October 15th, 2012
Британский фотограф Майкл Мартин (Michael Marten) моздал 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. 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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
Photo by Michael Marten
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.
Луна движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть против часовой стрелки, если смотреть на орбиту Луны со стороны Северного полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равна среднему расстоянию между центрами Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Вследствие эллиптичности орбиты расстояние до Луны колеблется между 356400 и 406800км. Период обращения Луны вокруг Земли, так называемый звездный месяц подвержен небольшим колебаниям от 27,32166 до 29,53 суток, но и очень малому вековому сокращению. Луна светится только светом, отраженным от Солнца, поэтому одна ее половина, обращенная к Солнцу освещена, а другая погружена во мрак. Какая часть освещенной половины Луны видна нам в данный момент, зависит от положения Луны на ее орбите вокруг Земли. По мере движения Луны по орбите ее форма, постепенно, но непрерывно меняется. Различные видимые формы Луны называются ее фазами.
Приливы и отливы знакомы каждому серферу. Дважды в день уровень океанских вод поднимается и снижается, причем кое-где на весьма значительную величину. Каждый день прилив наступает на 50 минут позднее, чем в предыдущий.
Луна удерживается на своей орбите вокруг Земли по той причине, что между двумя этими небесными телами существуют силы тяготения, притягивающие их друг к другу. Земля все время стремится притянуть к себе Луну, а Луна притягивает к себе Землю. Поскольку океаны представляют собой большие массы жидкости и могут течь, они легко деформируются под влиянием сил притяжения Луны, принимая форму лимона. Шар из твердых горных пород, которым является Земля, остается в середине. В результате на той стороне Земли, что обращена к Луне, возникает водяная выпуклость и другая такая же выпуклость — с противоположной стороны.
Поскольку твердая Земля вращается вокруг своей оси, на берегах океана возникают приливы и отливы, это происходит дважды в течение каждых 24 часов 50 минут, когда берега океанов проходят через водяные бугры. Длина периода больше 24 часов из-за того, что и сама Луна тоже движется по своей орбите.
Из-за океанских приливов и отливов между поверхностью Земли и водами океанов возникает сила трения, замедляющая скорость вращения Земли вокруг своей оси. Наши сутки постепенно становятся все длиннее и длиннее, каждое столетие продолжительность суток увеличивается примерно на две тысячных секунды. Свидетельством этого могут служить некоторые виды кораллов, которые растут таким образом, что каждый день оставляет в теле коралла четкий рубец. Прирост меняется в течение года, так что каждому году соответствует своя полоска, вроде годового кольца на срезе дерева. Изучая ископаемые кораллы, возраст которых насчитывает 400 млн. лет, океанологи обнаружили, что в то время год состоял из 400 суток продолжительностью 22 часа. Окаменевшие остатки еще более древних форм жизни свидетельствуют о том, что около 2 млрд. лет назад сутки длились всего 10 часов. В отдаленном будущем продолжительность суток будет равна нашему месяцу. Луна будет все время стоять на одном и том же месте, поскольку скорость вращения Земли вокруг оси будет в точности совпадать со скоростью движения Луны по орбите. Уже и теперь благодаря приливным силам между Землей и Луной Луна постоянно обращена к Земле одной и той же стороной, если не считать небольших колебаний. Кроме того, скорость движения Луны по своей орбите постоянно возрастает. В результате Луна постепенно удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год.
Земля отбрасывает в пространстве длинную тень, загораживая свет Солнца. Когда Луна попадает в тень Земли, происходит лунное затмение. Если во время лунного затмения находиться на Луне, то можно было бы увидеть, что Земля проходит перед Солнцем, закрывая его. Нередко при этом Луна остается слабо видимой, светясь тусклым красноватым светом. Хотя она и находится в тени, Луна освещается небольшим количеством красного солнечного света, который преломляется земной атмосферой в направлении Луны. Полное лунное затмение может продолжаться до 1 часа 44 минут. В отличие от солнечных, лунные затмения можно наблюдать с любого места на Земле, где Луна находится над горизонтом. Хотя Луна проходит по всей своей орбите вокруг Земли раз в месяц, затмения не могут происходить ежемесячно из-за того, что плоскость орбиты Луны наклонена относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Самое большее, за год может произойти семь затмений, из которых два или три, должны быть лунными. Солнечные затмения происходят только в новолуние, когда Луна находится в точности между Землей и Солнцем. Лунные же затмения всегда бывают в полнолуние, когда Земля находится между Луной и Солнцем.
Прежде чем ученые увидели лунные камни, у них имелись три теории происхождения Луны, но не было возможности доказать правильность какой-либо из них. Одни считали, что новообразованная Земля вращалась настолько быстро, что сбросила с себя часть вещества, ставшего затем Луной. Другие предполагали, что Луна прилетела из глубин космоса и была захвачена силой земного тяготения. Третья теория состояла в том, что Земля и Луна образовались независимо, почти одновременно и примерно на одинаковом расстоянии от Солнца. Различия в химическом составе Земли и Луны указывают на то, что эти небесные тела вряд ли когда-либо составляли одно целое.
Не так давно возникла четвертая теория, которая и принята сейчас как наиболее правдоподобная. Эта гипотеза гигантского столкновения. Основная идея состоит в том, что, когда планеты, которые мы видим теперь, только еще формировались, некое небесное тело величиной с Марс с огромной силой врезалось в молодую Землю под скользящим углом. При этом более легкие вещества наружных слоев Земли должны были бы оторваться от нее и разлететься в пространстве, образовав вокруг Земли кольцо из обломков, в то время как ядро Земли, состоящее из железа, сохранилось бы в целости. В конце концов, это кольцо из обломков слиплось, образовав Луну.
Изучая радиоактивные вещества, содержащиеся в лунных породах, ученые сумели вычислить возраст Луны. Камни на Луне стали твердыми около 4,4 млрд. лет назад. Луна сформировалась, по-видимому, незадолго до этого; ее наиболее вероятный возраст — около 4,65 млрд. лет. Это согласуется с возрастом метеоритов, а также с оценками возраста Солнца.
Наиболее древние камни на Луне находятся в горных районах. Возраст пород, взятых из морей застывшей лавы, значительно меньше. Когда Луна была совсем молодой, ее наружный слой был жидким из-за очень высокой температуры. По мере того как Луна остывала, формировался ее наружный покров, или кора, части которой находятся теперь в горных районах. В последующие полмиллиарда лет лунная кора подвергалась беспрерывной бомбардировке астероидами, то есть маленькими планетами, и гигантскими камнями, возникшими при формировании Солнечной системы. После самых сильных ударов на поверхности оставались громадные вмятины
В промежутках между 4,2 и 3,1 млрд. лет тому назад лава вытекала через отверстия в коре, затопляя круговые бассейны, оставшиеся на поверхности после ударов колоссальной силы. Лава, затопляя обширные плоские территории, создавала лунные моря, в наше время представляющие собой затвердевшие океаны породы.
Фазы Луны это другое и не совсем так это всё связано. Приливы и отливы явление суточной периодичности. Фазы Луны -- явление с периодичностью в лунный месяц -- 29.5 суток.
Фазы Луны, это то, как отбрасывает тень Земля освещаемая Солнцем на Луну. Луна вращается вокруг Земли, взаиморасположение Луны, Земли и Солнца меняется, меняется и тень на Луне от Земли.
Представьте себе два шара. Они соединены штангой. Большой шар вращается вокруг своей оси. И тот малый шар, что на другом конце штанги вращается вокруг большого шара. Штанга -- это образ силы притяжения между Землей и Луной. В месте где закреплена штанга и получаются приливные возмущения.
Если бы Земля НЕ вращалась вокруг своей оси, то горб прилива шел бы по поверхности Земли за Луной, которая обращается вокруг Земли с периодом ~27дней (почему не 29.5 -- отдельный вопрос -- гуглить разницу между сидерическим и синодическим месяцем).
Но у нас есть ещё и вращение Земли вокруг своей оси.
То есть возвращаясь к образу соединительной штанги. В случае Земли и Луны штанга жестко закреплена на Луне, то есть Луна обращена к Земле одной стороной (только чуть "колышется"), а вот на Земле штанга не закреплена, а движется по поверхности. Земля вращается вокруг своей оси с периодом 24 часа.
Т.е. приливной горб бежит уже не с периодом ~27 дней, а с периодом 24 часа.
Но надо уточнить. На самом деле приливы и отливы только для простоты объясняют одной лишь Луной, а на самом деле:
Также одной из причин возникновения приливов и отливов является суточное (собственное) вращение Земли. Массы воды мирового океана, имеющие форму эллипсоида, большая ось которого не совпадает с осью вращения Земли, участвуют в её вращении вокруг этой оси. Это ведёт к тому, что в системе отсчёта, связанной с земной поверхностью, по океану бегут по взаимно противоположным сторонам земного шара две волны, приводящие в каждой точке океанского побережья к периодическим, два раза в сутки повторяющимся явлениям отлива, чередующихся с приливами.
Самое интересное, обратите внимание (последнее предложение), в одном полушарии прилив и противоположно тоже прилив. Т.е. водная оболочка как элипсоид, а не как груша.
Со временем у нас образовался дубль вопрос и в нем можно почитать дополнительно о том, как получается элипсоид вместо груши. Смотрите комментарии к ответу.
Важно еще сказать про влияние солнца на приливы на примере сизигийных и квадратурных приливов. Иногда солнце, луна и земля выстраиваются в одну линию (земля<--луна<--солнце) и силы притяжения солнца и луны - складываются, соответственно самые сильные приливы - сизигийные. Они происходят во время новолуния и полнолуния. Квадратурные приливы - самые слабые,когда силы тяготения луны и солнца находятся под прямым углом и частично нейтрализуют друг друга. Они происходят, когда луна находится в фазе первой четверти и последней четверти. Также можно почитать о приливах здесь astro-site.narod.ru/zemlimsiz.html
Ответить
Прокомментировать
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.