Table of Contents

Механика приливов

Приливы генерируются гравитационным притяжением Луны и, в меньшей степени, Солнца в сочетании с вращением Земли. Это взаимодействие создает два приливных выпуклости на противоположных сторонах планеты, в результате чего происходит ритмический подъем и падение уровня моря. Вертикальная разница между высоким и низким приливом называется приливным диапазоном, который резко варьируется по местоположению. В открытом океане приливный диапазон обычно составляет менее одного метра, но вдоль определенных береговых линий он может превышать 15 метров, как видно в заливе Фанди. Приливы происходят в полудневных (два высоких и два низких в день), суточных (один цикл в день) или смешанных закономерностях в зависимости от местной географии и динамики океанского бассейна. Весенние приливы, когда Солнце и Луна выравниваются, производят самые высокие максимумы и самые низкие минимумы, в то время как приливы, когда они находятся под прямым углом, приводят к минимальному приливному диапазону. Понимание этих циклов имеет важное значение, поскольку они контролируют энергию, доставляемую на береговую линию в течение ежедневного, двухнедельного и сезонного периодов времени.

Горизонтальное движение воды, связанное с приливами, известно как приливные течения. Эти течения могут быть сильными, особенно в узких проливах, впусках и эстуариях, где они транспортируют осадок, разрушают каналы и перераспределяют питательные вещества. Скорость и направление приливных течений изменяются с фазой прилива, создавая сложные структуры потока, которые взаимодействуют с волнами и штормовыми нагонами. Для более глубокого погружения в приливную физику Национальная служба океана обеспечивает подробное объяснение приливных сил и типов на их портале образования.

Приливное действие и береговая эрозия

Прибрежная эрозия — это изнашивание земли действием волн, течений и приливов. Приливы влияют на эрозию через несколько различных механизмов, каждый из которых работает в разных пространственных и временных масштабах. Во время прилива волновая энергия достигает более высоких высот на берегу, атакуя скалы и дюны, которые в противном случае были бы укрыты. Во время прилива волны прорываются через открытые приливные плоскости и платформы, часто собирая осадок для использования в качестве абразивных инструментов.

Гидравлическое действие и истирание

Гидравлическое действие происходит, когда вода вынуждена в трещины и трещины в породах, сжимая воздух и затем быстро высвобождая его по мере отступления волны. Это повторяющееся изменение давления ослабляет горные структуры, в конечном итоге вызывая разрыв фрагментов. Приливы усиливают этот эффект, многократно смачивая и высушивая межприливную зону, способствуя выветриванию соли и биологической активности, такой как зарывание морскими организмами. Истирание или коррозия происходит, когда волны, вооруженные песком, галькой или валунами, рыщут по береговой линии. Приливные течения транспортируют эти материалы и удерживают их в подвешенном состоянии, увеличивая измельчение воздействия на породу и искусственные структуры.

Транспортировка осадков приливными течениями

Приливные течения очень эффективны при перемещении осадка вдоль побережья. В чистом транспорте песка и гравия часто преобладает сочетание приливных потоков и волновых длинноходовых течений. В эстуариях приливный приток и отток создают двухслойную циркуляцию, которая захватывает осадок, создавая грязевых отложений и приливных зон. На открытых побережьях сильные приливные течения могут прочесывать каналы и удалять материал с береговой линии, что приводит к снижению уровня моря и повышенной уязвимости к штормам. Взаимодействие приливных течений и волновой энергии является ключевым фактором в определении того, накапливает ли береговая линия осадок или эродирует. Для дальнейшего чтения по динамике переноса осадков Геологическая служба США предлагает подробный обзор процессов прибрежных осадков на их веб-сайте .

Формы рельефа, сформированные приливами

Взаимодействие эрозии и осаждения, обусловленное приливами, создает замечательное разнообразие прибрежных рельефов. Эти особенности варьируются от крупномасштабных устьев и дельт до более мелких объектов, таких как приливные ручьи и барьерные пляжи. Приливы не только формируют форму береговой линии, но и определяют распределение мест обитания и долгосрочную эволюцию прибрежных равнин.

Улицы и приливные плоскости

Устья представляют собой полузакрытые прибрежные тела, где пресная вода из рек смешивается с соленой водой из океана. Приливы играют центральную роль в их образовании и поддержании путем контроля обмена водой, осадками и питательными веществами. Приливная призма — объем воды, которая входит и выходит из устья во время каждого приливного цикла — определяет глубину канала и степень приливных ров. Обширные грязевые и песчаные пятнышки развиваются в макротидных устьях (приливный диапазон более 4 метров), обеспечивая критические питательные основания для береговых птиц. Со временем накопление осадков может превращать приливные плоскости в соляные болота, которые помогают стабилизировать береговую линию.

Барьерные острова и косы

Барьерные острова — это длинные, узкие морские отложения песка, которые проходят параллельно материку. Они формируются сочетанием волнового действия и приливных течений. Приливные впуски прорезают барьеры, позволяя воде течь в лагуны и из них. Эти впуски мигрируют с течением времени, когда приливные течения разрушают одну сторону и отлагают песок на другой. Приливные впадины похожи, но прикреплены к материку на одном конце. Приливное влияние имеет решающее значение для определения ориентации и стабильности этих рельефов. На побережьях с сильными приливными течениями барьерные острова имеют тенденцию быть короче и шире разнесенными, потому что приливная энергия препятствует непрерывному накоплению песка.

Соленые болота и болота мангровых зарослей

Соленые болота — это интертидальные экосистемы, которые развиваются в защищенных районах, где приливные наводнения регулярны, но не слишком энергичны. Вегетативная ловушка осадка, позволяющая болотной поверхности расти вверх по мере повышения уровня моря. Приливные ручьи извиваются через болота, распределяя воду и питательные вещества. В тропических и субтропических регионах мангровые леса играют аналогичную роль. Как соляные болота, так и мангровые леса выступают в качестве естественных буферов против береговой эрозии, рассеивая энергию волн и стабилизируя осадки своими корневыми системами. Однако эти экосистемы чувствительны к изменениям приливного режима, например, вызванным повышением уровня моря или измененным притоком пресной воды.

Утесы, платформы Wave-Cut и выемки

На скалистых береговых линиях приливная эрозия способствует развитию утесов и волнореза. Основа утеса подвергается многократному смачиванию и высыханию, в сочетании с волновым воздействием на различных уровнях прилива. Эта зона концентрированной эрозии вырезает выемку у основания утеса. По мере углубления выемки возвышающаяся скала становится неподдерживаемой и обрушается, в результате чего утес отступает. Размытый материал затем уносится приливными течениями, оставляя у подножия утеса мягко наклонную волнорезную платформу. Эти платформы часто обнажаются при отливе и образуют отличительную черту многих высокоэнергетических скалистых побережий, таких как вдоль берегов Калифорнии и Орегона.

Пляжи и прибрежные дюны

Пляжи представляют собой скопления песка, гравия или булыжников, которые формируются сочетанием волн и приливов. На приливных пляжах ширина и склон пляжа резко меняются между приливом и отливом. Весенние приливы часто производят отчетливую приливную берму, в то время как приливы могут оставлять верхний пляж нетронутым в течение нескольких дней. Приливные течения также перемещают песок вдоль пляжа, способствуя сезонным изменениям пляжного профиля. В некоторых местах ветер дует песком с открытого пляжа с низким приливом вглубь, образуя прибрежные дюны. Развитие дюн зависит от наличия песка, силы и направления береговых ветров и наличия растительности для улавливания песка. Приливы косвенно влияют на рост дюн, контролируя ширину пляжа и содержание влаги в песке.

Факторы, которые модулируют приливное влияние

Не все береговые линии реагируют на приливы одинаково. Несколько факторов определяют величину и характер приливных воздействий на эрозию и развитие рельефа.

Прибрежная геометрия и батиметрия

Форма береговой линии и подводная топография глубоко влияют на приливное поведение. Широкие, неглубокие континентальные шельфы усиливают приливные диапазоны, в то время как крутые, узкие полки ослабляют их. Заливы и эстуарии могут резонировать с приливным воздействием, приводя к чрезвычайно высоким приливным диапазонам (например, залив Фанди). И наоборот, острова и рифы могут блокировать или преломлять приливные волны, создавая местные изменения. Ориентация береговой линии относительно входящей приливной волны также имеет значение; побережья, которые сталкиваются с направлением приливного распространения, испытывают более сильные течения и большую эрозию.

Повышение уровня моря

Повышение уровня моря увеличивает глубину воды над континентальным шельфом, изменяя приливную динамику. Во многих районах повышение уровня моря, по прогнозам, увеличит приливные диапазоны и текущие скорости, особенно в эстуариях и прибрежных заливах. Более высокие уровни моря также подталкивают зону приливного влияния дальше внутрь страны, подвергая новые районы эрозии и наводнениям. Соленые болота и мангровые заросли должны аккреционировать осадок достаточно быстро, чтобы идти в ногу; в противном случае они тонут и превращаются в открытую воду, снимая свою защитную функцию. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) сообщает, что глобальный средний уровень моря поднялся примерно на 20 см с 1900 года, с ускорением в последние десятилетия (IPCC AR6, глава 9) .

Человеческие вмешательства

Деятельность человека может резко изменить приливное влияние. Дноуглубление навигационных каналов углубляет водные пути, позволяя приливным течениям проникать дальше и с большей силой. Строительство причалов, пахов и морских стен может нарушить естественный транспорт осадков, приводя к эрозии на нисходящих береговых линиях. Восстановление земель и удаление мангровых лесов удаляют естественные буферы. Плотины и водоотводы уменьшают снабжение осадков дельтами, делая их более уязвимыми для приливной эрозии. Многие из основных дельт мира, включая Миссисипи и Ганг-Брахмапутру, тонут из-за сочетания голодания осадков и повышения уровня моря, усугубляя приливное наводнение.

Бурные события

Штормовые нагоны, являющиеся временным повышением уровня моря, вызванным низким атмосферным давлением и сильными ветрами, могут сильно усилить эрозионную силу приливов. Когда штормовой нагой совпадает с высоким весенним приливом, уровень воды может превышать нормальный прилив на несколько метров. Эта комбинация доставляет огромную волновую энергию на верхний пляж, дюны и береговую инфраструктуру. Ураган 2012 года Сэнди, например, вызвал штормовой нагон, вызвавший обширную эрозию вдоль побережья Нью-Джерси и Нью-Йорка. Ожидается, что частота и интенсивность таких штормов возрастут с изменением климата, что делает взаимодействие приливов и штормов критической областью исследования.

Известные тематические исследования влияния приливов

Изучение конкретных мест помогает проиллюстрировать различные способы формирования приливов береговых линий по всему миру.

Залив Фанди, Канада

Залив Фанди славится самыми высокими приливами в мире, максимальная дальность приливов более 16 метров. Этот крайний приливный диапазон обусловлен резонансом в воронкообразной геометрии залива. Мощные приливные течения разрушают красные песчаные скалы Хоупвелл-Рокс, создавая отличительные образования в форме цветочного горшка. Огромный объем воды, движущейся в бухте и из бухты, также поддерживает богатую экосистему и поддерживает генерацию приливной энергии через турбины в потоке. Залив Фанди является живой лабораторией для изучения воздействия макротидальных режимов на прибрежную геоморфологию.

Побережье залива Луизианы, США

Побережье Мексиканского залива в Луизиане испытывает одни из самых высоких темпов эрозии прибрежных районов в Соединенных Штатах. Дельта реки Миссисипи естественным образом спадает, но вмешательство человека - дамбы, каналы и добыча нефти и газа - сократило предложение осадочных пород и ускорило потерю земель. Приливные действия в сочетании с штормовыми нагонами от ураганов разрушают оставшиеся водно-болотные угодья с угрожающей скоростью. В период с 1932 по 2016 год Луизиана потеряла около 4900 квадратных километров прибрежных земель. Проекты восстановления направлены на восстановление осадочных пород и восстановление приливной связи, чтобы замедлить потерю.

Калифорнийское побережье, США

Береговая линия Калифорнии характеризуется крутыми скалами, активными зонами разломов и переменными приливными диапазонами (в основном смешанными полудневными с типичными диапазонами 1-2 метра). Приливная эрозия работает в тандеме с волновым действием, чтобы подрезать морские скалы, особенно в слабых осадочных породах, таких как песчаник полуострова Пойнт-Рейес. В течение 2015–2016 Эль-Ниньо, повышенный уровень моря и сильные волны вызвали отступление скал в несколько раз выше, чем обычно. Повышение уровня моря, как ожидается, ускорит эрозию скал по всему штату, угрожая автомагистралям, железным дорогам и прибрежным сообществам.

Вадденское море, Нидерланды, Германия, Дания

Вадденское море — одна из крупнейших в мире неразрывных систем приливных песков и грязевых пятен, простирающаяся вдоль побережья Северного моря. Его уникальная морфология полностью сформирована приливным действием. Приливной диапазон колеблется от примерно 1,5 до 3,5 м, создавая обширные участки, которые попеременно погружены и обнажены. Приливные каналы сливают и затопляют плоскости, транспортируя осадочные породы и поддерживая динамическое равновесие. Эта система поддерживает огромное биоразнообразие и является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО. Однако повышение уровня моря представляет угрозу; плоскости должны аккрецировать вертикально со скоростью, соответствующей повышению уровня моря, чтобы избежать утопления.

Дельта Ганга-Брахмапутры, Бангладеш и Индия

Дельта Ганга-Брахмапутры, также известная как Сундарбаны, является крупнейшей дельтой в мире. На нее сильно влияют сильные приливные течения и большой приливной диапазон (до 6 метров в некоторых районах). Дельта спадает из-за уплотнения осадков и тектонической активности, в то время как повышение уровня моря и повышенная интенсивность циклона усугубляют эрозию. Мангровые леса Сундарбанов обеспечивают критическую защиту, но они истощаются в результате вторжения человека и засоления. Динамика приливов в этом регионе сложна, на структуры переноса осадков сильно влияют как разливы рек, так и океанские приливы.

Стратегии смягчения и адаптации

Решение проблем приливной эрозии требует сочетания инженерного дела, экологического восстановления и планирования. Наиболее эффективные подходы часто предполагают работу с природными процессами, а не против них.

Мягкая инженерия и природные решения

Мягкая инженерия использует природные материалы и процессы для уменьшения эрозии. Питание пляжей включает добавление песка к разрушающимся пляжам для восстановления их ширины и высоты. Восстановление дюн стабилизирует песок с родной растительностью, которая также обеспечивает среду обитания. Живые береговые линии используют растения, устричные рифы и другие природные элементы для поглощения энергии волн и улавливания осадка. Во многих случаях эти методы более устойчивы и дешевле в долгосрочной перспективе, чем твердые структуры. Природная охрана продвигает живые береговые линии в качестве ключевой стратегии для береговой устойчивости .

Твердые инженерные структуры

Морские стены, рифы, волнорезы и пахи — традиционные жесткие инженерные решения. Они обеспечивают немедленную защиту собственности, но могут ухудшить эрозию на прилегающих пляжах, отражая энергию волн и прерывая транспортировку осадков. Их строительство дорого, и они требуют постоянного обслуживания. Во многих местах твердые конструкции пересматриваются в пользу более адаптивных подходов, особенно с учетом прогнозируемого ускорения повышения уровня моря.

Управляемый Retreat

В некоторых случаях наиболее реалистичным вариантом является перемещение зданий и инфраструктуры от побережья. Управляемое отступление позволяет естественным приливным процессам продолжаться без вмешательства, часто приводя к переформированию водно-болотных угодий и пляжей. Успешные примеры включают перемещение домов в Тихом океане, Калифорния, и перестройку береговой обороны в Соединенном Королевстве (например, схема управляемой перестройки Medmerry). В то время как политически и социально трудное, управляемое отступление может быть более рентабельным в течение длительных периодов времени, чем повторные циклы ремонта и восстановления.

Комплексное управление прибрежной зоной

Эффективное смягчение последствий требует целостного подхода, учитывающего динамику приливов, бюджеты на отложения, землепользование и климатические прогнозы. Комплексное управление прибрежными зонами (ICZM) объединяет ученых, инженеров, планировщиков и местные сообщества для разработки адаптивных стратегий. Это включает в себя установление линий отступления, регулирование развития в подверженных наводнениям районах и восстановление природных буферов. Программы мониторинга, которые отслеживают приливные возвышения, изменение береговой линии и транспортировка отложений, помогают информировать решения и позволяют своевременно корректировать.

Заключение

Приливы являются фундаментальным двигателем изменения прибрежных районов, влияющим на эрозию и развитие рельефа на всех временных масштабах. От возвышающихся скал залива Фанди до тонущих болот Луизианы, отпечаток приливных действий виден во всем мире. Понимание механики приливов, их взаимодействия с волнами и течениями и факторов, которые модулируют их последствия, имеет важное значение для прогнозирования будущей прибрежной эволюции. По мере того, как уровень моря продолжает расти и интенсивность штормов увеличивается, роль приливов в формировании наших береговых линий будет только более выраженной. Охватывая природные решения, информированное планирование и адаптивное управление, мы можем снизить риски приливной эрозии, сохраняя при этом естественную динамику, которая делает прибрежные среды такими ценными.