Еще в древности люди догадывались, что морские приливы и отливы связаны с движением Луны. Впервые объяснил природу отливов и приливов, и их взаимосвязь с фазами Луны испанский историк, географ и натуралист, иезуит Хосе де Акоста в своей «Естественной и нравственной истории Индий» (1590).
Открыв закон всемирного тяготения, Ньютон вскоре применил его к созданию первой теории приливов. Эта статическая теория, объяснившая важные особенности приливов, прежде всего их сложную периодичность, тем не менее была несовершенной, так как учитывала лишь силы, вызывающие приливы, но не вызванное ими волновое движение воды.
В следующем веке возникла более точная динамическая теория приливов, основы которой заложил Лаплас.
Последуем историческим путем — от статики возникновения приливов к динамике приливных волн.
Для начала рассмотрим систему Земля - Луна, пренебрежем вращением Земли вокруг оси и будем рассматривать только вращение Земли и Луны. Именно так: они вращаются вокруг общего центра масс, который находится внутри Земли на глубине примерно в треть земного радиуса.
На любой предмет на поверхности Земли действуют сила притяжения Луны, сила притяжения Земли и центробежная сила, связанная с вращением вокруг центра масс.
Сила притяжения к Луне, очевидно, различна для разных точек поверхности Земли. Она имеет наибольшее значение в точке «под Луной» и наименьшее — в более удалённой противоположной точке земного шара. В других точках эта сила имеет промежуточную величину и направлена в сторону Луны под некоторым углом к поверхности Земли, на линии терминатора (границы видимости Луны с Земли) — горизонтально.
Рис. 1. Силы притяжения Луны.
С другой стороны, вращение Земли вокруг центра масс системы Земля-Луна вызывает центробежную силу, направленную в противоположную сторону — от Луны. Эта сила больше на противоположной стороне, где больше радиус вращения.
Рис. 2. Центробежные силы при вращении Земли и Луны вокруг общего центра масс.
В результате сложения этих сил разной природы по обе стороны земного шара и возникают противоположно направленные приливные силы. По сравнению с земным притяжением эти силы крайне слабы, однако вызывают сдвиг океанских вод (сопротивление сдвигу в воде при малых скоростях движения практически нулевое) до тех пор, пока касательная к поверхности воды не станет перпендикулярна результирующей силе: «капля» Мирового океана приобретает форму эллипсоида.
Рис. 3. Образование приливных волн.
«Включим» теперь собственное вращение Земли. Поскольку его ось не совпадает с направлением на Луну, наблюдатель на поверхности планеты обнаружит колебание уровня вод. Иначе говоря, возникает волна, занимающая постоянное положение в системе Земля – Луна, но бегущая по поверхности океана совместно с суточным движением его дна и берегов. Если бы на планете не было ни суши (у отмелого берега изменение уровня вызывает приливное течение), ни океанических течений, каждый участок поверхности океана дважды в течение суток совершал бы лишь колебательное движение вверх-вниз.
Теперь вспомним, что «неподалеку» от Земли есть еще один массивный космический объект — Солнце. Оно находится примерно в 400 раз дальше, чем Луна, но зато его масса почти в 25 000 000 раз больше массы Луны. Приливные силы на Земле, вызванные Солнцем, составляют около половины от лунных. Не так уж мало! Значит, Солнце тоже способно вызывать приливы, только они будут примерно вдвое слабее лунных.
Расчет (см. Википедию, статью «Прилив и отлив») показывает, что высота горба приливной волны над сферической поверхностью составляет около 36 см для лунного прилива и 16 см для солнечного.
Очевидно, наибольшей величины приливы достигнут, когда Луна и Солнце действуют по одной прямой, и наименьшей, когда Луна находится «сбоку» от Солнца, на линии, перпендикулярной к направлению на Солнце. Когда Луна находится между Землей и Солнцем, она не видна и наступает новолуние; если она находится позади Земли, то она ярко освещена и наступает полнолуние.
В периоды новолуния и полнолуния, раз в две недели, прилив наиболее высокий; он называется сизигийным. Самый низкий прилив в промежуточных фазах называется квадратурным. Сравнивая приливные силы от Солнца и Луны, можно заключить, что сизигийный прилив должен быть примерно в 3 раза выше квадратурного.
Казалось бы, эллипсоид океана должен неизменно следовать за движением Луны, а приливные волны по обе стороны планеты должны обегать Землю, имея в одной и той же фазе одинаковую высоту.
Однако, расстояния между Землей и Луной, а также Землей и Солнцем меняются. Кроме того, периоды обращения хоть и близки, но не совпадают (24ч для Солнца и 24ч 50 мин для Луны). Далее, плоскость орбиты Земли наклонена к экватору примерно на 23°, а плоскость орбиты Луны образует с плоскостью орбиты Земли угол примерно 5°. Приливные силы от Солнца и Луны действуют поэтому несогласованно, и, помимо полусуточной и двухнедельной периодичности высоты приливов, должны наблюдаться и более долговременные периодичности, связанные с особенностями орбит.
Но более важные обстоятельства связаны с чисто земными причинами.
Во-первых, обратим внимание на условия распространения приливной волны. Любая волна на поверхности воды имеет определенную скорость. Приливная волна — очень длинная волна, на экваторе ее длина составляет около 20000 км. Мировой океан, даже имеющий участки глубиной до 11 км, для такой волны — мелководье.
По формуле для фазовой скорости гравитационной волны на мелкой воде 
(g=9,81 м/с2, D – глубина, м) скорость получается 1100 км/ч, то есть волна обойдет Землю по экватору примерно за 36 ч, отстав от Луны на полсуток. В действительности средняя глубина океана меньше, и приливная волна придет в точку наблюдения еще позже. Наблюдения показывают, что сизигийные приливы приходят в точку наблюдения обычно спустя 1—1,5 суток после астрономического срока, а во многих местах запаздывают даже на 6— 7 суток.
Во-вторых, и это главное, беспрепятственному распространению приливных волн мешают континенты и острова, разбивающие две «идеальных» приливных волны на множество маленьких волн, которые (в большинстве случаев с периодом 12ч 25,2мин) обегают вокруг точек с нулевой амплитудой прилива, называющихся амфидромическими. Доминирующий лунный прилив образует в Мировом океане около десятка амфидромических точек с движением волны по часовой стрелке и примерно столько же — против часовой.
Рис. 4. Амплитуды приливов и положение амфидромических точек.
В результате теоретически рассчитать время и высоту прилива только на основе положений Луны и Солнца оказывается просто невозможно.
Приливы рассчитывают на основе многолетних записей колебаний уровня воды, ведущихся с помощью специальной аппаратуры. Сложная зависимость высоты уровня воды от времени с помощью гармонического анализа (преобразования Фурье) разлагается на элементарные колебания с периодами и фазами, соответствующими астрономическим движениям Луны и Солнца. Тогда, зная положение Луны и Солнца в любое последующее время (оно точно вычисляется по формулам небесной механики), можно сложить эти колебания и получить расчет прилива.
Сейчас это делается программно, а до появления компьютеров для предсказания приливов использовали аналоговые «компьютеры»: механизмы с блоками, кривошипами и прочей механикой. На выходе устройства стоял самописец, записывающий прогнозные кривые уровня воды. (Фото: daylitechinfo.org)
Кроме нормальных полусуточных приливов в некоторых местах есть приливы с суточным периодом. Существование одного из подобных приливов с суточной периодичностью, наблюдающегося в Тонкинском заливе, смог объяснить еще сам Ньютон.
Рис. 5. В районах оживленного судоходства и сильных приливов
приливные станции расположены весьма часто.
(Garmin, BlueChart Atlantic Tides and Marine Services).
Рис. 6. Предсказание приливов для порта Cuxhaven на 7 – 19.01.2016 (Garmin).
В закрытых морях или морях, связанных с океаном узкими проливами, высота приливов невелика. Например, на Балтике приливы практически отсутствуют. В морях, полностью или почти изолированных от Мирового океана, приливы будут определяться собственными условиями, не зависящими от движения океанских приливных волн. Сколько-нибудь значительные приливные волны в таких морях просто не образуются: волна добегает от одного берега до другого раньше, чем ее высота успевает вырасти до заметных размеров.
Но вот океанская волна подошла к проливу, соединяющему океан с морем. Приливная волна в океане намного выше. Конечно, она должна войти в море и распространиться по нему. Картина распространения при сложной конфигурации береговой линии, естественно, тоже окажется достаточно сложной.
Рис. 7. Распространение приливной волны в Белом море.
Линии, проведенные между берегами, соединяют точки, в которых максимум прилива приходится на одно и то же время (такие линии называются котидальными). Это время выражено в часах после прихода прилива к Горлу.
Распространение океанской приливной волны, вошедшей в море, представляет сложную картину. На скорость движения приливной волны решающим образом влияет профиль дна. Кроме того, на приливные течения оказывает влияние и вращение Земли вокруг своей оси. В северном полушарии движущийся в меридиональном направлении поток отклоняется вправо (т.е. при движении на север – к востоку, при движении на юг – к западу)*.
В результате может получиться даже так, как в западной части пролива Ла-Манш: по статической теории приливная волна должна двигаться с востока на запад (против направления вращения Земли), а реальная приливная волна, наоборот, движется с запада на восток. В этом районе, а также, например, в Ирландском море, в определенные фазы прилива появляются области стоячей воды, по сторонам которых течение направлено в разные стороны.
Рис. 8. Приливные течения в западной части Ла-Манша за 2 часа до времени полной воды в Дувре.
Понятно, что без опыта плавания в конкретном районе в подобных местах вряд ли удастся превидеть направление и силу течения только по данным об уровне воды, и следует запастись атласом приливных течений.
На Земле существуют места, где разность высот полной и малой воды очень велика. Например, в бухте Фанди на побережье Канады она достигает 18м, у г. Сен-Мало (Франция) 13,5м, в Пенжинской губе Охотского моря — до 12,9м. С чем это связано?
Когда океанская приливная волна входит в узкие моря и заливы, она может резко увеличить свою высоту. На первый взгляд кажется, что причина такого повышения уровня кроется в проталкивании потока в сужающийся и сравнительно неглубокий залив. Но есть и другая причина.
При входе в мелководный залив длина приливной волны уменьшается. Легко получить выражение, связывающее длину волны λ ее период Т и глубину D: 
Период приливной волны обычно около 12 ч. Если, скажем, глубина залива или пролива составляет 50 м, то λ уменьшается до 1000 км. Эта величина уже сравнима с размерами самих заливов.
Если характерный размер залива составляет половину длины волны, возникает явление резонанса, и в заливе образуется высокая стоячая волна. Стесненный в берегах массив воды начинает «звучать» наподобие органной трубы, усиливая колебания воды в приливной волне. Такое усиление может оказаться весьма значительным.
Путем гармонического анализа в приливной волне можно выделить, помимо полусуточной, и 6-часовую составляющую. Значит, залив может резонировать и на нее, причем соответствующее значение λ вдвое меньше, чем для волны с периодом около 12 ч. «Органная труба» залива будет отвечать не на «основной тон», а на «гармоники», в данном случае гармонику с периодом 6 ч. Такой резонанс наблюдается, например, в Кандалакшском заливе Белого моря.
Максимальную высоту такая стоячая волна будет иметь у берегов залива, а узловая точка должна находиться возле его выхода в океан, что наблюдается, например, в Бристольском заливе. Если же мы имеем дело с проливом — бассейном, открытым в океан с обоих концов, линии пучностей будут располагаться у выходов из пролива в океан, а узловая линия — посредине пролива.
Моря, заливы, проливы и озера могут, очевидно, резонировать не только с приливными волнами. Стоячие волны в них нередко образуются при наложении (интерференции) отраженных от берегов волн, возникших в результате колебаний атмосферного давления, действия ветра, землетрясений и т. п. Амплитуда таких стоячих волн может достигать нескольких метров, и возникшая волновая картина сохраняется в течение значительного времени после прекращения действия силы, вызвавшей волнение.
Подобные стоячие волны называются сейшами. В изолированных морях они нередко совершенно маскируют сравнительно невысокие приливные волны. Но, разумеется, волновая картина сейшей совсем не похожа на колебания уровня воды во время приливов. Например, если на протяжении водоема укладывается половина стоячей волны, то колебания уровня моря на противоположных берегах будут находиться в противофазе (то есть со сдвигом фаз на 180° по отношению друг к другу). Пример записи сейшей на Черном море приведен на рис. 9. Видно, что наибольшая разность в уровнях воды (гребень на одном берегу и впадина на противоположном) составляет примерно 24 см.
Рис. 9. Запись колебаний уровня воды в сейшах на противоположных берегах Черного моря.
При сейшах море, в сущности, колеблется, как вода в тазу, если его покачать с боку на бок, а потом оставить в покое. Легко обнаружить узловую линию посредине таза, в которой уровень воды остается постоянным, и линии пучностей по краям таза.
Если таз не только покачивать, но еще каким-либо образом привести воду во вращение вокруг вертикальной оси, то волна начнет обегать стенки таза. Очевидно, узловая линия будет вращаться вместе с волной и неподвижной останется только одна ее точка посередине. Такие точки неизменного уровня воды (амфидромические) встречаются и в природных водоемах. Например, в Северном море существуют три такие точки: одна неподалеку от берега Норвегии, другая возле побережья Дании, а третья между голландским берегом и восточным побережьем Англии.
Обычно сейши благодаря внушительным размерам водоемов имеют довольно большие периоды, например, на Азовском море — 23 часа. Но иногда этот период составляет несколько минут, и тогда сейши начинают создавать проблемы в портах. Например, в Лос-Анджелесской бухте могут возникать колебания воды с периодами 3 мин и меньше.
Такие «высокочастотные колебания» не являются уже собственно сейшами, а получили название тягун. Горизонтальные перемещения воды при тягуне могут достигать нескольких метров, и возникающие течения столь сильны, что суда могут быть сорваны с якорных стоянок. Тягун практически невидим, так как вертикальные смещения воды незначительны. Можно наблюдать любопытную картину: при, казалось бы, тихой воде суда сильно водит на якорях, а то и разворачивает вокруг них.
Остановимся также на барических волнах, то есть волнах, вызванных глубокими изменениями атмосферного давления. От них особенно страдают населенные пункты, расположенные на берегах Бенгальского залива. Здесь барические волны могут достигать высоты более 10 м и вызывать катастрофические штормовые нагоны воды.
Барическая волна (как и цунами) могут возникать не в виде цуга волн, а в виде единственной волны, то есть солитона. Солитоны, по-видимому, несут ответственность за знаменитые петербургские наводнения.
Циклоны часто застаиваются в Балтийском море, где вследствие низкого давления создают поднятие уровня воды вокруг своего центра. Затем циклон и вместе с ним солитон трогаются в путь. Входя в узкий Финский залив, солитон увеличивает свою высоту и вместе с ветром нагоняет воду в Неву.
___________________________________
* Это объясняют действием кориолисовой силы. В природе такой силы нет; ее приходится вводить в рассмотрение, чтобы система отсчета оставалась инерциальной, то есть можно было считать, что мы на «плоской» Земле. Представим поток, свободно движущийся над землей, например, на север. Ничто его не отклоняет, и поток сохраняет неизменной как свою скорость движения на север, так и полученную где-то на юге скорость движения на восток вместе с вращением Земли. Но движение происходит не на плоскости, а на сфере. Чем севернее (выше широта), тем меньше линейная скорость движения поверхности Земли на восток, и сохранивший свою «восточную» скорость поток начинает обгонять движение подстилающей поверхности, что выглядит с земли как поворот ветра к западу.
Чем севернее будет находиться наблюдатель, тем больше к западу будет для него заходить ветер. Эффект определяет направление закрутки циклонов против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке — в Южном.
(прим. сост., Г.Шмерлинг)