Происхо-дит подъем и спад воды. Это явление морских приливов и отливов. Уже в древности наблюдатели заметили, что прилив наступает че-рез некоторое время после кульминации Луны в месте наблю-дения. Более того, приливы наиболее сильны в дни ново- и полнолуний, когда центры Луны и Солнца располагаются при-мерно на одной прямой.
Учитывая это, И. Ньютон объяснил приливы действием тя-готения со стороны Луны и Солнца, а именно тем, что раз-ные части Земли притягиваются Луной по-разному.
Земля вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем Луна обращается во-круг Земли. В результате приливный горб (взаимное располо-жение Земли и Луны показано на рисунке 38) движется, по Земле бежит приливная волна, возникают приливные течения . При приближении к берегу высота волны увеличивается, поскольку поднимается дно . Во внутренних морях высота приливной волны бывает всего нескольких санти-метров, в открытом океане же достигает около одного метра. В бла-гоприятно расположенных узких заливах высота прилива возраста-ет ещё в несколько раз.
Трение воды о дно, а также де-формации твёрдой оболочки Земли сопровождаются выделением теп-ла, что приводит к рассеянию энергии системы Земля — Луна. Поскольку приливный горб отно-сится к востоку, максимальный прилив происходит после кульминации Луны, притяжение горба вызывает ускорение Луны и замедление вращения Земли. Луна постепенно отодвигается от Земли. Действительно, геологические данные показывают, что в юрском периоде (190-130 млн лет назад) приливы бы-ли намного выше, а сутки — короче. Следует отметить, что при умень-шении расстояния до Луны в 2 раза высота прилива возрас-тает в 8 раз. В настоящее время сутки увеличиваются на 0,00017 с в год . Так что примерно через 1,5 млрд лет их дли-на увеличится до 40 современных суток. Такой же длины будет и месяц. В результате Земля и Луна будут всегда обра-щены друг к другу одной и той же стороной. После этого Лу-на начнёт постепенно приближаться к Земле и ещё через 2-3 млрд лет будет разорвана приливными силами (если, ко-нечно, к тому времени Солнечная система ещё будет сущест-вовать).
Влияние Луны на прилив
Рассмот-рим, следуя Ньютону, более подробно приливы, вызываемые притяжением Луны, так как воздействие Солнца существен-но (в 2,2 раза) меньше.
Запишем выражения для ускорений, вызываемых притя-жением Луны для разных точек Земли, учитывая, что для всех тел в данной точке пространства эти ускорения одинако-вы. В инерциальной системе отсчёта, связанной с центром масс системы, значения ускорений будут:
A A = -GM / (R — r) 2 , a B = GM / (R + r) 2 , a O = -GM / R 2 ,
где a A , a O , a B — ускорения, вызванные притяжением Луны в точках A , O , B (рис. 37); М — масса Луны; r — радиус Зем-ли; R — расстояние между центрами Земли и Луны (для рас-чётов его можно принять равным 60r ); G — гравитационная постоянная.
Но мы живём на Земле и все наблюдения проводим в си-стеме отсчёта, связанной с центром Земли, а не с центром масс Земля — Луна. Чтобы перейти в эту систему, необходимо из всех ускорений вычесть ускорение центра Земли. Тогда
A’ A = -GM ☾ / (R — r) 2 + GM ☾ / R 2 , a’ B = -GM ☾ / (R + r) 2 + GM / R 2 .
Выполним действия в скобках и учтём, что r мало по срав-нению с R и в суммах и разностях им можно пренебречь. Тогда
A’ A = -GM / (R — r) 2 + GM ☾ / R 2 = GM ☾ (-2Rr + r 2) / R 2 (R — r) 2 = -2GM ☾ r / R 3 .
Ускорения a ’ A и a ’ B одинаковы по модулю, противополож-ны по направлению, каждое направлено от центра Земли. Они называются приливными ускорениями . В точках C и D при-ливные ускорения, меньшие по модулю и направлены к цен-тру Земли.
Приливными ускорениями называются ускорения, возни-кающие в системе отсчёта, связанной с телом из-за того, что вследствие конечных размеров этого тела разные его части по-разному притягиваются возмущающим телом. В точках A и B ускорение силы тяжести оказывается меньшим, чем в точках C и D (рис. 37). Следовательно, для того чтобы давление на одинаковой глубине было одинаковым (как у сообщающих-ся сосудов) в этих точках, вода должна подняться, образуя так называемый приливный горб. Подсчёт показывает, что подъем воды или прилив в открытом океане составляет око-ло 40 см. В прибрежных водах он гораздо больше, а рекорд составляет около 18 м. Ньютоновская теория этого объяснить не может.
На побережье многих внешних морей можно увидеть любопытную картину: вдоль берега неда-леко от воды натянуты рыболовные сети. Причём сети эти по-ставлены не для сушки, а для ловли рыбы . Если остаться на берегу и понаблюдать за морем, то всё станет понятно. Вот -вода начинает прибывать, и там, где всего несколько часов назад была песчаная отмель, заплескались волны. Когда вода отступила, показались сети, в которых засверкала чешуёй запу-тавшаяся рыба. Рыбаки, обойдя сети, сняли улов. Материал с сайта
Вот как описывает наступление прилива очевидец: «Мы добрались до моря — сказал мне попутчик. Я в недоумении глядел кругом. Передо мной действительно был берег: следу ряби, полузасыпанный остов тюленя , редкие куски плавника, обломки ракушек. А дальше простиралось ровное пространство... и никакого моря. Но часа через три неподвижная линия горизон-та задышала, заволновалась. И вот уже за ней заискрилась морская зыбь. Вал прилива катился неудержимо вперёд по серой поверхности. Перегоняя друг друга, волны набегали на берег. Одна за другой потонули дальние скалы — и кругом видна толь-ко вода. Она бросает мне в лицо солёные брызги. Вместо мёртвой равнины передо мной живёт и дышит водная гладь».
Когда приливная волна заходит в залив, имеющий в плане воронкообразную форму, берега залива как бы сжимают её, отчего высота прилива увеличивается в несколько раз. Так, в заливе Фанди у восточного берега Северной Америки высота прилива достигает 18 м. В Европе наиболее высокие приливы (до 13,5 метров) бывают в Бретани близ города Сен-Мало.
Очень часто приливная волна заходит в устья рек , повышая уровень воды в них на несколько метров. Например, у Лондона в устье реки Темзы высота прилива — 5 м.
Мировой океан живет по своим правилам, которые гармонично сочетаются с законами мироздания. Уже давно люди заметили, что активно передвигаются, но никак не могли понять, с чем связаны эти колебания уровня моря. Давайте выясним, что такое прилив, отлив?
Приливы и отливы: загадки океана
Моряки отлично знали, что приливы и отливы - явление ежедневное. Но вот природу этих изменений понять не могли ни простые жители, ни ученые умы. Еще в пятом веке до нашей эры философы пытались описать и охарактеризовать, как движется Мировой океан. представлялись чем-то фантастическим и необыкновенным. Даже авторитетные ученые считали приливы дыханием планеты. Эта версия существовала на протяжении нескольких тысячелетий. Только в конце семнадцатого века значение слова "прилив" связали с движением Луны. Но объяснить этот процесс с научной точки зрения так и не удалось. Спустя сотни лет ученые разобрались с этой загадкой и дали точное определение ежедневному изменению уровня воды. Появившаяся в двадцатом веке наука океанология установила, что прилив - это поднятие и опускание уровня вод Мирового океана в связи с гравитационным воздействием Луны.
Везде ли приливы одинаковы?
Влияние Луны на земную кору неодинаково, поэтому нельзя сказать, что по всему миру приливы идентичны. В некоторых уголках планеты ежедневные перепады уровня моря доходят до шестнадцати метров. А жители побережья Черного моря практически вообще не замечают приливов и отливов, так как они являются самыми незначительными в мире.
Обычно изменение происходит дважды в сутки - утром и вечером. Но вот в Южно-Китайском море прилив - это движение водных масс, которое происходит всего лишь один раз за двадцать четыре часа. Более всего перепады уровня моря заметны в проливах или других узких местах. Если понаблюдать, то невооруженным взглядом будет заметно, насколько быстро уходит или приходит вода. Иногда за несколько минут она поднимается на пять метров.
Как мы уже выяснили, изменение уровня моря вызвано воздействием на земную кору ее неизменного спутника Луны. Но как происходит этот процесс? Чтобы понять, что такое прилив, необходимо в подробностях представлять взаимодействие всех планет в Солнечной системе.
Луна и Земля находятся в постоянной зависимости друг от друга. Земля притягивает свой спутник, а тот, в свою очередь, стремится притянуть нашу планету. Это бесконечное соперничество позволяет сохранять между двумя космическими телами нужное расстояние. Луна и Земля движутся по своим орбитам, то отдаляясь, то приближаясь друг к другу.
В тот момент, когда Луна подходит к нашей планете ближе, земная кора выгибается ей навстречу. Это вызывает волнение воды на поверхности земной коры, она будто стремится подняться выше. Отдаление земного спутника вызывает спад уровня Мирового океана.
Интервал приливов и отливов на Земле
Так как прилив - это регулярное явление, то у него должен быть свой определенный интервал движения. Океанологи сумели вычислить точное время лунных суток. Этим термином принято называть оборот Луны вокруг нашей планеты, он чуть длиннее привычных для нас двадцати четырех часов. Каждый день приливы и отливы сдвигаются на пятьдесят минут. Этот временной промежуток необходим волне, чтобы "догнать" Луну, перемещающуюся за земные сутки на тринадцать градусов.
Влияние океанских приливов на реки
Что такое прилив, мы уже выяснили, но мало кто знает о влиянии этих океанских колебаний на нашу планету. Удивительно, но даже реки подвержены влиянию океанских приливов, и порой результат этого вмешательства бывает невероятно пугающим.
Во время обильных приливов волна, зашедшая в устье реки, встречается с потоком пресной воды. В результате смешения водных масс различной плотности образуется мощный вал, который с огромной скоростью начинает продвигаться против течения реки. Этот поток называют бором, и он способен разрушить на своем пути практически все живое. Подобное явление за несколько минут смывает прибрежные поселения и размывает береговую линию. Бор останавливается так же внезапно, как и начался.
Ученые фиксировали случаи, когда мощный бор поворачивал реки вспять или полностью останавливал их. Нетрудно представить, насколько катастрофичны для всех обитателей реки стали эти феноменальные случаи действия приливов.
Как приливы влияют на морских обитателей?
Не удивительно, что приливы оказывают огромное влияние на все организмы, которые живут в глубинах океана. Труднее всего приходится мелким животным, обитающим в прибрежных зонах. Они вынуждены постоянно приспосабливаться к изменению уровня воды. Для многих из них приливы - это способ поменять место обитания. Во время приливов мелкие рачки перебираются ближе к берегу и находят для себя корм, отливная волна утягивает их глубже в океан.
Океанологи доказали, что многие морские обитатели тесно связаны с приливными волнами. К примеру, у некоторых видов китов во время отливов замедляется обмен веществ. У других глубоководных жителей репродуктивная активность зависит от высоты волны и ее амплитуды.
Большинство ученых считает, что исчезновение таких явлений, как колебания уровня Мирового океана, приведет к вымиранию многих живых существ. Ведь в этом случае они лишатся источника питания и не смогут подстраивать свои биологические часы под определенный ритм.
Скорость вращения Земли: велико ли влияние приливов?
Уже долгие десятилетия ученые изучают все, что связано с термином "прилив". Это тот процесс, который с каждым годом приносит все больше загадок. Многие специалисты связывают скорость вращения Земли с действием приливных волн. Согласно этой теории, под влиянием приливов формируются На своем пути они постоянно преодолевают сопротивления земной коры. В итоге практически незаметно для человека скорость вращения планеты замедляется.
Изучая морские кораллы, океанологи выяснили, что несколько миллиардов лет назад земные сутки составляли двадцать два часа. В дальнейшем вращение Земли будет замедляться еще сильнее, и в какой-то момент просто сравняется с амплитудой лунных суток. В этом случае, как прогнозируют ученые, приливы и отливы просто исчезнут.
Жизнедеятельность человека и амплитуда колебаний Мирового океана
Не удивительно, что действию приливов подвержен и человек. Ведь он на 80% состоит из жидкости и не может не откликаться на влияние Луны. Но человек не был бы венцом творения природы, если бы не научился использовать с выгодой для себя практически все природные явления.
Энергия приливной волны невероятно велика, поэтому уже много лет создаются различные проекты по строительству электростанций в районах с большой амплитудой движения водных масс. В России таких электростанций уже несколько. Первая была построена в Белом море и являлась экспериментальным вариантом. Мощность этой станции не превышала восьмиста киловатт. Сейчас эта цифра кажется смешной, и новые электростанции, использующие приливную волну, вырабатывают энергию, питающую многие города.
Ученые видят именно в этих проектах будущее российской энергетики, ведь позволяют бережнее относиться к природе и сотрудничать с ней.
Приливы и отливы - это природные явления, которые не так давно были совсем не изученными. Каждое новое открытие океанологов приводит к еще большим вопросам в этой области. Но возможно, когда-нибудь ученые сумеют разгадать все тайны, которые каждый день преподносит человечеству океанский прилив.
Два года назад я отдыхала на побережье Индийского океана на чудесном острове Цейлон. Мой маленький отель находился всего в 50 метрах от океана. Своими глазами каждый день наблюдала всё мощное движение и бурную жизнь океана. Как-то ранним утром стояла на берегу, глядя на волны и размышляла о том, что даёт силу такому мощному колебанию океана, его каждодневно образующимся приливам и отливам.
Что даёт силу отливам и приливам
Гравитация одинаково влияет на движение всех объектов. Но если гравитация вызывает приливы в океанах, а вода - и в Африке вода, то почему приливов и отливов нет в озёрах? Хм, а что если допустить, что всё, что мы знаем, ошибочно. Многие неглупые люди из научного мира объясняют это так. Притяжение Земли в точке А слабее чем в точке B. Суммарный эффект притяжения Земли растягивает океан. После чего он вздувается на противоположных сторонах.
Да, действительно факты настоящие и разница в силе притяжения Луны в пунктах А и B существует.
Непонимание кроется в объяснении выпуклостей. Может они появляются не из-за разности в притяжении. А причины менее очевидны, и в них путаются. Дело больше в совокупном давлении в разных местах толщи воды. А Луна при этом превращает Землю в гидравлический насос планетарного масштаба, и вода вздувается, прижимаясь к центру. Поэтому достаточно даже малейшего воздействия, чтобы началось волновое движение.
Ещё немного о приливах
Но хотелось бы понять, почему их нет в другом скоплении воды:
- в теле человека (оно же на 80 % состоит из воды);
- в наполненной ванне;
- в озёрах;
- в чашках с кофе и т.п.
Скорее всего, из-за меньшего давления, чем в океане, и плохой гидравлики. В отличие от океана всё это небольшие скопления воды. Площади озера, чашки и остального недостаточно, чтобы минимальное давление на него изменяло уровень воды, создавая волны.
Большие озёра могут создавать давление для мини приливов. Но поскольку ветры и всплески создают большую рябь, мы их просто не замечаем. Приливы и отливы образуются везде, просто они очень микроскопические.
Чтобы исчерпать основные вопросы, связанные с существованием у Земли ее спутника - Луны, нам необходимо сказать несколько слов и относительно явления приливов. Это необходимо также и для получения ответа на последний вопрос, поднимаемый в этой книге: откуда взялась Луна и каково ее будущее? Что такое прилив?
Во время приливов на берегах открытых морей и океанов происходит наступление воды на берега. Низкие берега буквально захлестываются огромными массами воды. Громадные пространства покрываются водой. Море как бы выступает из берегов и наседает на сушу. Вода морская явно поднимается.
Во время приливов (64) океанские глубокосидящие в воде суда имеют возможность свободно входить в относительно мелководные гавани и в устья рек, впадающих в океаны.
Приливная волна бывает в некоторых местах очень высока, достигая десятка и более метров.
Проходит приблизительно шесть часов с начала подъема воды,- и прилив сменяется отливом (65), вода начинает постепенно
спадать, море у берегов мелеет, и значительные пространства прибрежной полосы освобождаются от воды. Недавно еще в этих местах плавали пароходы, а теперь жители бродят по мокрому песку и гравию и собирают раковины, водоросли и другие «дары» моря.
Чем же объясняются эти постоянные приливы и отливы? Они происходят вследствие притяжения, которое Луна оказывает на Землю.
Не только Земля притягивает к себе Луну, но и Луна притягивает Землю. Притяжение Земли сказывается на движении Луны, заставляя Луну двигаться по криволинейному пути. Но вместе с этим притяжение Земли несколько изменяет форму Луны. Обращенные к Земле ее части притягиваются Землей сильнее других частей. Таким образом Луна должна иметь несколько вытянутую по направлению к Земле форму.
Притяжение Луны сказывается и на форме Земли. В стороне, обращенной в данный момент к Луне, происходит некоторое вспучивание, вытягивание земной поверхности (66).
Частицы воды, как более подвижные и обладающие малым сцеплением, более поддаются этому притяжению Луны, чем частицы твердой суши. В связи с этим и создается весьма заметный подъем воды в океанах.
Если бы Земля, как и Луна, была обращена к Луне всегда одной и той же стороной, форма ее была бы несколько вытянута в направлении к Луне и никаких чередующихся приливов и отливов не существовало бы. Но Земля поворачивается разными сторонами ко всем небесным светилам, в том числе и к Луне (суточное вращение). В связи с этим по Земле как бы б е ж и т приливная волна, бежит вслед за Луной, вздымающей выше воду океанов в частях земной поверхности, обращенных к ней в данный момент. Приливы должны чередоваться с отливами.
За сутки Земля сделает один поворот вокруг своей оси. Следовательно, ровно через сутки к Луне должны быть обращены одни и те же части земной поверхности. Но мы знаем, что Луна за сутки успевает пройти некоторую часть своего пути вокруг Земли, двигаясь в том же направлении, в каком вращается и Земля. Поэтому удлиняется период, по истечении которого к Луне будут обращены одни и те же части Земли. Вследствие этого цикл приливов и отливов происходит не в сутки, а в 24 часа 51 минуту. За этот промежуток времени чередуются на Земле два прилива и два отлива.
Но почему два, а не один? Объяснение этому мы находим, вспоминая еще раз закон всемирного тяготения. Согласно этому закону, сила притяжения уменьшается с увеличением расстояния, и притом обратно пропорционально его квадрату: вдвое увеличивается расстояние - вчетверо уменьшается притяжение.
В стороне Земли, прямо противоположной той, которая обращена к Луне, происходит следующее. Частицы, близкие к поверхности Земли, притягиваются Луной с л а б е е, чем внутренние части Земли. Они менее стремятся к Луне, чем более близкие к ней частицы. Поэтому поверхность морей здесь как бы отстает несколько от твердых внутренних частей земного шара и здесь также получается п о д ъ е м воды, водяной горб, приливный выс т у п, приблизительно такой же, как и на противоположной стороне. Здесь также приливная волна набегает на низкие берега. Следовательно, у берегов океанов будет прилив и тогда, когда эти берега обращены к Луне, и тогда, когда Луна находится в прямо противоположной стороне. Таким образом, на Земле должно быть обязательно два прилива и два отлива за период полного оборота Земли вокруг оси.
Конечно, на величину прилива оказывает влияние также и притяжение Солнца. Но хотя Солнце и колоссально по размерам, оно, однако, и находится намного дальше от Земли, чем Луна. Его приливообразующее влияние меньше влияния Луны в два раза (составляет только 5/11 или 0.45 приливного влияния Луны).
Величина каждого прилива зависит и от высоты, на какой находится в данное время Луна. При этом совершенно безразлично, какую фазу имеет в это время Луна и видна ли она на небе. Луна может оыть в этот момент вовсе не видна, то есть находиться в той же стороне, где и Солнце, и наоборот. Только в первом случае прилив в общем будет более сильным, чем обычно, так как к притяжению Луны добавляется еще и притяжение Солнца.
Вычисление показывает, что приливообразующая сила Луны составляет только одну девятимиллионную часть силы тяжести на Земле, то есть той силы, с какой Землясама притягивает к себе. Конечно, это притягивающее действие Луны ничтожно. Ничтожен и подъем воды на несколько метров в сравнении с экваториальным поперечником земного шара, равным 12 756 776 м. Но приливная волна, даже и такая малая, весьма, как мы знаем, ощутительна для обитателей Земли, находящихся у берегов океанов.
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
- WXTide32 - свободно распространяемая программа для составления таблиц приливов
| Луна | ||
|---|---|---|
| Особенности |  |
|
