ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ
периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. 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. Средняя высота прилива (или отлива) - осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку. 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, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана (см. также ОКЕАН). В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, "застаивается". 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.
Объяснение происхождения приливообразующих сил.
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). 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 большую 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 приблизительно в 89 раз больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. 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. 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. 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.
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. 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.
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. 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. 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. 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. 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. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.
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. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 11/2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.
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. 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.
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.
Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.
Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов. Футшток - это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.
Поплавковый футшток.
Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.
Гидростатический самописец уровня моря.
На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.
Таблицы приливов.
При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой. Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.
Приливы на реках и течения.
Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются большими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.
Бор.
Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60-90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р.Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу. См. также БОР. Реверсивный водопад (меняющий направление на противоположное) - это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример - водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного - 3,7 м.
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.
Ветер и погода.
Ветер оказывает существенное влияние 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. 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. 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. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами).
Использование энергии приливов.
Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. В настоящее время крупные приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове и в Приморье, во Франции в эстуарии р.Ранс, в Китае близ Шанхая, а также в других районах земного шара.
ЛИТЕРАТУРА
Шулейкин В.В. Физика моря. М., 1968 Гарвей Дж. Атмосфера и океан. М., 1982 Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М., 1982
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Уровень поверхности воды в морях и океанах нашей планеты периодически меняется, колеблется в некоторых интервалах. Эти периодические колебания и есть морские приливы и отливы .
Чтобы наглядно представить себе картину морских приливов и отливов , вообразите, что вы стоите на отлогом берегу океана, в какой-нибудь бухте, в 200–300 метрах от воды. На песке много разных предметов – старый якорь, немного ближе большая куча белого камня.
Вот совсем уже недалеко лежит повалившийся на бок железный корпус небольшого судёнышка. Низ его корпуса в носовой части сильно пропорот. Очевидно, когда-то это судно, находясь недалеко от берега, налетело на якорь. Эта авария произошла, по всей вероятности, во время отлива, и, по-видимому, судно лежит на этом месте уже не один год, так как почти весь его корпус успел покрыться коричневой ржавчиной. Виновником аварии судна вы склонны считать неосторожного капитана.
Видимо, якорь и был тем острым орудием, на которое налетело повалившееся на бок судно. Вы ищете этот якорь и не можете найти. Куда он мог деться? Тут вы замечаете, что вода уже подбирается к куче белых камней, и тогда догадываетесь, что виденный вами якорь давно уже затоплен приливной волной. Вода «наступает» на берег, она продолжает подниматься всё дальше и дальше вверх. Вот уже и куча белых камней оказалась почти вся скрытой под водой.
Явления морских приливов и отливов люди давно связывали с движением Луны, но эта связь оставалась загадкой до тех пор, пока гениальный математик Исаак Ньютон не объяснил на основании открытого им закона тяготения. Причиной этих явлений служит действие притяжения Луны, оказываемое на водную оболочку Земли.
Ещё знаменитый Галилео Галилей связывал приливы и отливы с вращением Земли и видел в этом одно из наиболее обоснованных и верных доказательств справедливости учения Николая Коперника, (подробнее: ). Парижская академия наук в 1738 году объявила премию тому, кто даст наиболее обоснованное изложение теории приливов.
Премию тогда получили Эйлер, Маклорен, Д. Бернулли и Кавальери . Первые трое брали в основу своих работ закон тяготения Ньютона, а иезуит Кавальери объяснял приливы на основании гипотезы вихрей Декарта. Однако наиболее выдающиеся работы в этой области принадлежат Ньютону и Лапласу , и все последующие исследования основываются на выводах этих великих ученых.
Как наиболее наглядно объяснить явление приливов и отливов . Если для простоты будем считать, что земная поверхность вся сплошь покрыта водной оболочкой, и посмотрим на земной шар с одного из его полюсов, то картину морских приливов и отливов можно будет представить следующим образом.
Та часть поверхности нашей планеты, которая обращена к Луне, находится к ней всего ближе; вследствие этого она подвергается большему воздействию силы лунного притяжения , чем, например, центральная часть нашей планеты и, следовательно, оттягивается по направлению к Луне больше, нежели остальные части Земли. В силу этого на стороне обращенной к Луне, и образуется приливный горб.
Одновременно с этим на противоположной стороне Земли наименее подвергнутой притяжению Луны, возникает такой же приливный горб. Земля поэтому принимает вид фигуры, несколько вытянутой вдоль прямой, соединяющей центры нашей планеты и Луны.
Таким образом, на двух противоположных сторонах Земли, расположенных на одной прямой, которая проходит через центры Земли и Луны, образуются два больших горба, два огромных водяных вздутия .
В это же самое время на двух других сторонах нашей планеты, расположенных под углом в девяносто градусов от указанных выше точек максимального прилива, происходят наибольшие отливы. Здесь вода спадает больше, чем где бы то ни было в другом месте поверхности земного шара. Линия, соединяющая эти точки в момент отлива, несколько сокращается, и тем самым создаётся впечатление увеличения вытянутости Земли в направлении максимальных точек прилива.
Эти точки максимального прилива вследствие лунного притяжения постоянно сохраняют своё положение относительно Луны, но, так как Земля совершает вращение вокруг оси, то за время суток они как бы перемещаются по всей поверхности земного шара. Поэтому в каждой местности на протяжении суток бывает два прилива и два отлива .
Солнце, так же как и Луна, силой своего притяжения производит приливы и отливы. Но оно находится на гораздо большем расстоянии от нашей планеты по сравнению с Луной, и солнечные приливы, возникающие на Земле, почти в два с половиной раза меньше лунных. Поэтому солнечные приливы , отдельно не наблюдаются, а рассматривается только их влияние на величину лунных приливов.
Так, например, наибольшие морские приливы и отливы бывают во время полнолуний и новолуний , так как в это время Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой, и наше дневное светило своим притяжением усиливает притяжение Луны.
Наоборот, когда мы наблюдаем Луну в первой или в последней четверти (фазе), имеют место наименьшие морские приливы и отливы . Это объясняется тем, что в данном случае лунный прилив совпадает с солнечным отливом . Действие лунного притяжения уменьшается на величину притяжения Солнца.
«Приливное трение », существующее в нашей планете, оказывает в свою очередь влияние на лунную орбиту, так как приливная волна, вызываемая лунным притяжением, оказывает обратное действие на Луну, создавая тенденцию к ускорению её движения. Вследствие этого Луна постепенно удаляется от Земли, период её обращения возрастает, и она, по всей вероятности, немного отстаёт в своём движении.
Кроме относительного положения в пространстве Солнца, Земли и Луны, на величину морских приливов в каждой отдельной местности оказывают влияние форма морского дна и характер очертания берегов. Известно также, что в закрытых морях, как, например, в Аральском, Каспийском, Азовском и Черном, приливы и отливы почти не наблюдаются.
С трудом их удаётся обнаружить и в открытых океанах; здесь приливы едва достигают одного метра, уровень воды повышается очень незначительно. Но зато в некоторых бухтах наблюдаются приливы такой колоссальной величины, что вода поднимается на высоту более десяти метров и в некоторых местах затопляет колоссальные пространства .
Приливы и отливы происходят также в воздушной и твердой оболочках Земли . Эти явления в низших слоях атмосферы мы почти не замечаем. Для сравнения укажем, что и на дне океанов приливы и отливы не наблюдаются. Это обстоятельство объясняется тем, что в приливных процессах участвуют главным образом верхние слои водной оболочки. Приливы и отливы в воздушной оболочке можно обнаружить только при весьма длительном наблюдении за изменением атмосферного давления.
Что касается земной коры, то каждая её часть вследствие приливного и отливного действия Луны за время суток два раза поднимается и два раза опускается примерно на несколько дециметров. Иначе говоря, колебания твёрдой оболочки нашей планеты по своей величине приблизительно в три раза меньше колебаний уровня поверхности океанов. Таким образом, наша планета всё время как бы дышит, делая глубокие вдохи и выдохи, а её внешняя оболочка, как грудь великого чудо-богатыря, то немного поднимается, то опускается.
Эти процессы, происходящие в твёрдой оболочке Земли, удаётся обнаружить лишь с помощью приборов, служащих для регистрации землетрясений.
Следует заметить, что приливы и отливы происходят и на других мировых телах и оказывают громадное влияние на их развитие.
Если бы Луна была неподвижна по отношению к Земле, то при отсутствии других факторов, влияющих на запаздывания приливной волны, в любом месте земного шара через каждые 6 часов происходило бы за сутки два прилива и два отлива.
Но так как Луна непрерывно обращается вокруг Земли и притом в ту же сторону, в которую вращается вокруг своей оси и наша планета, то получается некоторое запаздывание: Земля успевает повернуться к Луне каждой своей частью не в течение суток, а приблизительно в 24 часа и 50 минут. Поэтому в каждой местности прилив или отлив продолжается не ровно 6 часов, а около 6 часов и 12,5 минут.
Кроме того, следует отметить, что правильность чередования приливов и отливов нарушается в зависимости от характера расположения материков на нашей планете и непрерывного трения воды о поверхность Земли. Эти неправильности в чередовании иногда достигают нескольких часов.
Таким образом, наиболее «высокая» вода бывает не в момент кульминации Луны, как это следует согласно теории, а на несколько часов позднее прохождения Луны через меридиан; это запаздывание называется прикладным часом порта и достигает иногда 12 часов.
Раньше было распространено мнение, что морские приливы и отливы связаны с морскими течениями. Теперь всем известно, что это – явления разного порядка. Прилив – род волнового движения, подобного тому, которое возникает вследствие ветра.
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.
© Владимир Каланов,
"Знания-сила".
Явление приливов на море было замечено с самых древних времён. Геродот писал о приливах ещё в V веке до нашей эры. Природу приливов люди долгое время не могли понять. Высказывались различные фантастические предположения наподобие того, что Земля дышит. Даже знаменитый учёный (1571-1630), открывший законы движения планет, рассматривал приливы и отливы как результат... дыхания планеты Земля.
Французский математик и философ (1596-1650) первым среди европейских учёных указал на связь приливов с , но не понял, в чём эта связь заключается. Поэтому дал такое далёкое от истины объяснение явлению прилива: Луна, вращаясь вокруг Земли, давит на воду, заставляя её понижаться.
Постепенно учёные разобрались в этой, надо сказать, непростой, проблеме, и было установлено, что приливы – это следствие воздействия гравитационных сил Луны и (в меньшей степени) Солнца на поверхность океана.
В океанологии дано следующее определение: ритмичные поднятия и опускания вод, а также сопровождающие их течения, называются приливами и отливами .
Приливы и отливы происходят не только в океане, но также в атмосфере и земной коре. Поднятие земной коры очень незначительны, поэтому их можно определить только специальными приборами. Другое дело – водная поверхность. Частицы воды движутся, и, получая со стороны Луны ускорение, приближаются к ней несравненно больше, чем земная твердь. Поэтому на стороне, обращённой к Луне, вода поднимается вверх, образуя изгиб, своеобразный водяной бугор на поверхности океана. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, этот водяной бугор перемещается по поверхности океана вслед за .
Теоретически в образовании приливов участвуют даже далёкие звёзды. Но это остаётся чисто теоретическим посылом, так как воздействие звёзд ничтожно, и им можно пренебречь. Точнее даже, им невозможно пренебречь, так как нечем пренебрегать. Воздействие Солнца на поверхность океана из-за большой удалённости светила в 3-4 раза слабее воздействия Луны. Мощные лунные приливы маскируют притяжение Солнца и поэтому солнечных приливов как таковых не наблюдается.
Крайнее положение уровня воды в конце прилива называется полной водой , а в конце отлива – малой водой .
Две фотографии, сделанные с одной точки в моменты малой и полной воды,
дают
представление о приливных колебаниях уровня.
Если начать наблюдение за приливом в момент полной воды, то мы увидим, что через 6 часов наступит самое низкое стояние воды. После этого снова начнётся прилив, который также будет продолжаться 6 часов до достижения наивысшего уровня. Следующий прилив наступит через 24 часа после начала нашего наблюдения.
Но так будет происходить только в случае идеальных, теоретических условий. Реально в течение суток бывает по одной полной и малой воде – и тогда прилив называется суточным. А может успеть произойти в два приливных цикла. В этом случае речь идёт о полусуточном приливе.
Период суточного прилива продолжается не 24 часа, а на 50 минут дольше. Соответственно полусуточный прилив длится 12 часов 25 минут.
В Мировом океане происходят преимущественно полусуточные приливы. Объявляется это вращением Земли вокруг своей оси. Прилив, как огромная пологая волна длина которой составляет многие сотни километров, распространяется по всей поверхности Мирового океана. Период возникновения такой волны колеблется в каждом месте океане от половины суток до суток. По признаку периодичности наступления приливов их и различают как суточные и полусуточные.
За время полного оборота Земли вокруг своей оси Луна перемещается по небосводу примерно на 13 градусов. Чтобы «догнать», Луну, приливной волне как раз и требуется 50 минут. Это значит, что время прихода полной воды в одном и том же месте океана постоянно смещается относительно времени суток. Так, если сегодня полная вода была в полдень, то завтра она будет в 12 часов 50 минут, а послезавтра – в 13 часов 40 минут.
В открытом океане, где приливная волна не встречает сопротивления со стороны материков, островов, неровностей дна и береговой линии, имеют место в основном правильные полусуточные приливы. Приливные волны в открытом океане незаметны, там их высота не превышает одного метра.
В полную силу прилив проявляет себя на открытом побережье океана, где на десятки и сотни миль, не видно ни островов, ни резких изгибов береговой линии.
Когда Солнце и Луна располагаются на одной линии по одну сторону от Земли, сила притяжения обоих светил как бы складывается. Это бывает дважды в течение лунного месяца – в новолуние или полнолуние. Такое положение светил называется сизигием, а прилив, наступающий в эти дни, называется . Сизигийные приливы – это самые высокие и мощные приливы. В отличие от них самые низкие приливы называются .
Нужно отметить, что уровень сизигийных приливов в одном и том же месте не всегда одинаков. Причина всё та же: движение Луны вокруг - Земли и Земли – вокруг Солнца. Не забудем, что орбита Луны вокруг Земли – это не окружность, а эллипс, создающий достаточно ощутимую разницу между перигеем и апогеем Луны – 42 тысячи км. Если во время сизигия Луна будет находиться в перигее, то есть на наименьшем расстоянии от Земли, то это вызовет высокую приливную волну. Ну а если в этот же период Земля, двигаясь по своей эллиптической орбите вокруг Солнца, окажется на наименьшем от него расстоянии (а также совпадения изредка происходят), то приливы и отливы достигнут максимально большой величины.
Вот несколько примеров, показывающих максимальную высоту, которую достигают океанские приливы в отдельных местах земного шара (в метрах):
Название |
Расположение |
Высота прилива (м) |
Мезенский залив Белого моря | ||
Устье реки Колорадо | ||
Пенжинская губа Охотского моря | ||
Устье реки Сеул | Южная Корея | |
Устье реки Фицрой | Австралия | |
Гренвилл | ||
Устье реки Коксоак | ||
Порт Галлегас | Аргентина | |
Залив Фанди |
Вода во время прилива поднимается с разной скоростью. Характер прилива в большой степени зависит от угла наклона морского дна. У крутых берегов вода поднимается сначала медленно – 8-10 миллиметров в минуту. Затем скорость прилива нарастает, становясь наибольшей к положению «вполводы». Потом она замедляется до положения верхней границы прилива. Динамика отлива аналогична динамике прилива. Но совсем по-иному выглядит прилив на широких пляжах. Здесь уровень воды нарастает очень быстро и иногда сопровождается высокой приливной волной, стремительно несущейся по отмели. Зазевавшимся на таких пляжах любителям купания в этих случаях ничего хорошего ожидать не приходится. Морская стихия шутить не умеет.
Во внутренние моря, отгороженные от остального океана узкими и мелкими извилистыми проливами или скоплениями небольших островов, приливы приходят с едва заметными амплитудами. Это мы видим на примере Балтийского моря, надёжно закрытого от приливов мелководными датскими проливами. Теоретически высота прилива в Балтийском море составляет 10 сантиметров. Но эти приливы на глаз незаметны, они скрываются колебаниями уровня воды от ветра или от изменений атмосферного давления.
Известно, что в Петербурге часто бывают наводнения, иногда очень сильные. Вспомним, как ярко и правдиво передал драму сильнейшего наводнения 1824 года в поэме «Медный всадник» великий русский поэт А.С. Пушкин. К счастью, наводнения такой силы в Петербурге никакого отношения к приливам не имеют. Эти наводнения вызываются ветрами циклонов, значительно, на 4–5 метров поднимающими уровень воды в восточной части Финского залива и в Неве.
Ещё меньше воздействуют океанские приливы на внутренние моря Чёрное и Азовское, а также Эгейское и Средиземное. В Азовском море, соединённом с Чёрным морем узким Керченским проливом, амплитуда приливов близка к нулю. В Чёрном море колебания уровня воды под влиянием приливов не достигают и 10 сантиметров.
И наоборот, в заливах и узких бухтах, имеющих свободное сообщение с океаном, приливы достигают значительной величины. Свободно входя в залив, приливные массы устремляются вперёд, и, не находя выхода среди суживающихся берегов, поднимаются вверх и заливают сушу на большой площади.
Во время океанских приливов в устьях некоторых рек наблюдается опасное явление, именуемое бором . Поток морской воды, войдя в русло реки и встретившись с речным потоком, образует мощный пенистый вал, встающий стеной и стремительно движущийся против течения реки. На своём пути бор размывает берега и может разрушить и потопить любое судно, если оно оказалось в фарватере реки.
На величайшей реке Южной Америки Амазонке мощная приливная волна высотой 5-6 метров проходит со скоростью 40–45 км/ч на расстояние до полутора тысяч километров от устья.
Иногда приливные волны останавливают течение рек и даже поворачивают его в обратную сторону.
На территории России небольшой по высоте бор испытывают реки, впадающие в Мезенский залив Белого моря.
С целью использования энергии приливов в некоторых странах, в том числе в России, построены приливные электростанции. Первая приливная электростанция, построенная в Кислогубской губе Белого моря, была мощностью всего 800 киловатт. В дальнейшем ПЭС проектировались уже мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт. Это значит, что приливы начинают работать на пользу человеку.
И последнее, но зато глобально важное о приливах. Течения, вызываемые приливами, встречают сопротивление материков, островов и морского дна. Некоторые учёные считают, что в результате трения водных масс об указанные препятствия вращение Земли вокруг своей оси замедляется. На первый взгляд, это замедление совсем незначительное. Расчёты показали, что за всё время нашей эры, то есть за 2000 лет, сутки на Земле стали длиннее на 0,035 секунды. Но на чём основывался расчёт?
Оказывается, появились доказательства, хотя и косвенные, того, что вращение нашей планеты замедляется. Изучая вымершие кораллы девонского периода, английский учёный Д.Уэллс обнаружил, что количество суточных колец нарастания в 400 раз больше, чем годовых. В астрономии признана теория устойчивости планетных движений, по которой продолжительность года остаётся практически неизменной.
Получается, что в девонском периоде, то есть 380 млн. лет назад, год состоял из 400 суток. Следовательно, сутки тогда имели продолжительность 21 час 42 минуты.
Если Д.Уэллс не ошибся при подсчёте суточных колец древних кораллов, и если остальные расчёты верны, то всё идёт к тому, что не пройдёт и каких-нибудь 12–13 миллиардов лет, как земные сутки станут равными по продолжительности лунному месяцу. И что тогда? Тогда наша Земля будет постоянно обращена одной стороной к Луне, как это в настоящее время происходит с Луной по отношению к Земле. Поднятие воды стабилизируется на одной стороне Земли, приливы перестанут существовать, ну а солнечные приливы слишком слабы, чтобы быть ощутимыми.
Мы предоставляем возможность нашим читателям самостоятельно дать оценку этой достаточно экзотической гипотезе.
© Владимир
Каланов,
"Знания-сила"
Кто не хотел бы совершить прогулку на дно моря? «Это невозможно! - воскликнете вы. - Для этого нужен хотя бы кессон!» Но разве вы не знаете, что два раза в сутки открываются для обозрения большие пространства морского дна? Правда, горе тому, кто вздумает задержаться на этой «выставке» сверх установленного времени! Морское дно открывается при отливе. - это смена высокой и низкой воды.
Это одна из загадок природы. Ее пытались решить многие естествоиспытатели: Кеплер , открывший закон движения планет, Ньютон , установивший основные законы движения, французский ученый Лаплас , изучавший возникновение небесных тел. Все они хотели проникнуть в тайны жизни океанов .
Ветер создает волны на море. Но, чтобы управлять приливом и отливом, ветер слишком слаб. Даже шторм может быть только помощником при приливе. Какие же исполинские силы выполняют такую тяжелую работу?
Три исполина борются за мировой океан: Солнце, Луна и сама Земля . Солнце сильнее всех, но оно слишком далеко от нас, чтобы быть победителем. Движением масс воды на Земле управляет в основном Луна. Находясь на расстоянии 384 000 километров от Земли, она регулирует «пульс» океанов. Подобно огромному магниту, Луна притягивает массы воды на несколько метров вверх, в то время как Земля вращается вокруг своей оси.
Хотя разница между высотой прилива и отлива в среднем не больше 4 метров, работа, которую при этом выполняет Луна, огромна. Она равна 11 триллионам лошадиных сил. Если это число написать одними цифрами, то оно будет иметь 18 нулей и выглядеть так: 11 000 000 000 000 000 000. Такого количества лошадей не собрать, даже если согнать табуны со всех «концов» земного шара.
После Солнца приливы и отливы - самые большие источники энергии . Они могли бы дать электрический ток всему миру. С незапамятных времен человек пытался заставить Луну служить себе. В Китае и других странах приливные воды с давних пор вращают мельничные жернова.
В 1913 году в Северном море у Хузума была пущена в эксплуатацию первая «лунная» энергетическая станция. В Англии, Франции, США и особенно в Аргентине, ощущающей недостаток в горючем, создано много смелых проектов сооружения приливных станций. Однако дальше всех пошли советские инженеры, создавшие проект сооружения плотины длиною в 100 километров и высотою 15 метров в Мезенской губе Белого моря.
При приливе за плотиной образуется водохранилище емкостью в 2 тысячи квадратных километров. Две тысячи турбогенераторов дадут 36 миллиардов киловатт-часов. Такое количество энергии производили в 1929 году Франция, Италия и Швейцария, вместе взятые. Киловатт-час этой энергии будет стоить около одной копейки. К сожалению, «пульс» приливов и отливов моря бьется с неодинаковой силой, как и пульс человека. Приливы не дают постоянного, равномерного притока воды, и это затрудняет осуществление проекта.
Прилив бывает наиболее сильным тогда, когда Солнце и Луна притягивают массы воды в одном направлении. Приливы, при которых уровень воды поднимается до 20 метров , бывают при полной и молодой Луне . Они называются «сизигийными». В первой и последней четверти месяца , когда Луна находится под прямым углом к Солнцу, приливы бывают самыми низкими и называются «квадратурными».
Прилив и отлив моря имеют очень большое значение для мореплавания , и поэтому наступление их вычисляют заранее . Этот расчет так труден, что для составления ежегодного календаря приливов требуется много недель. Но изобретательный ум человека создал вычислительную машину, «электронный мозг» которой составляет прогнозы приливов за два дня. Календарь приливов показывает, что волны приливов проходят по всему земному шару через определенные промежутки времени. От морских берегов они поднимаются в реки.
