Наша планета постоянно находится в гравитационном поле, которое создают Луна и Солнце. Это выступает причиной уникального явления, выраженного в приливах и отливах на Земле. Попробуем разобраться, влияют ли эти процессы на окружающую среду и жизнедеятельность человека.
Механизм явления «приливы и отливы»
Характер образования приливов и отливов уже достаточно изучен. На протяжении многих лет ученые исследовали причины и результаты данного явления.
Подобные колебания уровня земных вод можно показать в следующей системе:
- Постепенно поднимается уровень воды, достигая своей наивысшей точки. Такое явление называют полной водой.
- Через определенный промежуток времени вода начинает спадать. Этому процессу ученые дали определение «отлив».
- На протяжении примерно шести часов вода продолжает уходить до минимальной своей точки. Такое изменение получило название в виде термина «малая вода».
Можно заметить некоторую закономерность, если наблюдать процесс прилива в одном и том же месте на протяжении месяца. Результаты анализа интересны: ежедневно малая и полная вода меняет свое месторасположения. При таком природном факторе, как образование новой луны и полнолуние, уровни изучаемых объектов отдаляются друг от друга.
Следовательно, это делает дважды в месяц амплитуду прилива наиболее максимальной. Также периодично происходит и возникновение наименьшей амплитуды, когда после характерного влияния Луны уровни малых и полных вод постепенно сближаются друг к другу.
Причины возникновения приливов и отливов на Земле
Существует два фактора, которые влияют на формирование приливов и отливов. Следует внимательно рассмотреть оба объекта, которые воздействуют на изменение водного пространства Земли.
Воздействие лунной энергии на приливы и отливы
Хоть и неоспоримо влияние Солнца на причину возникновения приливов и отливов, но все же наибольшее значение в этом вопросе принадлежит воздействию лунной активности. Для того чтобы почувствовать существенное воздействие гравитации спутника на нашу планету, необходимо проследить за разницей притяжения Луны в разных областях Земли.
Результаты эксперимента покажут, что отличие в их параметрах довольно невелико. Все дело в том, что самая близкая к Луне точка земной поверхности подвержена внешнему влиянию буквально на 6% больше, чем наиболее удаленная. Можно с уверенностью сказать, что это размежевание сил раздвигает Землю по направлению траектории Луна-Земля.
С учетом того, что наша планета постоянно оборачивается вокруг своей оси в течение суток, дважды происходит прохождение двойной приливной волны по периметру создавшегося растяжения. Это сопровождается созданием так называемых двойных «долин», высота которых, в принципе, не превышает отметки 2 метров в Мировом океане.
На территории земной суши такие колебания максимально достигают 40-43 сантиметров, что в большинстве случаев остается незамеченным жителями нашей планеты.
Все это приводит к тому, что мы не чувствуем силу приливов и отливов ни на суше, ни в водной стихии. Можно наблюдать подобное явление на узкой полоске береговой линии, потому что воды океана или моря по инерции набирают порой внушительную высоту.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что с Луной приливы и отливы связаны наиболее всего. Это делает исследования в этой области наиболее интересными и актуальными.
Влияние деятельности Солнца на приливы и отливы
Значительная отдаленность главной звезды Солнечной системы от нашей планеты сказывается на том, что ее гравитационное воздействие менее заметно. Как источник энергии Солнце, безусловно, намного массивнее, чем Луна, но все же дает о себе знать внушительное расстоянии между двумя небесными объектами. Амплитуда солнечных приливов практически вдвое меньше, чем у приливно-отливных процессов спутника Земли.
Известным фактом является то, что во время полнолуния и роста Луны все три небесных тела - Земля, Луна и Солнце - располагаются на одной прямой. Это приводит к складыванию лунных и солнечных приливов.
В период направления с нашей планеты на ее спутник и главную звезду Солнечной системы, которое отличается друг от друга на 90 градусов, происходит некоторое влияние Солнца на изучаемый процесс. Наблюдается повышение уровня отлива и понижение уровня прилива земных вод.
Все свидетельствует о том, что солнечная активность также влияет на энергию приливов и отливов на поверхности нашей планеты.
Основные разновидности приливов и отливов
Можно классифицировать подобное понятие по продолжительности цикла приливов-отливов. Размежевание будет зафиксировано с помощью следующих пунктов:
- Полусуточные изменения поверхности водного пространства . Такие преобразования заключаются в двух полных и таком же количестве неполных вод. Параметры чередующихся амплитуд практически равны между собой и выглядят в виде кривой синусоидального типа. Более всего локализируются они в водах Баренцева моря, на обширной линии прибрежной полосы Белого моря и на территории практически всего Атлантического океана.
- Суточные колебания уровня воды . Процесс их заключается в одной полной и неполной воде за период, исчисляемый в пределах суток. Наблюдается подобное явление в районе Тихого океана, и его образование встречается крайне редко. В период прохождения спутника Земли через экваториальную зону возможен эффект стояния воды. Если Луна склоняется с наименьшим показателем, возникают малые приливы экваториального характера. При наиболее высоких цифрах происходит процесс образования тропических приливов, сопровождающихся наибольшей мощностью поступления воды.
- Приливы смешанного типа . Это понятие включает в себя наличие полусуточных и суточных приливов неправильной конфигурации. Полусуточные изменения уровня земной водной оболочки, которые имеют неправильную конфигурацию, по многих признакам похожи на полусуточные приливы. В измененных суточных приливах можно наблюдать тенденцию к суточным колебаниям, зависящим от градуса склонения Луны. Наиболее подвержены приливам смешанного типа воды Тихого океана.
- Аномальные приливы . Эти подъемы и спады воды не подходят под описание некоторых признаков из перечисленных пунктов. Данная аномалия связана с понятием «мелководье», что меняет цикл подъема и спада уровня воды. Влияние этого процесса особенно сказывается в устьях рек, где приливы меньше по времени, чем отливы. Наблюдать подобный катаклизм можно в некоторых участках Ла-Манша и в течениях Белого моря.
График приливов и отливов на Земле
Существует так называемая таблица приливов и отливов. Необходима она для людей, которые зависят по роду своей деятельности от изменения земного уровня воды. Чтобы иметь точную информацию по данному явлению, нужно обратить внимание на:
- Обозначение территории, где важно знать данные о приливах и отливах. Стоит помнить, что даже близко расположенные объекты будут иметь разную характеристику интересующего явления.
- Нахождение необходимой информации с помощью интернет-ресурсов. Для более точных сведений можно посетить порт изучаемого региона.
- Конкретизацию времени необходимости точных данных. Этот аспект зависит от того, нужна ли информация на определенный день или график исследования - более гибкий.
- Работу с таблицей в режиме возникших потребностей. В ней будут отображаться все сведения о приливах и отливах.
- Колонки в верхней части таблицы свидетельствуют о днях и датах предполагаемого явления. Этот пункт позволит выяснить точку определения временных рамок изучаемого.
- Под линией временного учета находятся цифры, размещенные в два ряда. В формате суток здесь помещается расшифровка фаз восхода Луны и Солнца.
- Ниже находится график волнообразной формы. Эти показатели фиксируют пики (приливы) и впадины (отливы) вод изучаемой территории.
- После расчета амплитуды волн располагаются данные захода небесных тел, которые влияют на изменения водной оболочки Земли. Данный аспект позволит наблюдать активность Луны и Солнца.
- По обеим сторонам таблицы можно увидеть цифры с плюсовыми и минусовыми показателями. Этот анализ важен для определения уровня поднятия или спада воды, исчисляемый в метрах.
Все эти показатели не могут гарантировать стопроцентную информацию, потому что природа сама диктует нам параметры, по которым происходят ее структурные изменения.
Влияние приливов и отливов на окружающую среду и человека
Существует множество факторов влияния приливов и отливов на жизнедеятельность человека и окружающую его среду. Среди них есть открытия феноменального характера, требующие тщательного изучения.
Волны-убийцы: гипотезы и последствия явления
Подобное явление вызывает множество споров среди людей, которые доверяют только безоговорочным фактам. Дело в том, что блуждающие волны не вписываются ни в одну систему возникновения этого феномена.
Изучение данного объекта стало возможным с помощью спутников радарного формата. Эти конструкции позволили зафиксировать за период пары недель десяток волн сверхбольшой амплитуды. Размер такого подъема водной глыбы составляет порядка 25 метров, что свидетельствует о грандиозности изучаемого явления.
Волны-убийцы напрямую влияют на жизнедеятельность человека, потому что за последние десятилетия подобные аномалии унесли в океанические пучины громадные суда типа супертанкеров и контейнеровозов. Природа образования данного ошеломляющего парадокса неизвестна: гигантские волны формируются мгновенно и также быстро исчезают.
Существует множество гипотез относительно причины образования такого каприза природы, но возникновение водоворотов (одиночных волн вследствие столкновения двух солитонов) возможно при вмешательстве активности Солнца и Луны. Данный вопрос до сих пор становится поводом для дискуссий среди ученых, специализирующихся на данной тематике.
Влияние приливов и отливов на организмы, населяющие Землю
Приливы и отливы в океане и море особенно влияют на морских обитателей. Наибольшее давление это явление оказывает на жителей прибрежных вод. Благодаря данному изменению уровня земной воды развиваются организмы, ведущие оседлый образ жизни.
К ним можно отнести моллюсков, которые отлично приспособились к колебаниям жидкой оболочки Земли. Устрицы при наибольших приливах начинают активно размножаться, что свидетельствует о том, что они благоприятно реагируют на подобные изменения в структуре водной стихии.
Но не все организмы так благоприятно реагируют на внешние изменения. Многие разновидности живых существ страдают от периодических колебаний уровня воды.
Хоть природа берет свое и координирует изменения в общем балансе планеты, но биологические субстанции приспосабливаются к тем условиям, которые преподносит им деятельность Луны и Солнца.
Воздействие приливов и отливов на жизнедеятельность человека
На общее состояние человека данное явление влияет больше, чем фазы Луны, к которым организм людей может быть невосприимчив. Однако наиболее приливы и отливы влияют на производственную деятельность обитателей нашей планеты. Влиять на структуру и энергию приливов и отливов моря, а также океанической сферы нереально, потому что их природа зависит от гравитации Солнца и Луны.
В основном, данный циклический феномен приносит только разрушения и неприятности. Современные технологии позволяют этот негативный фактор направить в позитивное русло.
Примером таких инновационных решений могут послужить бассейны по типу ловушек таких колебаний водного баланса. Должны они быть построены с учетом того, чтобы проект был рентабельным и практичным.
Для этого необходимо создавать подобные бассейны довольно значительного размера и объема. Электростанции по удержанию эффекта приливной силы водных ресурсов Земли - дело новое, но довольно перспективное.
Смотрите видео о приливах и отливах:
Изучение понятия приливов и отливов на Земле, влияние их на жизненный цикл планеты, тайна возникновения волн-убийц - все это остается главными вопросами для ученых, специализирующихся в данной области. Решение этих аспектов интересно и простым обывателям, интересующимся проблемами влияния на планету Земля инородных факторов.
Прилив и отлив
Прили́в и отли́в - периодические вертикальные колебания уровня океана или моря , являющиеся результатом изменения положений Луны и Солнца относительно Земли вкупе с эффектами вращения Земли и особенностями данного рельефа и проявляющееся в периодическом горизонтальном смещении водных масс. Приливы и отливы вызывают изменения в высоте уровня моря, а также периодические течения, известные как прили́вные течения, делающие предсказание приливов важным для прибрежной навигации .
Интенсивность этих явлений зависит от многих факторов, однако наиболее важным из них является степень связи водоёмов с мировым океаном . Чем более замкнут водоём, тем меньше степень проявления приливо-отливных явлений.
Ежегодно повторяющийся приливо-отливной цикл остаётся неизменным вследствие точной компенсации сил притяжения между Солнцем и центром масс планетной пары и силами инерции, приложенными к этому центру.
Поскольку положение Луны и Солнца по отношению к Земле периодически меняется, меняется и интенсивность результирующих приливо-отливных явлений.
Отлив у Сен-Мало
История
Отливы играли заметную роль в снабжении прибрежного населения морепродуктами, позволяя собирать на обнажившемся морском дне годную для еды пищу.
Терминология
Малая вода (Бретань, Франция)
Максимальный уровень поверхности воды во время прилива называется полной водой , а минимальный во время отлива - малой водой . В океане, где дно ровное, а суша далеко, полная вода проявляется как два «вздутия» водной поверхности: одно из них находится со стороны Луны, а другое - в противоположном конце земного шара. Также могут присутствовать ещё два меньших по размеру вздутия со стороны, направленной к Солнцу, и противоположной ему. Объяснение этому эффекту можно найти ниже, в разделе физика прилива .
Так как Луна и Солнце перемещаются относительно Земли, вместе с ними перемещаются и водные горбы, образуя прили́вные волны и прили́вные течения . В открытом море приливные течения имеют вращательный характер, а вблизи берегов и в узких заливах и проливах - возвратно-поступательный.
Если бы вся Земля была покрыта водой, мы бы наблюдали два регулярных прилива и отлива ежедневно. Но так как беспрепятственному распространению приливных волн мешают участки суши: острова и континенты , а также из-за действия силы Кориолиса на движущуюся воду, вместо двух приливных волн наблюдается множество маленьких волн, которые медленно (в большинстве случаев с периодом 12 ч 25,2 мин) обегают вокруг точки, называющейся амфидромической , в которой амплитуда прилива равна нулю. Доминирующая компонента прилива (лунный прилив М2) образует на поверхности Мирового океана около десятка амфидромических точек с движением волны по часовой стрелке и примерно столько же - против часовой (см. карту). Всё это делает невозможным предсказание времени прилива только на основе положений Луны и Солнца относительно Земли. Вместо этого используют «ежегодник приливов» - справочное пособие для вычисления времени наступления приливов и их высоты в различных пунктах земного шара. Также используются таблицы приливов, с данными о моментах и высотах малых и полных вод, вычисленными на год вперёд для основных прили́вных по́ртов .
Составляющая прилива M2
Если соединить на карте точки с одинаковыми фазами прилива, мы получим так называемые котидальные линии , радиально расходящиеся из амфидромической точки. Обычно котидальные линии характеризуют положение гребня приливной волны для каждого часа. Фактически котидальные линии отражают скорость распространения приливной волны за 1 час. Карты, на которых представлены линии равных амплитуд и фаз приливных волн, называются котидальными картами .
Высота прилива - разница между высшим уровнем воды при приливе (полная вода) и низшим её уровнем при отливе (малая вода). Высота прилива - величина непостоянная, однако средний её показатель приводится при характеристике каждого участка побережья.
В зависимости от взаимного расположения Луны и Солнца малая и большая приливные волны могут усиливать друг друга. Для таких приливов исторически сложились специальные названия:
- Квадратурный прилив - наименьший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под прямым углом друг к другу (такое положение светил называется квадратурой).
- Сизигийный прилив - наибольший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления (такое положение светил называется сизигией).
Чем меньше или больше прилив, тем меньше или, соответственно, больше отлив.
Самые высокие приливы в мире
Можно наблюдать в бухте Фанди (15,6-18 м), которая находится на восточном побережье Канады между Нью-Брансуиком и Новой Шотландией.
На Европейском континенте самые высокие приливы (до 13,5 м) наблюдаются в Бретани у города Сен-Мало . Здесь приливная волна фокусируется береговой чертой полуостровов Корнуолл (Англия) и Котантен (Франция).
Физика прилива
Современная формулировка
Применительно к планете Земля причиной приливов является нахождение планеты в гравитационном поле, создаваемом Солнцем и Луной. Поскольку создаваемые ими эффекты независимы, то воздействие этих небесных тел на Землю можно рассматривать по отдельности. В таком случае для каждой пары тел можно считать, что каждое из них обращается вокруг общего центра гравитации. Для пары Земля - Солнце этот центр находится в глубине Солнца на расстоянии 451 км от его центра. Для пары Земля-Луна он находится в глубине Земли на расстоянии 2/3 её радиуса.
Каждое из этих тел испытывает действие приливных сил, источником которых являются сила гравитации и внутренние силы, обеспечивающие целостность небесного тела, в роли которых выступает сила собственного притяжения, далее называемая самогравитацией. Наиболее наглядно возникновение приливных сил прослеживается на примере системы Земля - Солнце.
Приливная сила представляет собой результат конкурирующего взаимодействия силы тяготения, направленной к центру гравитации и убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния от него, и фиктивной центробежной силы инерции, обусловленной обращением небесного тела вокруг этого центра. Эти силы, будучи противоположными по направлению, совпадают по величине только в центре масс каждого из небесных тел. Благодаря действию внутренних сил Земля обращается вокруг центра Солнца как целое с постоянной угловой скоростью для каждого элемента составляющей её массы. Поэтому по мере удаления этого элемента массы от центра гравитации действующая на него центробежная сила растёт пропорционально квадрату расстояния. Более детальное распределение приливных сил в их проекции на плоскость, перпендикулярную плоскости эклиптики , приведены на рис.1.
Рис.1 Схема распределения приливных сил в проекции на плоскость, перпендикулярную Эклиптике. Тяготеющее тело либо справа, либо слева.
Достигаемое в результате действия приливных сил воспроизводство изменений формы подвергаемого их действию тел может, в соответствие с ньютонианской парадигмой, быть достигнуто лишь в том случае, если эти силы полностью скомпенсированы иными силами, в число которых может входить и сила Всемирного тяготения.
Рис.2 Деформация водной оболочки Земли как следствие баланса приливной силы, силы самогравитации и силы реакции воды на усилие сжатия
В результате сложения этих сил и возникают симметрично по обе стороны земного шара приливные силы, направленные в разные стороны от него. Приливная сила, направленная к Солнцу, имеет гравитационную природу, а направленная от Солнца есть следствие фиктивной силы инерции.
Эти силы крайне слабы и не идут ни в какое сравнение с силами самогравитации (создаваемое ими ускорение в 10 миллионов раз меньше ускорения свободного падения ). Однако они вызывают сдвиг частиц воды Мирового океана (сопротивление сдвигу в воде при малых скоростях движения практически равно нулю, в то время как сжатию - чрезвычайно велико), до тех пор, пока касательная к поверхности воды не станет перпендикулярной результирующей силе.
В итоге на поверхности мирового океана возникает волна, занимающая постоянное положение в системах взаимно тяготеющих тел, но бегущая по поверхности океана совместно с суточным движением его дна и берегов. Таким образом (в пренебрежении океаническими течениями) каждая частица воды дважды совершает в течение суток колебательное движение вверх-вниз.
Горизонтальное движение воды наблюдается лишь у берегов как следствие подъёма её уровня. Скорость движения тем больше, чем более полого расположено морское дно.
Приливообразующий потенциал
(концепция акад. Шулейкина )
Пренебрегая размером, строением и формой Луны, запишем удельную силу притяжения пробного тела, находящегося на Земле. Пусть - радиус-вектор, направленный от пробного тела в сторону Луны, - длина этого вектора. В этом случае сила притяжения этого тела Луной будет равна
где - селенометрическая гравитационная постоянная. Пробное тело поместим в точку . Сила притяжения пробного тела, помещённого в центр масс Земли будет равна
Здесь под и понимаются радиус-вектор, соединяющий центры масс Земли и Луны, и их абсолютные величины. Приливной силой мы будем называть разность этих двух сил тяготения
В формулах (1) и (2) Луна считается шаром со сферически-симметричным распределением масс. Силовая функция притяжения пробного тела Луной ничем не отличается от силовой функции притяжения шара и равна Вторая сила приложена к центру масс Земли и является строго постоянной величиной. Для получения силовой функции для этой силы мы введём временную систему координат. Ось проведём из центра Земли и направим в сторону Луны. Направления двух других осей оставим произвольными. Тогда силовая функция силы будет равна . Приливообразующий потенциал будет равен разности этих двух силовых функций. Обозначим его , получим Постоянную определим из условия нормировки, согласно которому приливообразующий потенциал в центре Земли равен нулю. В центре Земли , Отсюда следует, что . Следовательно, мы получаем окончательную формулу приливообразующего потенциала в виде (4)
Поскольку
При малых величинах , , последнее выражение можно представить в следующем виде
Подставив (5) в (4), получим
Деформация поверхности планеты под действием приливов и отливов
Возмущающее воздействие приливного потенциала деформирует уровненную поверхность планеты. Оценим это воздействие, считая, что Земля представляет собой шар со сферически-симметричным распределением массы. Невозмущённый гравитационный потенциал Земли на поверхности будет равен . Для точки . , находящейся на расстоянии от центра сферы, гравитационный потенциал Земли равен . Сократив на гравитационную постоянную, получим . Здесь переменными величинами являются и . Обозначим отношение масс гравитирующего тела к массе планеты греческой буквой и решим полученное выражение относительно :
Так как с той же степенью точности получим
Учитывая малость отношения последние выражения можно записать так
Мы получили, таким образом, уравнение двухосного эллипсоида, у которого ось вращения совпадает с осью , т.е с прямой, соединяющей тяготеющее тело с центром Земли. Полуоси этого эллипсоида, очевидно, равны
Приведём в конце небольшую численную иллюстрацию данного эффекта. Вычислим приливной «горб» на Земле, вызванный притяжением Луны. Радиус Земли равен км, расстояние между центрами Земли и Луны с учётом нестабильности лунной орбиты км, отношение массы Земли к массе Луны равно 81:1. Очевидно, что при подстановке в формулу мы получим величину, примерно равную 36 см.
См. также
Примечания
Литература
- Фриш С. А. и Тиморева А. В. Курс общей физики, Учебник для физико-математических и физико-технических факультетов государственных университетов,Том I. М.: ГИТТЛ,1957
- Щулейкин В. В. Физика моря. М.:Изд-во «Наука»,Отделение наук о Земле АН СССР 1967
- Войт С. С. Что такое приливы. Редколлегия научно-популярной литературы Ан СССР
Ссылки
Что такое отлив и прилив
На многих морских побережьях можно наблюдать, как уровень воды с определённой периодичностью равномерно опускается и остается лишь вязкая почва. Этот процесс называется отливом. Однако через несколько часов уровень воды вновь поднимается и почва на берегу опять покрывается водой. Этот процесс называется приливом. Уровень воды изменяется регулярно дважды в день.
Когда приливы сменяются отливами
Отлив и прилив регулярно сменяют друг друга: за отливом следует прилив, вслед за ним — следующий отлив. Наивысший уровень воды в море или океане во время прилива называют полной водой, а минимальный во время отлива — соответственно, малой водой. Цикл «полная вода — отлив — малая вода — прилив — полная вода» составляет 12 часов 25 минут. А это значит, что приливы и отливы можно наблюдать дважды в день.
Как происходят приливы и отливы
Сила притяжения Луны обусловливает образование в море первого приливного гребня на обращённой к ней стороне Земли. В силу законов физики, связанных с вращением Земли и возникновением центробежной силы, на противоположной стороне Земли формируется второй приливной гребень, ещё более мощный, чем первый. Поэтому и здесь уровень воды повышается.
Между двумя этими гребнями он опускается, и происходит отлив! И Солнце силой своего притяжения оказывает влияние на Землю, а также на приливы и отливы. Но сила воздействия Солнца гораздо меньше, чем Луны, хотя масса Солнца в 30 миллионов раз превышает массу Луны. Причина этого кроется в том, что Солнце от Земли в 390 раз дальше, чем Луна от Земли.
Первая приливная гидроэлектростанция
Благодаря приливам и отливам, то есть поднятию и падению уровня моря, вырабатывается много энергии. Её можно использовать для производства электричества. Первая и наибольшая в настоящее время приливная гидроэлектростанция в мире была построена в эстуарии (узком заливе устья) реки Ране (Сен-Мало, Франция) и в 1966 году введена в эксплуатацию. Там разница между отливом и приливом очень велика (амплитуда 8,5 метра).
Какие еще факторы влияют на приливы и отливы
Помимо сил притяжения, космических тел, Луны и Солнца, на приливы и отливы воздействуют другие факторы: вращение Земли замедляет приливы, берега не дают воде подниматься. Кроме того, на приливы и отливы влияют сильные шторма, при которых с побережья затрудняется отток морской воды. Поэтому её уровень в таких местах значительно выше, чем при обычном приливе. На приливы и отливы также воздействует сила ветра: если он дует с берега, уровень воды падает значительно ниже нормы.
Всегда ли видны приливы и отливы
Говорят, что в некоторых морях, например в Средиземном или Балтийском, приливов и отливов нет. Конечно же, это не так, потому что они бывают во всех морях. Однако в Средиземном и Балтийском морях разница между полной и малой водой (амплитуда прилива и отлива) настолько незначительна, что практически незаметна. В Северном же море, напротив, очень чётко различаются приливы и отливы.
Приливные волны возникают в океанах и переходят в окраинные моря. Если окраинное море соединено с океаном только узким проливом, как, например, Средиземное море, приливные волны либо не достигают его, либо очень ослабевают. Северное море сообщается с Атлантическим океаном широким проливом, поэтому приливные волны легко достигают побережья и прилив в этом месте прекрасно виден.
Что такое сизигийный прилив
Особенно сильные приливы и отливы можно наблюдать на протяжении 14 дней, когда Луна и Солнце во время полнолуния и новолуния (сизигий) находятся на одной линии с Землёй. В это время приливообразующие силы обоих небесных тел, действующие в одном направлении, суммируются и усиливают прилив. Начинается так называемый сизигийный прилив, когда полная вода поднимается наиболее высоко. Соответственно, при отливе вода опускается на самый минимальный уровень.
Что такое амплитуда прилива и отлива
Разница между полной и малой водой во время прилива и отлива называется амплитудой. При этом свою роль играют силы притяжения Солнца и Луны: когда они усиливают друг друга, амплитуда увеличивается (сизигийный прилив), а когда силы притяжения ослабевают — амплитуда, наоборот, уменьшается (квадратурный прилив). В открытом море амплитуда прилива не превышает 50 сантиметров. На берегах же она, напротив, намного больше.
Так, на побережье Северного моря Германии она, например, составляет 2-3 метра, на английском побережье Северного моря — до 8 метров, а в бухте Сен-Мало (Франция) в проливе Ла-Манш — доходит до 11 метров. Это можно объяснить тем, что в мелких водах приливные волны, как и все остальные, теряют скорость и замедляют свой ход, в результате чего уровень воды поднимается.
Что такое квадратурный прилив
На протяжении семи дней после полнолуния и новолуния Солнце, Земля и Луна уже не находятся на одной прямой. Когда приливообразующие силы Луны и Солнца взаимодействуют под прямым углом друг к другу, начинается квадратурный прилив: полная вода поднимается незначительно, а уровень малой воды практически не падает.
Что такое приливные течения
Приливы не только являются причиной поднятия и падения уровня воды. В то время как море поднимается и опускается, вода движется вперед и назад. В открытом море это едва ли заметно, но в проливах и бухтах, где движение воды ограничено, можно наблюдать приливные и отливные течения. В первом случае (приливное течение) оно направлено к берегу, во втором (отливное течение) — в противоположную сторону. Смену приливных течений специалисты обычно называют поворотом. В момент поворота вода пребывает в спокойном состоянии, и это явление называется «мёртвой точкой» прилива.
Где наблюдаются наибольшие амплитуды приливов и отливов
В бухте Фанди на восточном побережье Канады можно наблюдать самые большие амплитуды приливов и отливов на нашей планете. Это значит, что разница между полной и малой водой во время прилива и отлива тут является максимальной. При сизигийном приливе она достигает 21 метра. Раньше рыбаки устанавливали сети при полной воде, а собирали рыбу из них во время малой воды: необычный способ рыбной ловли!
Как возникает штормовой прилив
Штормовым называют прилив, когда вода накатывается на берега особенно высоко. Он возникает вследствие сильных ветров, которые дуют по направлению к суше и приходят вместе с сизигийным приливом. Напомним: во время него полная вода поднимается особенно высоко, а малая вода опускается особенно низко. Это происходит в периоды полнолуния и новолуния.
Сила ветров и их длительность приводят к возникновению штормового прилива, когда вода поднимается более чем на метр над средней точкой прилива. Различают сильный штормовой прилив, при котором вода поднимается на 2,5 метра, и сверхсильный — когда вода поднимается более чем на 3 метра.
Какой скорости могут достигать приливные течения
В глубине океанов приливные течения достигают скорости около километра в час. В узких проливах она может составлять от 15 до 20 километров в час.
Продолжим разговор о силах, действующих на небесные тела и вызываемых при этом эффектах. Сегодня я расскажу о приливах и негравитационных возмущениях.
Что это значит – «негравитационные возмущения»? Возмущениями обычно называют малые поправки к большой, главной силе. Т. е. речь пойдет о каких-то силах, влияние которых на объект значительно меньше гравитационных
Какие ещё в природе бывают силы кроме гравитации? Сильные и слабые ядерные взаимодействия оставим в стороне, они имеют локальный характер (действуют на крайне малых расстояниях). А вот электромагнетизм, как известно, намного сильнее гравитации и распространяется так же далеко – беспредельно. Но поскольку электрические заряды противоположных знаков обычно уравновешены, а гравитационный «заряд» (роль которого выполняет масса) всегда одного знака, то при достаточно больших массах, конечно же, гравитация выходит на первый план. Так что реально мы будем говорить о возмущениях движения небесных тел под действием электромагнитного поля. Больше вариантов нет, хотя есть ещё тёмная энергия, но о ней – позже, когда речь пойдет о космологии.
Как я рассказывал на , простой ньютонов закон тяготения F = G ∙M ∙m /R ² очень удобно использовать в астрономии, потому что большинство тел имеют близкую к сферической форму и достаточно удалены друг от друга, так что при расчёте их можно заменить точками – точечными объектами, содержащими всю их массу. Но тело конечного размера, сравнимого с расстоянием между соседними телами, всё-таки, испытывает силовое влияние разное в разных своих частях, потому что эти части по-разному удалены от источников гравитации, и это нужно учитывать.
Притяжение плющит и раздирает
Чтобы ощутить приливный эффект, проделаем популярный у физиков мысленный эксперимент: представим себя в свободно падающем лифте. Отрезаем удерживающую кабину верёвочку и начинаем падать. Пока не упали, можем смотреть, что вокруг нас происходит. Подвешиваем свободные массы и наблюдаем, как они себя поведут. Сначала они падают синхронно, и мы говорим – это невесомость, потому что все объекты в этой кабине и она сама ощущают примерно одинаковое ускорение свободного падения.
Но со временем наши материальные точки начнут менять свою конфигурацию. Почему? Потому что нижняя из них в начале была чуть ближе к центру притяжения, чем верхняя, поэтому нижняя, притягиваясь сильнее, начинает опережать верхнюю. А боковые точки всегда остаются на одинаковом расстоянии от центра тяготения, но по мере приближения к нему они начинают сближаться друг с другом, потому что равные по модулю ускорения не параллельны. В результате система несвязанных объектов деформируется. Это и называют приливным эффектом.
С точки зрения наблюдателя, который рассыпал вокруг себя крупу и смотрит, как отдельные крупинки перемещаются, пока вся эта система падает на массивный объект, можно ввести такое понятие как поле приливных сил. Определим эти силы в каждой точке как векторную разницу гравитационного ускорения в этой точке и ускорения наблюдателя или центра масс, и если брать только первый член разложения в ряд Тейлора по относительному расстоянию, то получится симметричная картина: ближние крупинки будут опережать наблюдателя, дальние – отставать от него, т.е. система будет растягиваться вдоль оси, направленной на тяготеющий объект, а вдоль перпендикулярных ей направлений частицы будут прижиматься к наблюдателю.
Как вы думаете, что будет происходить при затягивании планеты в чёрную дыру? Кто не слушал лекций по астрономии, тем обычно кажется, что чёрная дыра только с обращённой к себе поверхности будет срывать вещество. Они не знают, что почти столь же сильный эффект проявляется на обратной стороне свободно падающего тела. Т.е. оно разрывается в двух диаметрально противоположных направлениях, отнюдь не в одном.
Опасности открытого космоса
Чтобы показать, насколько важно учитывать приливной эффект, возьмём Международную космическую станцию. Она, как и все спутники Земли, свободно падает в гравитационном поле (если не включены двигатели). И поле приливных сил вокруг неё – это вполне ощутимая вещь, поэтому космонавт, когда работает на внешней стороне станции, обязательно себя к ней привязывает, причём, как правило, двумя тросиками – на всякий случай, мало ли что может произойти. А окажись он непривязанным в тех условиях, где приливные силы его оттягивают от центра станции, он запросто может потерять с ней контакт. Такое часто бывает с инструментами, ведь все их не привяжешь. Если у космонавта что-то выпало из рук, то этот предмет уходит вдаль и становится самостоятельным спутником Земли.
План работ на МКС включает испытания в открытом космосе индивидуального реактивного ранца. И когда его двигатель отказывает, приливные силы уносят космонавта, и мы его теряем. Имена пропавших без вести засекречиваются.
Это, конечно, шутка: подобного происшествия пока ещё, к счастью, не было. Но такое вполне могло бы произойти! И, возможно, когда-нибудь случится.
Планета-океан
Вернёмся к Земле. Это самый интересный для нас объект, и действующие на него приливные силы ощущаются вполне заметно. Со стороны каких небесных тел они действуют? Главный из них – это Луна, потому что она близко. Следующее по масштабу воздействия – Солнце, потому что оно массивное. Остальные планеты тоже оказывают некоторое влияние на Землю, но оно едва ощутимо.
Чтобы анализировать внешнее гравитационное воздействия на Землю, её обычно представляют в виде твёрдого шара, покрытого жидкой оболочкой. Это неплохая модель, поскольку у нашей планеты действительно есть подвижная оболочка в виде океана и атмосферы, а всё остальное довольно твёрдое. Хотя земная кора и внутренние слои имеют ограниченную жёсткость и немного поддаются приливному влиянию, их упругой деформацией можно пренебречь при расчётах эффекта, производимого на океан.
Если в системе центра масс Земли нарисовать векторы приливных сил, то получим такую картину: поле приливных сил вытягивает океан вдоль оси «Земля – Луна», а в перпендикулярной ей плоскости прижимает его к центру Земли. Таким образом, планета (во всяком случае, её подвижная оболочка) стремится принять форму эллипсоида. При этом возникают две выпуклости (их называют приливными горбами) на противоположных сторонах земного шара: одна обращена к Луне, другая – от Луны, а в полосе между ними возникает, соответственно, «впуклость» (точнее, поверхность океана там имеет меньшую кривизну).
Более интересная вещь происходит в промежутке – там, где вектор приливной силы пытается сместить жидкую оболочку вдоль земной поверхности. И это естественно: если в одном месте вы хотите приподнять море, а в другом месте – опустить, то вам надо переместить воду оттуда сюда. И между ними приливные силы перегоняют воду в «подлунную точку» и в «анти-лунную точку».
Количественно рассчитать приливный эффект очень просто. Гравитация Земли старается сделать океан шарообразным, а приливная часть лунного и солнечного влияния – вытянуть его вдоль оси. Если оставить Землю в покое и дать ей возможность свободно падать на Луну, то высота выпуклости достигла бы примерно полуметра, т.е. всего-то на 50 см океан приподнимается над своим средним уровнем. Если Вы плывёте на пароходе по открытому морю или океану, полметра – это не ощутимо. Это называют статическим приливом.
Почти на каждом экзамене мне попадается студент, который уверенно утверждает, что прилив происходит только на одной стороне Земли – на той, которая обращена к Луне. Как правило, такое говорит девушка. Но бывает, хотя и реже, что и юноши в этом вопросе заблуждаются. При этом в целом знания астрономии более глубокие у девушек. Любопытно было бы выяснить причину этой «приливно-гендерной» асимметрии.Но чтобы создать в подлунной точке полуметровую выпуклость, нужно сюда большое количество воды перегнать. А ведь поверхность Земли не остаётся неподвижной, она по отношению к направлению на Луну и на Солнце быстро вращается, делая полный оборот за сутки (а Луна по орбите медленно идёт – один оборот вокруг Земли почти за месяц). Поэтому приливный горб постоянно бегает по поверхности океана, так что твёрдая поверхность Земли за сутки 2 раза оказывается под приливной выпуклостью и 2 раза – под отливным понижением уровня океана. Прикинем: 40 тысяч километров (длина земного экватора) в сутки, это 463 метра в секунду. Значит, эта полуметровая волна, типа мини-цунами набегает на восточные побережья континентов в районе экватора со сверхзвуковой скоростью. На наших широтах скорость достигает 250-300 м/с – тоже довольно много: хоть волна и не очень высокая, за счёт инерции она может создать большой эффект.
Второй объект по масштабу влияния на Землю – это Солнце. Оно в 400 раз дальше от нас, чем Луна, но в 27 млн раз массивнее. Поэтому эффекты от Луны и от Солнца получаются сравнимыми по величине, хотя Луна все же действует чуть сильнее: гравитационный приливный эффект от Солнца примерно вполовину слабее, чем от Луны. Иногда их влияние складывается: это происходит в новолуние, когда Луна проходит на фоне Солнца, и в полнолуние – когда Луна с противоположной от Солнца стороны. В эти дни – когда Земля, Луна и Солнце выстраиваются в линию, а происходит это каждые две недели – суммарный приливный эффект получается в полтора раза больше, чем только от Луны. А через неделю Луна проходит четверть своей орбиты и оказывается с Солнцем в квадратуре (прямой угол между направлениями на них), и тогда их влияние ослабляет друг друга. В среднем высота приливов в открытом море меняется от четверти метра до 75 сантиметров.
Морякам приливы известны давно. Что делает капитан, когда корабль сел на мель? Если вы читали морские приключенческие романы, то знаете, что он сразу смотрит, в какой фазе Луна, и ждёт, когда будет ближайшее полнолуние либо новолуние. Тогда максимальный прилив может поднять корабль и снять с мели.
Береговые проблемы и особенности
Приливы особенно важны для портовых работников и для моряков, которые собираются ввести свой корабль в порт либо вывести из порта. Как правило, проблема мелководья возникает вблизи берегов, и чтобы она не мешала движению судов, для входа в бухту прорывают подводные каналы – искусственные фарватеры. Их глубина должна учитывать высоту максимального отлива.
Если мы посмотрим в какой-то момент времени на высоту приливов и проведём на карте линии равной высоты воды, то получатся концентрические окружности с центрами в двух точках (в подлунной и анти-лунной), в которых прилив максимальный. Если бы орбитальная плоскость Луны совпадала с плоскостью земного экватора, то эти точки всегда бы перемещались по экватору и за сутки (точнее – за 24ʰ 50ᵐ 28ˢ) делали бы полный оборот. Однако Луна ходит не в этой плоскости, а близ плоскости эклиптики, по отношению к которой экватор наклонен на 23,5 градуса. Поэтому подлунная точка «гуляет» также и по широте. Таким образом, в одном и том же порту (т. е. на одной и той же широте) высота максимального прилива, повторяющегося через каждые 12,5 часов, в течение суток меняется в зависимости от ориентации Луны относительно земного экватора.
Эта «мелочь» важна для теории приливов. Посмотрим еще раз: Земля вращается вокруг своей оси, а плоскость лунной орбиты наклонена к ней. Поэтому каждый морской порт в течение суток «обегает» вокруг полюса Земли, один раз попадая в область максимально высокого прилива, а через 12,5 часов – опять в область прилива, но менее высокого. Т.е. два прилива в течение суток не равноценны по высоте. Один всегда больше другого, потому что плоскость лунной орбиты не лежит в плоскости земного экватора.
Для жителей побережья приливный эффект жизненно важен. Например, во Франции есть , который соединен с материком асфальтовой дорогой, проложенной по дну пролива. На острове живёт много людей, но они не могут пользоваться этой дорогой, пока уровень моря высокий. По этой дороге можно проехать только два раза в сутки. Люди подъезжают и ждут отлива, когда уровень воды понизится и дорога станет доступной. Люди ездят на побережье на работу и с работы, пользуясь специальной таблицей приливов, которая публикуется для каждого населённого пункта побережья. Если не учитывать это явление, вода по пути может захлестнуть пешехода. Туристы просто приезжают туда и гуляют, чтобы посмотреть на дно моря, когда нет воды. А местные жители что-то при этом со дна собирают, иногда даже для пропитания, т.е. по сути этот эффект кормит людей.
Жизнь вышла из океана благодаря именно приливам и отливам. Некоторые прибрежные животные в результате отлива оказывались на песке и вынуждены были научиться дышать кислородом непосредственно из атмосферы. Если бы не было Луны, то жизнь, может быть, не так активно выходила бы из океана, потому что там во всех отношениях хорошо – термостатированная среда, невесомость. Но если ты вдруг попал на берег, то надо было как-то выживать.
Побережье, особенно если оно плоское, во время отлива сильно обнажается. И на некоторое время люди теряют возможность пользоваться своими плавсредствами, беспомощно лежащими как киты на берегу. Но в этом есть кое-что полезное, потому что период отлива можно использовать для ремонта судов, особенно в какой-нибудь бухточке: кораблики приплыли, потом вода ушла, и их можно в это время подремонтировать.
Например, есть такой залив Фанди на восточном побережье Канады, в котором, говорят, самые высокие в мире приливы: перепад уровня воды может достигать 16 метров, что считается рекордом для морского прилива на Земле. Моряки к этому свойству приспособились: они во время прилива подводят судно к берегу, укрепляют его, а когда вода уходит, судно повисает, и ему можно подконопатить дно.
Люди издавна стали следить и регулярно записывать моменты и характеристики высоких приливов, чтобы научиться прогнозировать это явление. Вскоре изобрели мареограф – прибор, в котором поплавок вверх-вниз ходит в зависимости от уровня моря, а показания автоматически вычерчиваются на бумаге в виде графика. Кстати, средства измерения почти не изменились с момента первых наблюдений и до наших дней.
На основе большого количества записей гидрографов математики стараются создать теорию приливов. Если у вас есть многолетняя запись периодического процесса, вы можете разложить его на элементарные гармоники – разной амплитуды синусоиды с кратными периодами. И потом, определив параметры гармоник, продлить суммарную кривую в будущее и на этой основе сделать таблицы приливов. Сейчас такие таблицы опубликованы для каждого порта на Земле, и любой капитан, собирающийся войти в порт, берёт для него таблицу и смотрит, когда там будет достаточный для его корабля уровень воды.
Самая известная история, связанная с прогностическими расчётами, произошла во Вторую мировую войну: в 1944-м году наши союзники – англичане и американцы – собирались открыть второй фронт против гитлеровской Германии, для этого надо было высадиться на французское побережье. Северное побережье Франции в этом отношении очень неприятное: берег обрывистый, высотой 25-30 метров, а дно океана довольно мелкое, так что корабли могут подойти к берегу только в моменты максимальных приливов. Если бы они сели на мель, их бы просто расстреляли из пушек. Чтобы этого избежать, была создана специальная механическая (электронных тогда еще не было) вычислительная машина. Она выполняла Фурье-анализ временных рядов морского уровня с помощью вращающихся каждый со своей скоростью барабанов, через которые проходил металлический трос, который суммировал все члены ряда Фурье, а связанное с тросом пёрышко выписывало график высоты прилива в зависимости от времени. Это была совершенно секретная работа, которая сильно продвинула теорию приливов, потому что оказалось возможным с достаточной точностью предсказать момент наиболее высокого прилива, благодаря чему тяжёлые военные транспортные корабли переплыли Ла-Манш и высадили десант на берег. Так математики и геофизики сохранили жизнь многим людям.
Некоторые математики стараются обобщить данные в масштабе всей планеты, стараясь создать единую теорию приливов, но сравнивать записи, сделанные в разных местах, трудно, потому что Земля очень неправильная. Это лишь в нулевом приближении единый океан всю поверхность планеты покрывает, а на самом деле есть материки и несколько слабо связанных океанов, и у каждого океана своя частота собственных колебаний.
Предыдущие рассуждения о колебаниях уровня моря под действием Луны и Солнца касались открытых океанских просторов, где от одного берега к другому приливное ускорение очень сильно меняется. А в локальных водоёмах – например, озёрах – может ли прилив создать заметный эффект?
Казалось бы, не должно быть, ведь во всех точках озера приливное ускорение примерно одинаково, разница маленькая. Например, в центре Европы есть Женевское озеро, оно всего около 70 км в длину и никак не связано с океанами, но люди давно заметили, что там есть существенные суточные колебания воды. Почему они возникают?
Да, приливная сила чрезвычайно мала. Но главное – она регулярна, т.е. действует периодически. Все физики знают эффект, который при периодическом действии силы иногда вызывает увеличенную амплитуду колебаний. Например, вы берёте в столовой на раздаче тарелку супа и . Это значит, что частота Ваших шагов попала в резонанс с собственными колебаниями жидкости в тарелке. Заметив это, мы резко меняем темп ходьбы – и суп «успокаивается». Своя базовая резонансная частота есть у каждого водоёма. И чем больше размер водоёма, тем ниже частота собственных колебаний жидкости в нём. Так вот, у Женевского озера собственная резонансная частота оказалось кратной частоте приливов, и малое приливное влияние «разбалтывает» Женевское озеро так, что на его берегах уровень меняется вполне ощутимо. Эти стоячие волны большого периода, возникающие в замкнутых водоемах, называются сейши .
Энергия приливов
В наше время пытаются один из альтернативных источников энергии связать с приливным эффектом. Как я уже говорил, главный эффект приливов не в том, что вода поднимается и опускается. Главный эффект – это приливное течение, которое за сутки перегоняет воду вокруг всей планеты.
В неглубоких местах этот эффект очень важен. В районе Новой Зеландии через некоторые проливы капитаны даже не рискуют проводить корабли. Парусникам там вообще никогда не удавалось пройти, да и современные корабли проходят с трудом, потому что дно мелкое и приливные течения имеют колоссальную скорость.
Но раз вода течёт, эту кинетическую энергию можно использовать. И уже построены электростанции, на которых турбины туда-сюда вращаются за счёт приливного и отливного течения. Они вполне работоспособны. Первая приливная электростанция (ПЭС) была сделана во Франции, она до сих пор самая крупная в мире, мощностью 240 МВт. По сравнению с ГЭС не ахти, конечно, но ближайшие сельские районы она обслуживает.
Чем ближе к полюсу, тем скорость приливной волны меньше, поэтому в России побережий, у которых были бы очень мощные приливы, нет. У нас вообще выходов к морю немного, а побережье Северного ледовитого океана для использования приливной энергии не особенно выгодно ещё и потому, что прилив гонит воду с востока на запад. Но всё-таки подходящие для ПЭС места есть, например, губа Кислая.
Дело в том, что в заливах прилив создаёт всегда больший эффект: волна набегает, устремляется в залив, а он сужается, сужается – и амплитуда нарастает. Похожий процесс происходит, как если бы щёлкнули кнутом: сначала длинная волна идёт медленно по кнуту, но потом масса вовлечённой в движение части кнута уменьшается, поэтому скорость увеличивается (импульс mv
сохраняется!) и к узкому концу достигает сверхзвуковой, в результате чего мы слышим щелчок.
Создавая экспериментальную Кислогубскую ПЭС небольшой мощности, энергетики пытались понять, насколько эффективно можно использовать приливы на околополярных широтах для производства электроэнергии. Особого экономического смысла она не имеет. Однако сейчас есть проект очень мощной российской ПЭС (Мезенской) – на 8 гигаватт. Для того чтобы достичь этой колоссальной мощности, нужно перегородить большой залив, отделив дамбой Белое море от Баренцева. Правда, весьма сомнительно, что это будет сделано, пока у нас есть нефть и газ.
Прошлое и будущее приливов
Кстати говоря, из чего черпается энергия приливов? Турбина крутится, электроэнергия вырабатывается, а какой объект теряет при этом энергию?
Поскольку источником энергии прилива служит вращение Земли, то раз мы черпаем из него, значит, вращение должно замедляться. Казалось бы, у Земли есть внутренние источники энергии (тепло из недр идёт благодаря геохимическим процессам и распаду радиоактивных элементов), есть чем компенсировать потери кинетической энергии. Это так, но энергетический поток, распространяясь в среднем практически равномерно по всем направлениям, едва ли может существенно повлиять на момент импульса и изменить вращение.
Если бы Земля не вращалась, приливные горбы смотрели бы точно в направлении Луны и ему противоположном. Но, вращаясь, тело Земли сносит их вперёд по направлению своего вращения – и возникает постоянное расхождение приливного пика и подлунной точки в 3-4 градуса. К чему это приводит? Горб, который ближе к Луне, притягивается к ней сильнее. Эта сила притяжения стремится затормозить вращение Земли. А противоположный горб дальше от Луны, он старается ускорить вращение, но притягивается слабее, поэтому равнодействующий момент сил оказывает на вращение Земли тормозящее действие.
Итак, наша планета всё время уменьшает скорость своего вращения (правда, не совсем регулярно, скачками, что связано с особенностями массопереноса в океанах и атмосфере). А какое влияние оказывают земные приливы на Луну? Ближняя приливная выпуклость тянет Луну за собой, дальняя – напротив, замедляет. Первая сила больше, в результате Луна ускоряется. Теперь вспомните из предыдущей лекции, что происходит со спутником, который принудительно тянут вперёд по движению? Поскольку его энергия увеличивается, он отдаляется от планеты и его угловая скорость при этом падает, потому что растёт радиус орбиты. Кстати, увеличение периода обращения Луны вокруг Земли было замечено ещё во времена Ньютона.
Если говорить в цифрах, то Луна отдаляется от нас примерно на 3,5 см в год, а длительность земных суток каждые сто лет возрастает на сотую доли секунды. Вроде бы ерунда, но вспомните, что Земля существует миллиарды лет. Легко подсчитать, что во времена динозавров в сутках было около 18 часов (нынешних часов, разумеется).
Поскольку Луна отдаляется, приливные силы становятся меньше. Но ведь она всегда удалялась, и если мы обратим взгляд в прошлое, то увидим, что раньше Луна была ближе к Земле, а значит, и приливы были выше. Можете оценить, например, что в архейскую эру, 3 млрд лет назад приливы были километровой высоты.
Приливные явления на других планетах
Разумеется, в системах других планет со спутниками происходят такие же явления. Юпитер, например, – очень массивная планета, у которой большое число спутников. Четыре его крупнейших спутника (их называют галилеевыми, потому что Галилей их обнаружил) подвергаются влиянию со стороны Юпитера вполне ощутимо. Ближайший из них, Ио, весь покрыт вулканами, среди которых более полусотни действующих, причём они выбрасывают «лишнее» вещество на 250-300 км вверх. Это открытие было весьма неожиданным: на Земле таких мощных вулканов нет, а тут маленькое тело размером с Луну, которое должно бы остыть уже давно, а вместо этого оно пышет жаром во все стороны. Где источник этой энергии?
Вулканическая активность Ио была сюрпризом не для всех: за полгода до того, как первый зонд подлетел к Юпитеру, два американских геофизика опубликовали работу, в которой они рассчитали приливное влияние Юпитера на этот спутник. Оно оказалось настолько велико, что способно деформировать тело спутника. А при деформации всегда выделяется тепло. Когда мы берём кусок холодного пластилина и начинаем мять его в руках, он становится после нескольких сжатий мягким, податливым. Это происходит не потому, что рука нагрела его своим теплом (точно так же получится, если его плющить в холодных тисках), а потому что деформация вложила в него механическую энергию, которая преобразовалась в тепловую.
Но с какой стати форма спутника меняется под действием приливов со стороны Юпитера? Казалось бы, двигаясь по круговой орбите и синхронно вращаясь, как наша Луна, стал один раз эллипсоидом – и нет повода для последующих искажений формы? Однако рядом с Ио ещё и другие спутники есть; все они заставляют немножко смещаться туда-сюда его (Ио) орбиту: она то приближается к Юпитеру, то удаляется. Значит, приливное влияние то ослабевает, то усиливается, и форма тела всё время меняется. Кстати, я ещё не говорил про приливы в твёрдом теле Земли: они, конечно, тоже есть, они не такие высокие, порядка дециметра. Если вы посидите часов шесть на своих местах, то благодаря приливам сантиметров на двадцать «погуляете» относительно центра Земли. Это колебание для человека неощутимо, конечно, но геофизические приборы его регистрируют.
В отличие от земной тверди, поверхность Ио за каждый орбитальный период колеблется с многокилометровой амплитудой. Большое количество энергии деформации рассеивается в виде тепла и нагревает недра. На ней, кстати, не видно метеоритных кратеров, потому что вулканы постоянно забрасывают всю поверхность свежим веществом. Стоит ударному кратеру образоваться, как лет через сто его засыпают продукты извержения соседних вулканов. Работают они непрерывно и очень мощно, к этому добавляются разломы в коре планеты, через которые из недр вытекает расплав разных минералов, в основном сера. При высокой температуре она темнеет, поэтому струя из кратера выглядит чёрной. А светлый ободок вулкана – остывшее вещество, которое опадает вокруг вулкана. На нашей планете выброшенное из вулкана вещество обычно тормозится воздухом и падает близко к жерлу, образуя конус, а на Ио атмосферы нет, и оно летит по баллистической траектории далеко во все стороны. Пожалуй, это пример самого мощного приливного эффекта в Солнечной системе.
Второй спутник Юпитера, Европа вся выглядит, как наша Антарктида, она покрыта сплошной ледяной коркой, кое-где потрескавшейся, поскольку её тоже что-то постоянно деформирует. Поскольку этот спутник подальше от Юпитера, приливный эффект здесь не так силён, но тоже вполне ощутим. Под этой ледяной корой жидкий океан: на снимках видно, как из некоторых разошедшихся трещин бьют фонтаны. Под действием приливных сил океан бурлит, а на его поверхности плавают и сталкиваются ледяные поля, почти как у нас в Северном ледовитом океане и у берегов Антарктиды. Измеренная электропроводность жидкости океана Европы свидетельствует о том, что это солёная вода. Почему бы там не быть жизни? Заманчиво было бы опустить в одну из трещин прибор и посмотреть, кто там живёт.
На самом деле не для всех планет концы с концами сходятся. Например, у Энцелада, спутника Сатурна, тоже есть ледяная кора и океан под ней. Но расчёты показывают, что энергии приливов недостаточно, чтобы поддерживать подлёдный океан в жидком состоянии. Конечно, кроме приливов у любого небесного тела есть и другие источники энергии – например, распадающиеся радиоактивные элементы (уран, торий, калий), но на малых планетах они едва ли могут играть значимую роль. Значит, чего-то мы пока не понимаем.
Приливный эффект чрезвычайно важен для звёзд. Почему – об этом на следующей лекции.
Приливами и отливами называют периодические повышения и понижения уровня воды в океанах и морях.
Дважды в течение суток с промежутком около 12 часов 25 минут вода у берега океана или открытого моря поднимается и, если нет преград, заливает иногда большие пространства – это прилив. Затем вода понижается и отступает, обнажая дно – это отлив. Почему это происходит? Об этом задумывались еще древние люди, они-то и заметили, что эти явления связаны с Луной. На основную причину приливов и отливов впервые указал И. Ньютон – это притяжение Земли Луной, а точнее, разность между притяжением Луной всей Земли в целом и водной ее оболочки.
Объяснение приливов и отливов теорией Ньютона
Притяжение Земли Луной складывается из притяжения Луной отдельных частиц Земли. Частицы, находящиеся в данный момент ближе к Луне, притягиваются ею сильнее, а более далекие – слабее. Если бы Земля была абсолютно твердой, то это различие в силе притяжения не играло бы никакой роли. Но Земля не является абсолютно твердым телом, поэтому разность сил притяжения частиц, находящихся вблизи поверхности Земли и вблизи ее центра (эту разность называют приливообразующей силой), смещает частицы относительно друг друга, и Земля, прежде всего ее водная оболочка, деформируется.
В результате на той стороне, которая обращена к Луне, и на ее противоположной стороне вода поднимается, образуя приливные выступы, и там накапливается излишек воды. За счет этого уровень воды в других противоположных точках Земли в это время снижается – здесь происходит отлив.
Если бы Земля не вращалась, а Луна оставалась неподвижной, то Земля вместе со своей водной оболочкой всегда сохраняла бы одну и ту же вытянутую форму. Но Землявращается, а Луна движется вокруг Земли примерно за 24 часа 50 минут. С этим же периодом и приливные выступы следуют за Луной и перемещаются по поверхности океанов и морей с востока на Запад. Поскольку таких выступов два, то над каждым пунктом в океане дважды в сутки с интервалом около 12 часов 25 минут проходит приливная волна.
Почему высота приливной волны разная
В открытом океане вода поднимается при прохождении приливной волны незначительно: около 1 м и менее, что остается практически незаметным для мореплавателей. Но у берегов даже такой подъем уровня воды заметен. В бухтах и узких заливах уровень воды поднимается во время приливов гораздо выше, так как берег препятствует движению приливной волны и вода накапливается здесь в течение всего времени между отливом и приливом.
Самый большой прилив (около 18 м) наблюдается в одной из бухт на побережье в Канаде. В России наибольшие приливы (13 м) происходят в Гижигинской и Пенжинской губах Охотского моря. Во внутренних морях (например, в Балтийском или Черном) приливы и отливы почти незаметны, потому что в такие моря не успевают проникнуть массы воды, перемещающиеся вместе с океанской приливной волной. Но все равно в каждом море или даже озере возникают самостоятельные приливные волны с небольшой массой воды. Например, высота приливов в Черном море достигает лишь 10 см.
В одной и той же местности высота прилива бывает различной, так как расстояние от Луны до Земли и наибольшая высота Луны над горизонтом с течением времени изменяются, а это приводит к изменению величины приливообразующих сил.
Приливы и Солнце
На приливы также оказывает действие и Солнце. Но приливные силы Солнца в 2,2 раза меньше приливных сил Луны.
Во время новолуния и полнолуния приливные силы Солнца и Луны действуют в одном направлении – тогда получаются наиболее высокие приливы. Но во время первой и третьей четвертейЛуны приливные силы Солнца и Луны противодействуют, поэтому приливы бывают меньшими.
Приливы в воздушной оболочке Земли и в ее твердом теле
Приливные явления происходят не только в водной, но и в воздушной оболочке Земли. Они называются атмосферными приливами и отливами. Приливы происходят также в твердом теле Земли, поскольку Земля не является абсолютно твердой. Вертикальные колебания поверхности Земли вследствие приливов достигают нескольких десятков сантиметров.
Практическое использование приливов и отливов
Приливная электростанция – это особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров.
В 1967 г. во Франции была построена приливная электростанция в устье реки Ранс.
В России c 1968 г. действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря.
Существуют ПЭС и за рубежом - во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах.