Приливы и отливы - природные явления, о которых слышали и которые наблюдали многие люди, особенно живущие на берегу моря или океана. Что такое приливы и отливы, какая сила кроется в них, почему они возникают, читайте в статье.
Значение слова «прилив»
Согласно толковому словарю Ефремовой, прилив - это природное явление, когда уровень открытого моря повышается, то есть происходит его подъем, и это периодически повторяется. Что значит прилив? По толковому словарю Ожегова прилив - это приток, скопление движущегося.
Прилив - это что такое?
Это природное явление, когда регулярно поднимается и падает уровень воды в океане, море или другом водоеме. Что такое прилив? Это ответная реакция на воздействие гравитационных сил, то есть сил притяжения, которыми обладают Солнце, Луна и другие приливообразующие силы.
Что такое прилив? Это подъем воды в океане до самого высокого уровня, который происходит каждые 13 часов. Отлив - обратное явление, при котором вода в океане падает до самого низкого уровня.
Прилив и отлив - это что такое? Это колебание уровня воды, которое происходит периодически по вертикали. Это природное явление, приливы и отливы, происходит потому, что относительно Земли изменяется положение Солнца, Луны вместе с вращающими эффектами Земли и особенностями рельефа.
Где случаются отливы и приливы?
Эти природные явления наблюдаются почти во всех морях. Они выражаются в периодическом повышении и понижении уровня воды. Случаются приливы по противоположным сторонам Земли, которые лежат рядом с линией, направленной к Солнцу и Луне. На образование горба по одну сторону Земли оказывает влияние прямое притяжение небесных тел, а по другую - наименьшее их притяжение. Так как Земля вращается, у берега моря в каждом пункте за одни сутки наблюдается по два прилива и столько же отливов.
Приливы одинаковыми не бывают. Перемещение водных масс и уровень, до которого поднимается вода в море, зависят от многих факторов. Это широта местности, очертание суши, атмосферное давление, сила ветра и многое другое.
Разновидности
Приливы и отливы классифицируют по продолжительности цикла. Они бывают:
- Полусуточные , когда в сутки случается два прилива и два отлива, то есть преобразование пространства воды в океане или на море заключается в полных и неполных водах. Параметры амплитуд, которые чередуются между собой, практически не имеют различий. Они выглядят как кривая синусоидальная черта и локализуются в водах такого моря, как Баренцево, у берегов Белого, распространены практически на всей территории Атлантического океана.
- Суточные - характеризуются одним приливом и таким же количеством отливов в течение суток. Такие природные явления наблюдаются и в Тихом океане, но очень редко. Так, если спутник Земли проходит через экваториальную зону, наблюдается стояние воды. Но если происходит склонение Луны с самым маленьким показателем, наблюдаются приливы малой мощности, имеющие экваториальный характер. Если цифры более высокие, образуются тропические приливы, сопровождающиеся значительной силой.
- Смешанные , когда по высоте преобладают полусуточные или суточные приливы, имеющие неправильную конфигурацию. Например, в полусуточных изменениях уровня гидросферы прослеживается схожесть с полусуточными приливами по многим признакам, а в суточных - с такими же по времени приливами, то есть суточными, которые зависят от того, с каким градусом склоняется Луна в данный промежуток времени. Приливы и отливы смешанного типа чаще встречаются в водном пространстве Тихого океана.
- Приливы аномального характера - характеризуются подъемами и спадами воды, не подходящими ни под одно описание по различным признакам. Аномалия имеет непосредственную связь с мелководьем, в результате чего меняется сам цикл как подъема, так и спада воды. Этот процесс особенно влияет на устье рек. Здесь приливы по времени меньше отливов. Подобными катаклизмами характеризуются отдельные участки пролива Ла-Манш, а также течения Белого моря.
Однако приливы практически не заметны в морях, которые называются внутренними, то есть отделенных от океана проливами, узкими по ширине.
Что порождает приливы?
Если нарушаются силы тяготения и инерции, на Земле возникают приливы. Природное явление приливы в большей степени проявляется у океанических берегов. Здесь два раза в сутки в разной степени уровень воды повышается и столько же раз опускается. Происходит это потому, что на поверхности двух противоположных областей океана образуются горбы. Их положение определяется в зависимости от положения Луны и Солнца.
Влияние Луны
На возникновение приливов и отливов Луна оказывает большее влияние, чем Солнце.В результате многочисленных исследований было выявлено, что на точку земной поверхности, расположенную ближе всего к Луне, внешние факторы влияют на 6 % больше, чем на самую удаленную. В этой связи ученые сделали вывод, что благодаря данному размежеванию сил Земля раздвигается в направлении такой траектории, как Луна-Земля.
Учитывая то обстоятельство, что Земля вокруг своей оси оборачивается за одни сутки, двойная приливная волна за это время проходит по создавшемуся растяжению, точнее, его периметру, два раза. В результате этого процесса создаются двойные «долины». Их высота в Мировом океане достигает двухметровой отметки, а на суше - 40-43 сантиметра, поэтому для жителей планеты это явление остается незамеченным. Нами не ощущается сила приливов, отливов, где бы мы ни находились: на суше или на воде. Хотя с подобным явлением человек знаком, наблюдая его на береговой линии. Морские или океанические воды набирают иногда по инерции достаточно большую высоту, тогда мы видим выкатывающиеся на берег волны - это прилив. Когда они откатываются обратно - отлив.
Влияние Солнца
Главная звезда Солнечной системы далеко расположена от Земли. По этой причине ее воздействие на нашу планету мало заметно. Солнце массивней Луны, если рассматривать эти небесные тела как источники энергии. Но большое расстояние между светилом и Землей оказывает влияние на амплитуду солнечных приливов, она в два раза меньше аналогичных процессов Луны. Когда наблюдается полнолуние и растет Луна, небесные тела - Солнце, Земля и Луна - имеют одинаковое расположение, в результате чего солнечные и лунные приливы складываются. Солнце оказывает небольшое влияние на приливы и отливы в тот период, когда гравитационные силы от Земли идут в двух направлениях: к Луне и Солнцу. В это время уровень отлива повышается, а прилива - понижается.
Суша на планете занимает 30 % поверхности. Остальную часть покрывают океаны и моря, с которыми связано много тайн и явлений природного характера. Одним из них является так называемый красный прилив. Это явление удивительное по красоте. Оно наблюдается у побережья Флоридского залива и считается самым большим, особенно в такие летние месяцы, как июнь или июль. Как часто можно наблюдать красный прилив, зависит от банальной причины - загрязнения прибрежных вод человеком. Волны имеют насыщенный ярко-красный или оранжевый оттенок. Это потрясающее зрелище, но любоваться им долго опасно для здоровья.
Дело в том, что окраску воде дают водоросли во время цветения. Этот период происходит очень интенсивно, растения выделяют большое количество токсинов и химикатов. В воде они растворяются не полностью, какая-то их часть выделяется в воздух. Эти вещества очень вредны для растений, животных, морских птиц. Часто от них страдают люди. Особо опасными для человека являются моллюски, которых выловили из зоны "красного прилива". Человек, употребляя их, получает сильное отравление, часто приводящее к летальному исходу. Дело в том, что уровень кислорода во время прилива понижается, в воде появляется аммиак и сероводород. Они и являются причиной отравлений.
Какие приливы считаются самыми высокими в мире?
Если форма залива воронкообразная, при попадании в него приливной волны происходит сжимание берегов. Из-за этого увеличивается высота прилива. Так, высота приливной волны у восточных берегов Северной Америки, а именно в заливе Фанди, достигает примерно 18 метров. В Европе самыми высокими приливами (13,5 метров) отличается Бретань, недалеко от Сен-Мало.
Как влияют приливы и отливы на обитателей планеты?
Этим природным явлениям особенно подвержены морские жители. Самое большое влияние приливы и отливы оказывают на обитателей вод в береговой полосе. Так как уровень земной воды изменяется, происходит развитие организмов с оседлым образом жизни. Это моллюски, устрицы, которым изменение структуры водной стихии не мешает размножаться. Этот процесс происходит гораздо активнее во время больших приливов
Но многим организмам периодические колебания уровня воды приносят страдания. Особенно трудно приходится животным маленького размера, многие из них во время приливов полностью меняют среду обитания. Одни перебираются ближе к берегу, а других, наоборот, волна уносит глубоко в океан. Природа, конечно, координирует все изменения на планете, но живые организмы приспосабливаются к условиям, преподнесенным деятельностью Луны, а также Солнца.
Какую роль играют приливы и отливы?
Что такое приливы и отливы, мы разобрали. Какова их роль в жизни человека? Эти природные явления обладают титанической силой, которую в настоящее время, к сожалению, используют мало. Хотя первые попытки в этом направлении были предприняты еще в середине прошлого столетия. В разных странах мира стали сооружать гидроэлектростанции, использующие силу приливной волны, но их пока очень мало.
Значение приливов огромно и для судоходства. Именно во время их образования суда заходят в реку на много километров вверх по течению для выгрузки товаров. Поэтому очень важно знать, когда эти явления произойдут, для чего составляются специальные таблицы. Капитаны судов по ним определяют точное время наступления приливов и их высоту.
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 Земля вращается, 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 четвертей Луны 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.
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.
Британский фотограф Майкл Мартин (Michael Marten) создал серию оригинальных снимков, фиксирующих побережье Бритаиии в одинаковых ракурсах, но в разное время. Один снимок во время прилива, а второй во время отлива.
Получилось весьма необычно, а положительные отзывы о проекте, буквально вынудили автора заняться выпуском книги. Книга, получившая название «Sea Change», увидела свет в августе этого года и была выпущена на двух языках. На создание своей внушительной серии снимков, у Майкла Мартина (Michael Marten) ушло порядка восьми лет. Время между большой и малой водой составляет в среднем немногим более шести часов. Поэтому, Майклу приходится в каждом месте задерживаться дольше, чем просто время нескольких щелчков затвора.
1. Идея создания серии таких работ вынашивалась автором давно. Он искал, как реализовать на пленке изменения природы, без воздействия человека. И нашел случайно, в одной из приморских шотландских деревушек, где провел весь день и застал время прилива и отлива.
3. Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле называются приливы и отливы.
Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня – стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря – условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже – во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений.
Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды – приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, в отличии от них океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана.
4. Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.
5. Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона.
Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее).
6. Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно б?льшую роль, чем массы тел.
Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны.
Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны.
7. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.
Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры.
В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30–60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне.
8. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему.
Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной – обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.
9. Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
10. Неравенства величин прилива. Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться:
1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны;
2) амплитудой прилива и
3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды.
Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.
Полусуточный эффект. Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе – вращению Земли вокруг своей оси – образуются два полных приливных цикла.
11. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, – против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.
12. Полумесячное неравенство. Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 143/4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой.
До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны.
13. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный.
14. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.
15. Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной.
16. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы – не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными.
17. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом.
18. Лунное параллактическое неравенство. Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 271/2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее.
Суточное неравенство. Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения – вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна.
19. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.
Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.
Полугодовое неравенство. Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.
20. Солнечное параллактическое неравенство. Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.
21. Наибольшие амплитуды приливов. Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.Причины возникновения приливов, бывшие предметом постоянного изучения в течение многих столетий, относятся к тем проблемам, которые породили много противоречивых теорий даже в сравнительно недавнее время
22. Ч.Дарвин писал в 1911 г.: “Нет необходимости искать античную литературу ради гротесковых теорий приливов”. Однако морякам удается измерять их высоту и использовать возможности приливов, не имея представления о действительных причинах их возникновения.
Думаю что и нам можно особенно не заморачиваться по поводу причин происхождения приливов. На основании многолетних наблюдений для любой точки акватории земли рассчитываются специальные таблицы в которых указывается время высокой и низкой воды на каждый день. Планирую свою поездку например в Египет, который как раз славится своими не глубокими лагунами, по пробуйте заранее подгадать так чтобы полная вода приходилась на первую половину дня, что позволит большую часть светлого времени полноценно кататься.
Еще один вопрос связанный с приливами интересный для кайтера, это взаимосвязь ветра и колебания уровня воды.
23. Народная примета утверждает что на прилив ветер усиливается а на отлив наоборот скисает.
Более понятно влияние ветра на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.
24. Второй механизм действует за счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией, происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм рт. ст., уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Зона высокого давления или антициклон обычно называют хорошей погодой, но только не для кайтера. В центре антициклона штиль. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений.
Но вполне возможно, что и отливы могут оказывать влияние на ветер, к примеру понижение уровня воды в прибрежных лагунах, ведет к большему прогреву воды, и как следствие к уменьшению разницы температур между холодным морем и нагретой сушей что ослабляет бризовой эффект.
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.