Medicína a přírodověda

Článků v rubrice: 297

3. prosince 2012

Dmutí moře

Kosmický jev, který můžete pozorovat bez dalekohledu

Jako vnitrozemský národ známe mořské dmutí – neboli unikátní přírodní jev přílivu a odlivu – jen teoreticky. Ani při dovolených u Jadranu nebo jinde ve Středomoří se s ním prakticky nesetkáme, neboť mořská hladina zde kolísá pouze o desítky centimetrů. Proto také tomuto jevu antické civilizace věnovaly pouze okrajovou pozornost. Plinius Starší a Strabón sice již o souvislosti mezi dmutím a fázemi Měsíce věděli, avšak řečtí, féničtí a římští plavci se až na malé výjimky s přílivem a odlivem ve své praxi nesetkávali. Zato s ním byli důvěrně obeznámeni rybáři na atlantickém pobřeží Evropy. Znalost střídání přílivu a odlivu byla pro Portugalce, Basky, Bretonce, Normanďany, Angličany, Skoty, Iry a Holanďany životní nutností, Aby jejich rodiny nepomřely hladem, museli na moře vyplouvat denně a za jakéhokoli počasí. (Šikovný web World Tide Times, Tides Tables and Tide Charts - 2021 - Tideschart.com dnes ukazuje výšky a časy přílivu kdekoliv na Zemi.)

Fotogalerie (10)

Řeka Orwell ve východní Anglii za odlivu

Na západním pobřeží Evropy činí rozdíl hladin až několik metrů, v některých skotských zálivech dokonce více než 10 metrů. Nánosy v ústích řek způsobovaly, že se do přístavů na těchto řekách dalo vplout jen při určité výši přílivu a vyplout na moře jen do doby, než hladina opadla natolik, že mělčiny už nebyly splavné.

Tito rybáři také odhalili podivný, až mystický jev. Zjistili, že výška vody se mění vždy po stejné době – šest hodin a dvanáct minut stoupá, šest hodin a dvanáct minut klesá. Nevěděli, že to je čtvrtina měsíčního dne, ale souvislosti s Měsícem si všimli. Vždy pří úplňku nebo fázi nového měsíce byl rozdíl hladin mezi přílivem a odlivem největší, v první a poslední čtvrti pak nejmenší.

Dmutí jako civilizační faktor

Když Evropané vyrazili na Atlantik a další oceány, nabyla znalost dmutí ještě na větším významu. Evropě doslova přinesla bohatství. V 16. století, kdy se rozeběhl zámořský obchod s kořením a dalšími luxusními komoditami z Asie, umělé přístavy prakticky neexistovaly a většina z nich ležela v ústích řek, např. Lisabon v ústí Taja, Londýn na Temži, Antverpy v ústí Šeldy, Bruggy na řece Reie atd. Pro plachetní koráby obtěžkané zbožím by byla plavba proti proudu řek bez pomoci přílivu obtížná, protože v ústí řek vítr často přeskakuje, utichá, vlečení by znamenalo další náklady a na plachetních korábech se veslovat nedalo. Evropské přímořské státy však měly například proti Indii a Číně jedinečnou výhodu v tom, že jejich koráby byly do přístavu neseny přibližně šest hodin přílivem. Když to nestihly, zakotvily na místě, kde zrovna byly, přečkaly odliv na kotvě a po šesti hodinách pokračovaly s další přílivovou vlnou. Při vyplouvání na moře se postupovalo opačně. Jinak řečeno – portugalské a španělské, následně pak anglické, holandské a francouzské lodě na východní straně Atlantiku, a později i americké na západní straně téhož oceánu, měly k dispozici pravidelně pracující přírodní výtah; ten je zdarma dopravil na moře a po návratu zpět do přístavu. Výtah pracoval na obou březích severního Atlantiku dvakrát denně, jinde se střídá příliv s odlivem pouze jedenkrát denně, popř. smíšeně s tím, že druhý příliv je zanedbatelný. Euroatlantická civilizace tak disponovala nespornou výhodou, která jí umožnila stavět velké vícestěžňové námořní plachetnice a vyzbrojovat je děly. Což byl také důvod, proč Evropa objevila svět a nikoli svět Evropu.

Fyzikální podstata dmutí

Výška přílivu a odlivu se v anglických přístavech měřila již za římské éry, kdy vznikl kupecký spolek Cinque Ports. Se záznamy se pokračovalo po celý středověk, a když Evropané vyrazili na oceány, byl k dispozici slušný archiv dat. Nicméně nikdo nedokázal tento jev vysvětlit. Pokoušel se o to Galileo Galilei, který ve svém Dialogu o dvou systémech světa předložil chybnou teorii, že za dmutím moře je pohyb Země kolem Slunce. Teprve Isaac Newton, poté co zformuloval gravitační teorii, dokázal ve svých Principiích (1687)na základě gravitačního působení Měsíce a Slunce jev dmutí vědecky vysvětlit. Jeho teorie vysvětlovala i pravidelné rozdíly ve výškách přílivu a odlivu v závislosti na fázích Měsíce.

Francouzská Akademie věd vypsala v roce 1740 za nejlepší esej na téma mořského dmutí cenu. Podělili se o ni Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Colin Maclaurin a Antoine Cavalleri. Co jméno, to pojem v dějinách fyziky a matematiky. To dokazuje, že problém mořeplavby na přílivových vodách byl mocným stimulem pro rozvoj evropské vědy. Maclaurin použil Newtonovu gravitační teorii k doložení teorie, že slapové působení gravitačních sil na vodstvo mění Zemi v protáhlý sferoid (ve skutečnosti tříosý ovoid) s hlavními osami natočenými vůči deformujícímu tělesu. Byl také první, kdo vzal správně v úvahu rotaci Země, která se promítá do přílivové vlny, jež postupuje po povrchu zeměkoule v závěsu za Měsícem. Pierre Simon Laplace pak formuloval soustavu parciálně diferenciálních rovnic týkající se horizontálního proudění vody vzhledem k výšce hladiny. Šlo o první dynamický systém pro popis dmutí.

Fyzikální teorii dmutí se dále věnovali Kelvin, Poincaré a Dodson, který uplatnil harmonickou analýzu. Jeho teorie se používá dodnes, Námořníci však nepotřebovali matematický model ve formě diferenciálních rovnic, ale praktické tabulky.

Jak předvídat dmutí

Pro bezpečnou plavbu je nutné, aby námořník věděl, s jakým stavem vody v ten který den a v tu kterou hodinu může počítat, až se přiblíží k pobřeží a bude chtít vplout do přístavu. Nebo naopak – v kterou hodinu může z přístavu vyplout. K tomu tedy potřebuje tabulky, které by pro konkrétní přístav ke každému dni uváděly dobu vyvrcholení přílivu a odlivu.

První tabulky pro plavbu za přílivu a odlivu se objevily v Číně již v roce 1056 a umožňovaly prorazit přílivový val, jenž se vytvářel na řece Čchien‑tchang v době, kdy se přílivová vlna srazila s jejím proudem. První britské tabulky přílivů a odlivů sestavil John Wallingford (zemřel v roce 1213 jako opat ve St. Albans). Vycházely z přílivu, který se každý den opožďoval o 48 minut a nastával o tři hodiny dříve v ústí Temže, než dorazil proti toku řeky do Londýna.

V 19. století se lidé pokusili postoupit dále. Lord Kelvin se od roku 1867 věnoval harmonické analýze záznamů dmutí a na jejím základě sestrojil „předvídací stroj“ sestávající ze systému kladek, jenž skládal dohromady šest harmonických. Obdobné stroje se používaly až do 60. let minulého století, nicméně ani ve věku počítačů se nedá příliv či odliv exaktně vypočítat pro daný čas a dané místo.

Příčinou je charakter složek, jež dmutí způsobují a ovlivňují. Počítá se mezi ně lunární polodenní složka (základní, označovaná jako M2), sluneční složka ovlivňující velikost rozdílů hladin mezi přílivem a odlivem (příznakem jsou fáze Měsíce), lunární perigeum a apogeum a batymetrie (vliv tvaru pobřeží a mělčin). K tomu přistupují další, méně vlivné složky, např. sluneční gravitační efekty, sklon osy zemské rotace, sklon roviny oběžné dráhy Měsíce a eliptický tvar oběžné dráhy Země kolem Slunce. Rotace Země pak způsobuje, že deformace hladiny světového oceánu – vyvolaná měsíční a sluneční gravitací – se po zemském povrchu posunuje a vyvolává přílivovou vlnu.

Všechny uvedené složky (až na batymetrii) reprezentují vliv kosmických sil. Dmutí je tedy kosmický jev, který můžeme sledovat na vlastní oči a můžeme být přímými svědky jeho dopadu na tvářnost krajiny. Hlavně na suchozemce to působí poněkud děsivě a ani lidé žijící po generace na pobřeží nejsou k tomuto jevu lhostejní. Stále v něm vidí něco tajemného a mystického. Reaguje tak i příroda. Když vrcholí příliv nebo odliv a voda se zastaví (říká se tomu mrtvá voda – slack), kupříkladu umlkají všichni ptáci, jako by svět ve strachu čekal, zda se dá opět do pohybu.

Do popisu dmutí vnesla řád a terminologii až oceánografie, která se zrodila v průběhu 19. století, a o jejíž uplatnění se zasloužil americký námořní důstojník Matthew Maury, když v roce 1855 vydal první učebnici oceánografie.

Podle této vědy se dmutí dělí podle četnosti na tři druhy. Základní je půldenní dmutí s periodou 12 hodin 25 minut, které vyvolává Měsíc. Opakuje se tedy dvakrát za den, ale přitom se neustále časově posunuje. Toto dmutí existuje všude na zeměkouli kromě pólů. V této „čisté“ podobě se však projevuje hlavně v severním Atlantiku. Jedenapůldenní či smíšené dmutí má jednu periodu redukovanou, takže se za jeden den projevuje jednou velkou přílivovou vlnou, kdežto druhá je mnohem nižší. Jedenapůldenní dmutí se dá pozorovat na tichomořském pobřeží USA. V případě, že je druhá přílivová vlna redukována na nulu, hovoříme o jednodenním dmutí, které se vyskytuje v mělkých mořích, kupříkladu v Mexickém zálivu a na pobřeží jihovýchodní Asie.

Podle rozdílu výšky hladin za přílivu a odlivu (říká se mu skok, angl. range), se dmutí dělí na skočná (Spring) a hluchá (Neap). Úrovně hladin schematicky zachycuje obr. 1. Skočné dmutí s velkým skokem nastává s malým zpožděním při úplňku a novu, kdy jsou Slunce, Země a Měsíc v přímce. Vektory gravitace Měsíce a Slunce leží tedy také v přímce a jimi vyvolané slapové síly jsou maximální. Hluché dmutí s malým skokem nastává při první a poslední čtvrti, kdy vektory gravitačních sil svírají pravý úhel a jimi vyvolané slapové síly jsou minimální. Přestože Slunce je podstatně hmotnější než Měsíc, větší vzdálenost způsobuje, že jeho příspěvek ke slapovým silám činí jen 45 % hodnoty lunárních slapových sil.

Na mnoha místech světa dnes měří kolísání vodní hladiny vyvolané dmutím automatické přístroje a získané hodnoty se ukládají ke starým záznamům. Slouží jako podklad pro vypracování tabulek, jež hydrografické instituty námořních velmocí vydávají na rok dopředu.

Tabulky přílivů o odlivů a navigační praxe

Vzhledem k nesouladu mezi lunárním dnem a dnem pozemským se časy vysoké (high water, HW) a nízké vody (low water, LW), jak se vyvrcholení přílivu a odlivu nazývají, posouvají a tabulky (tide tables) je třeba vydávat pro každý rok znovu. Navigátor smí použít pouze ty současné, nikoli třeba loňské. Pro některé oblasti, např. pro Britské ostrovy, se dají tabulky na 28 dní dopředu stáhnout z internetu (www.pol.ac.uk/ntslf/tidalp.html). Předpověď přílivů a odlivů pro celý svět pak poskytuje server Britské admirality, easytide.ukho.gov.uk/EasyTide/EasyTide/index.aspx. Pro neregistrované je dává pouze na 7 dní dopředu a v některých oblastech jen v podobě grafu, nikoli tabulek.

Tabulky (obr. 2) umožňují navigátorovi řešit základní úlohu pro plavbu v přílivové oblasti – stanovit časové „okno“, kdy může s lodí o daném ponoru zaplout či vyplout z daného přístavu, kde je za odlivu omezená hloubka. Platí to i pro různá kotviště v přírodě, která milují jachtaři. Takovým je kupříkladu oblast Walton Backwaters jižně od přístavu Harwich, kterou spisovatel Arthur Ransome použil jako dějiště svého románu Záhadné vody (obr. 3). Vstupu do tohoto bludiště brání mělčina, kde je za odlivu hloubka 0,8 m. Plujete‑li na jachtě o ponoru 2 m, musíte si podle údajů z tabulek spočítat, kdy vám příliv přidá chybějící 1,2 m vody, abyste mohli vplout, nebo se naopak vrátit na moře. Přesné stanovení doby se řeší graficky a používá se k tomu graf, který je součástí tabulek. Graf ukazuje, jak voda v závislosti na čase nabíhá a opadá. Teoreticky by to měla být sinusoida (velmi podobná křivka to také nejčastěji je), ale jak dokládá obr. 4, křivka může být různě deformovaná, může mít i sedlo a podstatně se lišit podle toho, zda se jedná o skočné nebo o hluché dmutí.

Jelikož není možné měřit dmutí na všech místech na pobřeží a uvést je v tabulkách, tabelují se hodnoty pouze pro takzvané standardní přístavy. Pro výpočty v jiných přístavech než standardních (říká se jim sekundární) je třeba použít pomocné tabulky, kterými se základní hodnoty korigují, a to jak argument (časový údaj vysoké či nízké vody), tak velikost skoku. Chce‑li navigátor spočítat výšku přílivu či odlivu na obecném místě pobřeží, musí interpolovat tabulkové hodnoty sousedních přístavů. Dnes samozřejmě existuje software, který tyto výpočty zvládne. Jako příklad může posloužit freeware WXTide 32 pracující pod Windows. Většina výrobců navigačních počítačů jej nebo jiný program nabízí v softwarovém balíčku.

Jachtařům ve většině případů stačí přibližný odhad pomocí takzvaného dvanáctinového pravidla. To říká, že v první hodině stoupne voda o jednu dvanáctinu skoku, ve druhé o dvě dvanáctiny, ve třetí o tři dvanáctiny, ve čtvrté opět o tři dvanáctiny, v páté o dvě dvanáctiny a v šesté o jednu dvanáctinu. Opad k nízké vodě se odhaduje stejně. Já jsem během svých plaveb v Severním moři v letech 2007 a 2011, včetně návštěvy Walton Backwaters, s dvanáctinovým pravidlem vystačil.

Přílivové proudy

Ačkoli se jim odborně říká výčasové, všeobecně se o nich hovoří jako o přílivových. Jsou důsledkem dmutí, neboť mořská voda v přílivových oblastech střídavě proudí, aby vyrovnala rozdíly výšek mezi přílivem a odlivem. Tyto proudy jsou navigačně mnohem záludnější než základní kolísání výšek vodní hladiny. V Severním moři se směr těchto proudů, jež jsou nejsilnější u pobřeží, mění každých 6 hodin a 12 minut, takže střídavě posunují plavidlo šest hodin na sever a šest hodin na jih. A to často rychlostí vyšší než 2 uzly, tj. cca 3,7 km/hod.

Aby navigátor mohl toto posunutí určit, má k dispozici atlasy proudů (obr. 5) Ty ukazují, jak se proudy po hodinách mění, přičemž v britských vodách jsou časové údaje obvykle vztaženy k vysoké vodě v Doveru. První dvojice číslic čtyřmístného čísla u šipek udává rychlost proudu v uzlech při hluchém dmutí (je třeba přimyslet si desetinou čárku mezi číslicemi), druhá dvojice pak obdobným způsobem rychlost při skočném dmutí.

Dnes nepůsobí přílivové proudy při navigaci takové nesnáze jako v minulosti. Moderní navigační počítače s elektronickými mapami a připojením na GPS ukazují na displeji nejen skutečnou polohu plavidla, ale také skutečný kurz daný vektorovým součtem všech vlivů – snosu od větru a pochopitelně i snosu způsobeného přílivovým proudem. Pokud je počítač spojen s dalšími čidly ve dnu lodě, která měří pohyb lodě vůči vodě, a s větrnou korouhvičkou a kompasem, může na displeji znázornit snos způsobený větrem, ale i proudem. Takto jsme měli vybavenou jachtu pro plavby po Severním moři v roce 2007 a 2011, kde navigační počítač Raymarine E80 ukazoval směr větru žlutou šipkou, kurz beze snosu červeným vektorem a skutečný kurz proti dnu zeleným vektorem (obr. 6). Pak stačilo zkusmo otáčet kormidlem, dokud zelený vektor neprotínal místo, kam jsme chtěli, třeba k navigační bóji.

Nicméně ani nejmodernější technika nezvládne vše. Bez vytrvalosti, houževnatosti a znalostí se na moři neobejdete ani dnes. Poznal jsem to na vlastní kůži, když jsme se v roce 2011 probíjeli z Doverské úžiny do Portsmouthu proti jihozápadní vichřici o rychlosti větru 35 uzlů (65 km/h). V posledním úseku cesty se proti nám obrátil přílivový proud a naše rychlost ve směru cíle poklesla na 2 km/h, takže do Portsmouthu místo v sedm večer jsme dopluli o půlnoci.

Z hlediska přílivových proudů je Lamanšský průliv jedním z nejzáludnějším míst na světě. Průliv se totiž za přílivu plní ze dvou stran – ze severu Severním mořem a od jihozápadu přímo Atlantikem. A při odlivu se také oběma směry vyprazdňuje. Jelikož přílivové vlny vstupují do průlivu v různém čase, je výsledkem pohyblivé rozhraní mezi proudy, které se posunuje zhruba od Doverské úžiny až k ostrovu Wight. Při špatném načasování se vám může stát, že poté, co jste se šest hodin prali s odlivovým protiproudem a těšíte se na přílivový proud opačného směru, který vás popostrčí dopředu, dočkáte se opět protiproudu, poněvadž jste překročili rozhraní a jste v oblasti, kde příliv plní průliv z opačné strany.

O to větší zadostiučinění pocítíte, když i přes nástrahy takového kosmického jevu, jakým dmutí je, dosáhnete svého cíle.

Dmutí jako zdroj energie

K pohonu mlýnů se energie dmutí využívala již ve středověku a v 17. a 18. století byla většina mouky v Bostonu umleta s její pomocí. První studie na využití dmutí k výrobě elektrické energie vznikla v USA v roce 1924. Předpokládala stavbu elektrárny v zálivu Fundy na hranících státu Maine a kanadské provincie Nové Skotsko, resp. v jeho součásti – v zátoce Passamaquoddy. První přílivová elektrárna však byla uvedena do provozu až v listopadu 1966 na řece Rance ve francouzské Bretani. Jejích 24 Kaplanových turbín využívá rozdílu hladiny mezi přílivem a odlivem (činí až 13,4 m) a má špičkový výkon 240 MW. Délka hráze přehrazující řeku činí 750 m, pracovní pole s turbínami je dlouhé 332,5 m.

Se stavbou přílivové elektrárny Annapolis v zálivu Fundy se začalo v roce 1980 a v roce 1984 byl tento vládní projekt dokončen. Elektrárna dodává do sítě 20 MW a je jedinou v Severní Americe. Celkem je na světě v provozu sedm přílivových elektráren, z nichž největší výkon 254 MW má jihokorejská Sihwa. V současné době se uvažuje o využití kinetické energie dmutí v podobě vrtulových generátorů, obdobě větrných elektráren.

Je zajímavé, že oproti větrným a solárním se přílivové elektrárny nijak nerozšířily, ani se netěší větší podpoře. I když právě v zátoce Fundy by mohla vzniknout elektrárna s obřím výkonem, neboť průtok vody je zde 117x větší než v La Rance. Přitom investice do hrází a do strojního vybavení těchto elektráren, využívajících potenciální energii jako klasické přehradní elektrárny, je určitě mnohonásobně nižší, než do jaderných elektráren. Navíc se jedná o naprosto čistý, ekologický provoz.

Osobně si myslím, že problém, proč se po La Rance nezačaly stavět přílivové elektrárny v masovém měřítku, spočívá v písečných a bahnitých nánosech. Jelikož voda při průchodu elektrárnou ztrácí energii, musejí z ní vypadávat usazeniny, které elektrárnu zanášejí a snižují její účinnost. Nicméně je to názor laika a snad se na stránkách magazínu „3pól“ objeví i zasvěcenější komentář.