدد، يُعرّف عادةً بأنه مستوى الماء عند أدنى مد فلكي (LAT). ومع ذلك، فقد تم استخدام مسندات بديلة تاريخيًا، ويمكن لعوامل الأرصاد الجوية أن تسبب تغيرات في المد والجزر تتجاوز أو تقل عن التوقعات الفلكية. وبالتالي، تمثل الأعماق المخططة الحد الأدنى من عمود الماء المتاح أثناء دورة المد والجزر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الإشارة إلى "مرتفعات الجفاف"، للدلالة على ارتفاع قاع البحر المكشوف عند أدنى مد فلكي.

توفر جداول المد والجزر بيانات يومية عن ارتفاعات المياه العالية والمنخفضة والأوقات المقابلة لها. إن تحديد عمق المياه الفعلي يتطلب إضافة العمق المخطط إلى ارتفاع المد المتوقع. في الأوقات المتوسطة، يمكن استكمال أعماق المياه باستخدام منحنيات المد والجزر، والتي تكون متاحة عادةً للموانئ المهمة. وفي غياب منحنيات المد والجزر الدقيقة، فإن "قاعدة الأجزاء من اثني عشر" توفر تقديرًا تقريبيًا كافيًا. تفترض هذه الطريقة أن الزيادة في العمق خلال فترة الست ساعات بين انخفاض المياه وارتفاعها تتبع توزيعًا محددًا: 1/12 خلال الساعة الأولى، و2/12 خلال الساعة الثانية، و3/12 خلال الثالثة، و3/12 خلال الرابعة، و2/12 خلال الساعة الخامسة، و1/12 خلال الساعة السادسة.

الاعتبارات البيولوجية

علم البيئة في منطقة المد والجزر

تركز بيئة المد والجزر على دراسة النظم البيئية الواقعة بين علامات المياه المنخفضة والعالية في البيئات الساحلية. خلال فترات انخفاض المد، تصبح هذه المنطقة مكشوفة (أو منغمسة)، بينما في حالة المد العالي، تصبح مغمورة (أو مغمورة). وبالتالي، يقوم علماء بيئة المد والجزر بتحليل التفاعلات المعقدة بين الكائنات الحية وبيئتها المادية، إلى جانب العلاقات بين الأنواع. تعتمد التفاعلات البيئية السائدة على الخصائص المحددة لمجتمع المد والجزر. عادةً ما يتم تحديد التصنيفات الأولية لهذه المجتمعات حسب نوع الركيزة، مع التمييز بين الشواطئ الصخرية والموائل ذات القاع الناعم.

تواجه الكائنات التي تعيش في مناطق المد والجزر بيئة شديدة التقلب وصعبة في كثير من الأحيان، مما يستلزم تكيفات متخصصة للبقاء على قيد الحياة وحتى الازدهار في ظل هذه الظروف. السمة البارزة هي التقسيم الرأسي، حيث ينقسم المجتمع البيولوجي إلى نطاقات أفقية منفصلة من أنواع معينة، يحتل كل منها ارتفاعًا محددًا فوق علامة المياه المنخفضة. يتم تحديد الحد التوزيعي الأعلى للأنواع في المقام الأول من خلال قدرتها على تحمل الجفاف، في حين أن المنافسة بين الأنواع عادة ما تحدد حدودها الدنيا.

تستخدم التجمعات البشرية مناطق المد والجزر لكل من الأنشطة المعيشية والترفيهية. يمكن أن ينجم الضرر المباشر للنظم الإيكولوجية في منطقة المد والجزر عن الاستغلال المفرط. علاوة على ذلك، فإن التأثيرات البشرية الأخرى، بما في ذلك إدخال الأنواع الغازية وتأثيرات تغير المناخ، تمارس تأثيرات ضارة كبيرة. يمثل إنشاء المناطق البحرية المحمية استراتيجية قابلة للتطبيق للمجتمعات لحماية هذه الموائل الحيوية وتسهيل البحث العلمي.

الإيقاعات البيولوجية

تؤثر دورات المد والجزر التي تبلغ مدتها 12 ساعة تقريبًا وكل نصف شهر تأثيرًا عميقًا على الكائنات الحية في منطقة المد والجزر والكائنات البحرية. وبالتالي، فإن إيقاعاتها البيولوجية تظهر في كثير من الأحيان كمضاعفات تقريبية لدوريات المد والجزر هذه. العديد من الأصناف الحيوانية الأخرى، بما في ذلك الفقاريات، تظهر إيقاعات دائرية مماثلة. تشمل الأمثلة التوضيحية فترات الحمل وتفريخ البيض. في البشر، تقترب الدورة الشهرية من الشهر القمري، وهو مضاعف لفترة المد والجزر. تشير هذه التشابهات الملحوظة إلى وجود سلالة تطورية مشتركة محتملة لجميع الحيوانات، والتي تنشأ من سلف بحري.

ظواهر المد والجزر الأخرى

المد والجزر الداخلي

تحفز تيارات المد والجزر المتأرجحة داخل المحيط الطبقي، عند تفاعلها مع تضاريس قاع البحر غير المنتظمة، على توليد موجات داخلية تتميز بترددات المد والجزر.

بحيرة المد والجزر

قد تظهر البحيرات الكبيرة، بما في ذلك سوبيريور وإيري، نطاقات مد وجزر تتراوح من 1 إلى 4 سم (0.39 إلى 1.6 بوصة)؛ ومع ذلك، غالبًا ما يتم حجب هذه التقلبات الدقيقة بواسطة ظواهر ناجمة عن الأرصاد الجوية مثل النوبات. على سبيل المثال، تم الإبلاغ عن أن سعة المد والجزر في بحيرة ميشيغان تتراوح بين 1.3 و3.8 سم (0.5 إلى 1.5 بوصة)، أو بدلاً من ذلك، 4.4 سم (1+3⁄§56§ بوصة). إن مثل هذه المستويات الدنيا من المد والجزر تطغى عليها تمامًا تأثيرات أخرى أكثر جوهرية، مما يؤدي إلى تصنيف هذه البحيرات على أنها بحيرات غير مدية بشكل فعال.

المد والجزر في الغلاف الجوي

على مستوى سطح الأرض وارتفاعات الطيران النموذجية، تعتبر حركة المد والجزر في الغلاف الجوي ضئيلة، حيث تحجب ظواهر الأرصاد الجوية الأكثر أهمية آثارها. تنشأ هذه المد والجزر من قوى الجاذبية والحرارة وتشكل العمليات الديناميكية الأولية داخل الغلاف المتوسط والغلاف الحراري السفلي، على بعد حوالي 80 إلى 120 كيلومترًا (50 إلى 75 ميلًا) فوق سطح الأرض، وبعدها تكون الكثافة الجزيئية غير كافية للحفاظ على السلوك الشبيه بالسوائل.

المد والجزر على الأرض

يمارس المد والجزر الأرضية، المعروف أيضًا باسم المد والجزر الأرضية، تأثيرًا على كتلة الكوكب بأكملها، والتي تتصرف بشكل يشبه الجيروسكوب السائل المغطى بقشرة رقيقة بشكل ملحوظ. تتعرض قشرة الأرض لإزاحات – عموديًا وطوليًا وعرضيًا – نتيجة لقوى الجاذبية من القمر والشمس، وتأثيرات المد والجزر المحيطية، وتغيرات الضغط الجوي. على الرغم من عدم أهميته بشكل عام بالنسبة لمعظم المساعي البشرية، إلا أن السعة شبه اليومية للمد والجزر الأرضية يمكن أن تصل إلى حوالي 55 سم (22 بوصة) عند خط الاستواء، مع 15 سم (5.9 بوصة) تعزى إلى التأثير الشمسي. تحمل هذه الظاهرة أهمية كبيرة لمعايرة أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) وقياسات التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI). تتطلب القياسات الزاوية الفلكية الدقيقة بيانات دقيقة عن سرعة دوران الأرض وحركتها القطبية، وكلاهما يتم تعديلهما بواسطة المد والجزر على الأرض. يظهر المد والجزر شبه النهاري M₂ مرحلة شبه متزامنة مع القمر، مما يظهر تأخرًا في المد القمري شبه النهاري الأساسي للأرض بمقدار 0.204°±0.047°، وهو ما يترجم إلى تأخير زمني تقريبي قدره 25 ثانية. وبالتالي، يُقدر أن هذا المد الصلب يبدد ما لا يقل عن 110 جيجاوات (150.000.000 حصان) من طاقة المد والجزر، وهو ما يمثل حوالي 5% من الطاقة التي تتبدد بسبب المد والجزر في المحيطات.

المد والجزر في المجرة

يشير المد والجزر في المجرة إلى قوى الجاذبية التي تمارسها المجرات على نجومها المكونة لها وعلى المجرات التابعة لها في المدار حولها. داخل النظام الشمسي، يُفترض أن تأثير المد والجزر المجري على سحابة أورت هو المسؤول عن نشوء 90% من المذنبات طويلة الدور.

التسميات الخاطئة

تسونامي، وهي موجات كبيرة ناتجة عن النشاط الزلزالي، يتم تصنيفها أحيانًا بشكل خاطئ على أنها موجات مد وجزر. ومع ذلك، تنبع هذه التسميات من تشابهها مع ظواهر المد والجزر وليس من أي علاقة سببية مباشرة. تشمل الظواهر الإضافية التي تستخدم مصطلح المد والجزر ولكنها لا علاقة لها بالمد والجزر الجاذبية، المد والجزر، والمد العاصفي، والمد الإعصاري، والمد والجزر الأسود أو الأحمر. العديد من هذه التطبيقات لها جذور تاريخية، مما يعكس تعريفًا قديمًا لـ "المد والجزر" على أنه "جزء من الوقت، أو موسم" أو "تيار أو تيار أو فيضان".

الأهمية الثقافية

بعيدًا عن آثارها العلمية، امتلك المد والجزر تاريخيًا أهمية ثقافية عميقة، حيث أثر على الروايات الأسطورية، والأعمال الأدبية، والتعبيرات اللغوية، ووجهات النظر البشرية حول العالم. يلاحظ العلماء والمؤرخون أن المد والجزر الإيقاعي للمحيطات كان بمثابة استعارة منتشرة لمفاهيم مثل الوقت والتحول والحالة الإنسانية عبر التقاليد الثقافية المتنوعة. في الوقت نفسه، وثق المؤرخون الثقافيون بدقة الطرق المعقدة التي تتشابك بها ظواهر المد والجزر مع الفولكلور والخطاب الأدبي.

قبل ظهور التوضيح العلمي، كثيرًا ما فسرت العديد من المجتمعات القديمة حركات المد والجزر من خلال الأطر الكونية أو نسبتها إلى التدخلات الإلهية. أكد هذا النهج على الشعور بالتبجيل وعنصر الغموض في فهم البشرية للإيقاعات المحيطية.

على مر التاريخ، استخدم الفنانون والشعراء باستمرار صور المد والجزر للتحقيق في موضوعات التحول والاستبطان. كثيرا ما يظهر المد والجزر في الفولكلور والاستعارات الأدبية، ويرمز إلى دورات الحياة، والقدر، والطبيعة المتقلبة للعواطف. علاوة على ذلك، فإن تأثير جاذبية القمر واضح في الممارسات الاحتفالية الساحلية والتقاليد البحرية، مما يسلط الضوء على العلاقة المعقدة بين الدورات الطبيعية والروايات الثقافية.

ملاحظات

ملاحظات

المراجع

• تاريخ التنبؤ بالمد والجزر أرشفة 2015-05-09 في آلة Wayback.
• الأميرالية البريطانية Easytide
• توقعات المد والجزر لأستراليا وجنوب المحيط الهادئ وأمبير. القارة القطبية الجنوبية
• توقع المد والجزر والتيار، للمحطات حول العالم