Світовий океан живе за своїми правилами, які гармонійно поєднуються із законами світобудови. Вже давно люди помітили, що активно пересуваються, але не могли зрозуміти, з чим пов'язані ці коливання рівня моря. Давайте з'ясуємо, що таке приплив, відплив?
Припливи та відливи: загадки океану
Моряки добре знали, що припливи та відливи - явище щоденне. Але природу цих змін зрозуміти не могли ні прості жителі, ні вчені уми. Ще в п'ятому столітті до нашої ери філософи намагалися описати та охарактеризувати, як рухається Світовий океан. уявлялися чимось фантастичним та незвичайним. Навіть авторитетні вчені вважали приплив диханням планети. Ця версія існувала протягом кількох тисячоліть. Тільки наприкінці сімнадцятого століття значення слова "приплив" пов'язали з рухом Місяця. Але пояснити цей процес з наукової точкизору так і не вдалося. Через сотні років вчені розібралися із цією загадкою і дали точне визначення щоденній зміні рівня води. Наука, що з'явилася в двадцятому столітті, океанологія встановила, що приплив - це підняття і опускання рівня вод Світового океану у зв'язку з гравітаційним впливом Місяця.
Чи скрізь припливи однакові?
Вплив Місяця на земну кору неоднаковий, тому не можна сказати, що у всьому світі припливи ідентичні. У деяких куточках планети щоденні перепади рівня моря сягають шістнадцяти метрів. А жителі узбережжя Чорного моря практично взагалі не помічають припливів і відливів, оскільки вони є незначними у світі.
Зазвичай зміна відбувається двічі на добу – вранці та ввечері. Але ось у Південно-Китайському морі приплив - це рух водних мас, який відбувається лише один раз за двадцять чотири години. Найбільше перепади рівня моря помітні у протоках чи інших вузьких місцях. Якщо спостерігати, то неозброєним поглядом буде помітно, наскільки швидко йде вода. Іноді за кілька хвилин вона здіймається на п'ять метрів.
Як ми вже з'ясували, зміна рівня моря викликана впливом на земну кору її постійного супутника Місяця. Але як відбувається цей процес? Щоб зрозуміти, що таке приплив, необхідно у подробицях представляти взаємодію всіх планет у Сонячній системі.
Місяць та Земля перебувають у постійній залежності один від одного. Земля притягує свій супутник, а той, своєю чергою, прагне притягнути нашу планету. Це нескінченне суперництво дозволяє зберігати між двома космічними тілами потрібну відстань. Місяць і Земля рухаються своїми орбітами, то віддаляючись, то наближаючись один до одного.
У той момент, коли Місяць підходить до нашої планети ближче, земна коравигинається їй назустріч. Це викликає хвилювання води на поверхні земної кори, вона ніби прагне піднятися вище. Віддалення земного супутникаспричиняє спад рівня Світового океану.
Інтервал припливів та відливів на Землі
Так як приплив - це регулярне явище, то в нього має бути певний інтервал руху. Океанологи зуміли визначити точний час місячної доби. Цим терміном прийнято називати оберт Місяця навколо нашої планети, він трохи довший звичних для нас двадцяти чотирьох годин. Щодня припливи та відливи зрушуються на п'ятдесят хвилин. Цей часовий проміжок необхідний хвилі, щоб "наздогнати" Місяць, що переміщається за земну добу на тринадцять градусів.
Вплив океанських припливів на річки
Що таке приплив, ми вже з'ясували, але мало хто знає про вплив цих океанських вагань на нашу планету. Дивно, але навіть річки схильні до впливу океанських припливів, і часом результат цього втручання буває неймовірно страшним.
Під час рясних припливів хвиля, що зайшла в гирло річки, зустрічається з потоком прісної води. Внаслідок змішування водних мас різної щільності утворюється потужний вал, який із величезною швидкістю починає просуватися проти течії річки. Цей потік називають бором, і він здатний зруйнувати своєму шляху практично все живе. Подібне явище за кілька хвилин змиває прибережні поселення та розмиває берегову лінію. Бор зупиняється так само раптово, як і почався.
Вчені фіксували випадки, коли сильний бір повертав річки назад або повністю зупиняв їх. Неважко уявити, наскільки катастрофічні всім жителів річки стали ці феноменальні випадки дії припливів.
Як припливи впливають морських жителів?
Не дивно, що припливи впливають на всі організми, які живуть у глибинах океану. Найважче доводиться дрібним тваринам, що мешкають у прибережних зонах. Вони змушені постійно пристосовуватись до зміни рівня води. Для багатьох з них припливи - це спосіб поміняти місце проживання. Під час припливів дрібні рачки перебираються ближче до берега і знаходять собі корм, відливна хвиля тягне їх глибше в океан.
Океанологи довели, що багато морських жителів тісно пов'язані з приливними хвилями. Наприклад, деякі види китів під час відливів уповільнюють обмін речовин. В інших глибоководних жителів репродуктивна активність залежить від висоти хвилі та її амплітуди.
Більшість вчених вважає, що зникнення таких явищ, як коливання рівня Світового океану призведе до вимирання багатьох живих істот. Адже в цьому випадку вони втратять джерело харчування і не зможуть підлаштовувати свій біологічний годинник під певний ритм.
Швидкість обертання Землі: чи великий вплив припливів?
Вже довгі десятиліття вчені вивчають усе, що з терміном " приплив " . Це той процес, який щороку приносить все більше загадок. Чимало фахівців пов'язують швидкість обертання Землі з дією приливних хвиль. Відповідно до цієї теорії, під впливом припливів формуються на своєму шляху вони постійно долають опори земної кори. У результаті майже непомітно для людини швидкість обертання планети сповільнюється.
Вивчаючи морські корали, океанологи з'ясували, що кілька мільярдів років тому земна доба складала двадцять дві години. Надалі обертання Землі сповільнюватиметься ще сильніше, і в якийсь момент просто зрівняється з амплітудою місячної доби. У цьому випадку, як прогнозують вчені, припливи та відливи просто зникнуть.
Життєдіяльність людини та амплітуда коливань Світового океану
Не дивно, що дії припливів піддається і людина. Адже він на 80% складається із рідини і не може не відгукуватися на вплив Місяця. Але людина не була б вінцем творіння природи, якби не навчився використовувати з вигодою для себе практично все природні явища.
Енергія приливної хвилі неймовірно велика, тому вже багато років створюються різні проекти будівництва електростанцій в районах з великою амплітудою руху водних мас. У Росії таких електростанцій уже є кілька. Перша була побудована в Білому морі та була експериментальним варіантом. Потужність цієї станції не перевищувала восьмисот кіловат. Зараз ця цифра видається смішною, і нові електростанції, що використовують приливну хвилю, виробляють енергію, що живить багато міст.
Вчені бачать саме в цих проектах майбутнє російської енергетики, адже дозволяють дбайливіше ставитися до природи та співпрацювати з нею.
Припливи і відливи - це природні явища, які нещодавно були зовсім не вивченими. Кожне нове відкриття океанологів призводить до ще більших питань у цій галузі. Але можливо, колись учені зуміють розгадати всі таємниці, які щодня підносить людству океанський приплив.
Що таке відлив та приплив
На багатьох морських узбережжях можна спостерігати, як рівень води з певною періодичністю поступово опускається і залишається лише в'язкий грунт. Цей процес називається відливом. Однак за кілька годин рівень води знову піднімається і ґрунт на березі знову покривається водою. Цей процес називається припливом. Рівень води змінюється регулярно двічі на день.
Коли припливи змінюються відливами
Відплив і приплив регулярно змінюють один одного: за відливом слідує приплив, за ним — наступний відлив. Найвищий рівень води в морі чи океані під час припливу називають повною водою, а мінімальний під час відливу – відповідно малою водою. Цикл "повна вода - відлив - мала вода - приплив - повна вода" складає 12 годин 25 хвилин. А це означає, що припливи та відливи можна спостерігати двічі на день.
Як відбуваються припливи та відливи
Сила тяжіння Місяця зумовлює освіту в морі першого приливного гребеня на зверненому до нього боці Землі. У силу законів фізики, пов'язаних з обертанням Землі та виникненням відцентрової сили, на протилежному боці Землі формується другий приливний гребінь, ще потужніший, ніж перший. Тому і тут рівень води підвищується.
Між двома цими гребенями він опускається і відбувається відлив! І Сонце силою свого тяжіння впливає Землю, і навіть на припливи і відливи. Але сила впливу Сонця набагато менша, ніж Місяця, хоча маса Сонця в 30 мільйонів разів перевищує масу Місяця. Причина цього в тому, що Сонце від Землі в 390 разів далі, ніж Місяць від Землі.
Перша приливна гідроелектростанція
Завдяки припливам та відливам, тобто підняттю та падінню рівня моря, виробляється багато енергії. Її можна використовуватиме виробництва електрики. Першу і найбільшу нині приливну гідроелектростанцію у світі було побудовано в естуарії (вузькій затоці гирла) річки Ране (Сен-Мало, Франція) і в 1966 році введено в експлуатацію. Там різниця між відливом та припливом дуже велика (амплітуда 8,5 метра).
Які ще фактори впливають на припливи та відливи
Крім сил тяжіння, космічних тіл, Місяця та Сонця, на припливи та відливи впливають інші фактори: обертання Землі уповільнює припливи, береги не дають воді підніматися. Крім того, на припливи та відливи впливають сильні шторми, при яких з узбережжя важко відтік. морської води. Тому її рівень у таких місцях значно вищий, ніж за звичайного припливу. На припливи та відливи також впливає сила вітру: якщо він дме з берега, рівень води падає значно нижче за норму.
Чи завжди видно припливи та відливи
Кажуть, що у деяких морях, наприклад у Середземному чи Балтійському, припливів та відливів немає. Звичайно, це не так, тому що вони бувають у всіх морях. Однак у Середземному та Балтійському морях різниця між повною та малою водою (амплітуда припливу та відливу) настільки незначна, що практично непомітна. У Північному морі, навпаки, дуже чітко різняться припливи і відливи.
Приливні хвилі з'являються в океанах і переходять в окраїнні моря. Якщо окраїнне море з'єднане з океаном лише вузькою протокою, як, наприклад, Середземне море, приливні хвилі або не досягають його, або дуже слабшають. Північне море повідомляється з Атлантичним океаном широкою протокою, тому приливні хвилі легко досягають узбережжя і приплив у цьому місці чудово видно.
Що таке сизігійний приплив
Особливо сильні припливи і відливи можна спостерігати протягом 14 днів, коли Місяць і Сонце під час повного місяця та молодика (сизігій) знаходяться на одній лінії із Землею. У цей час припливоутворюючі сили обох небесних тіл, що діють в одному напрямку, підсумовуються і посилюють приплив. Починається так званий сизігійний приплив, коли повна вода піднімається найвище. Відповідно, при відпливі вода опускається на мінімальний рівень.
Що таке амплітуда припливу та відливу
Різниця між повною та малою водою під час припливу та відливу називається амплітудою. При цьому свою роль відіграють сили тяжіння Сонця та Місяця: коли вони посилюють одна одну, амплітуда збільшується (сизігійний приплив), а коли сили тяжіння слабшають – амплітуда, навпаки, зменшується (квадратурний приплив). У відкритому морі амплітуда припливу не перевищує 50 сантиметрів. На берегах вона, навпаки, набагато більше.
Так, на узбережжі Північного моря Німеччини вона, наприклад, становить 2-3 метри, на англійському узбережжі Північного моря – до 8 метрів, а в бухті Сен-Мало (Франція) у протоці Ла-Манш – сягає 11 метрів. Це можна пояснити тим, що в дрібних водах приливні хвилі, як і решта, втрачають швидкість і уповільнюють свій хід, внаслідок чого рівень води піднімається.
Що таке квадратурний приплив
Протягом семи днів після повні і молодика Сонце, Земля і Місяць вже не знаходяться на одній прямій. Коли припливоутворюючі сили Місяця і Сонця взаємодіють під прямим кутом один до одного, починається квадратурний приплив: повна вода піднімається незначно, а рівень малої води практично не падає.
Що таке приливні течії
Припливи не тільки є причиною підняття та падіння рівня води. Коли море піднімається і опускається, вода рухається вперед і назад. У відкритому морі це навряд чи помітно, але в протоках та бухтах, де рух води обмежений, можна спостерігати приливні та відливні течії. У першому випадку (приливна течія) вона спрямована до берега, у другому (відливна течія) — у протилежний бік. Зміну припливних течій фахівці зазвичай називають поворотом. У момент повороту вода перебуває у спокійному стані, і це явище називається «мертвою точкою» припливу.
Де спостерігаються найбільші амплітуди припливів та відливів
У бухті Фанді на східному узбережжі Канади можна спостерігати найбільші амплітуди припливів та відливів на нашій планеті. Це означає, що різниця між повною та малою водою під час припливу та відливу тут є максимальною. При сизигійному припливі вона сягає 21 метра. Раніше рибалки встановлювали сітки при повній воді, а збирали рибу з них під час малої води. незвичайний спосібриболовлі!
Як виникає штормовий приплив
Штормовим називають приплив, коли вода накочується на береги особливо високо. Він виникає внаслідок сильних вітрів, які дмуть у напрямку до суші та приходять разом із сизігійним припливом. Нагадаємо: під час нього повна вода піднімається особливо високо, а мала вода опускається особливо низько. Це відбувається в періоди повного місяця і молодика.
Сила вітрів та їх тривалість призводять до виникнення штормового припливу, коли вода піднімається на понад метр над середньою точкою припливу. Розрізняють сильний штормовий приплив, при якому вода піднімається на 2,5 метри, і надсильний - коли вода піднімається на понад 3 метри.
Якої швидкості можуть досягати припливні течії
У глибині океанів припливні течії досягають швидкості близько кілометра на годину. У вузьких протоках вона може становити від 15 до 20 кілометрів на годину.
Щоб вичерпати основні питання, пов'язані з існуванням у Землі її супутника – Місяця, нам необхідно сказати кілька слів щодо явища припливів. Це необхідно також і для отримання відповіді на останнє запитання, яке порушується в цій книзі: звідки взялася Місяць і яке її майбутнє? Що таке приплив?
Під час припливів на берегах відкритих морів та океанів відбувається настання води на береги. Низькі береги буквально захльостуються величезними масами води. Величезні простори покриваються водою. Море ніби виступає із берегів і насідає на сушу. Морська вода явно піднімається.
Під час припливів (64) океанські судна, що глибоко сидять у воді, мають можливість вільно входити в відносно мілководні гавані і в гирла річок, що впадають в океани.
Приливна хвиля буває в деяких місцях дуже висока, досягаючи десятка та більше метрів.
Проходить приблизно шість годин з початку підйому води, і приплив змінюється відливом (65), вода починає поступово
спадати, море біля берегів меліє, і значні простори прибережної смуги звільняються від води. Нещодавно ще в цих місцях плавали пароплави, а тепер жителі блукають мокрим піском та гравієм і збирають раковини, водорості та інші «дари» моря.
Чим же пояснюються ці постійні припливи та відливи? Вони відбуваються внаслідок тяжіння, яке Місяць чинить на Землю.
Не тільки Земля притягує до себе Місяць, а й Місяць притягує Землю. Притягнення Землі позначається на русі Місяця, змушуючи Місяць рухатися криволінійним шляхом. Але разом із цим тяжіння Землі дещо змінює форму Місяця. Звернені до Землі її частини притягуються Землею сильніше за інші частини. Таким чином Місяць повинен мати дещо витягнуту до Землі форму.
Притягання Місяця позначається і формі Землі. Осторонь, зверненої в даний момент до Місяця, відбувається деяке спучування, витягування земної поверхні (66).
Частинки води, як рухливіші і мають малим зчепленням, більше піддаються цьому тяжіння Місяця, ніж частинки твердої суші. У зв'язку з цим і створюється дуже помітне піднесення води в океанах.
Якби Земля, як і Місяць, була звернена до Місяця завжди однією і тією ж стороною, форма її була б трохи витягнута в напрямку до Місяця і ніяких припливів і відливів, що чергуються, не існувало б. Але Земля повертається різними сторонами до всіх небесних світил, у тому числі і до Місяця (добове обертання). У зв'язку з цим по Землі як би біжить приливна хвиля, біжить слідом за Місяцем, що піднімає вище воду океанів в частинах земної поверхні, звернених до неї в даний момент. Припливи повинні чергуватись з відливами.
За добу Земля зробить один поворот довкола своєї осі. Отже, рівно через добу до Місяця повинні бути звернені ті самі частини земної поверхні. Але ми знаємо, що Місяць за добу встигає пройти деяку частину свого шляху навколо Землі, рухаючись у тому напрямку, в якому обертається і Земля. Тому подовжується період, після якого до Місяця будуть звернені одні й самі частини Землі. Внаслідок цього цикл припливів і відливів відбувається над добу, а 24 години 51 хвилину. За цей проміжок часу чергуються на Землі два припливи і два відливи.
Але чому два, а чи не один? Пояснення цьому ми знаходимо, згадуючи ще раз закон всесвітнього тяжіння. Відповідно до цього закону, сила тяжіння зменшується зі збільшенням відстані, до того ж назад пропорційно його квадрату: удвічі збільшується відстань - вчетверо зменшується тяжіння.
Осторонь Землі, прямо протилежної тій, яка звернена до Місяця, відбувається таке. Частинки, близькі до поверхні Землі, притягуються Місяцем трохи більше, ніж внутрішні частини Землі. Вони менш прагнуть Місяцю, ніж близькі до нього частки. Тому поверхня морів тут як би відстає кілька від твердих внутрішніх частин земної кулі і тут також виходить підйомом води, водяний горб, приливний висот, приблизно такий же, як і на протилежній стороні. Тут також приливна хвиля набігає на низькі береги. Отже, біля берегів океанів буде приплив і тоді, коли ці береги звернені до Місяця, і тоді, коли Місяць знаходиться у протилежному боці. Таким чином, на Землі має бути обов'язково два припливи і два відливи за період повного обороту Землі навколо осі.
Звичайно, на величину припливу впливає також і тяжіння Сонця. Але хоча Сонце і колосальне за розмірами, воно, однак, і знаходиться набагато далі від Землі, ніж Місяць. Його припливоутворюючий вплив менше впливу Місяця вдвічі (становить лише 5/11 або 0.45 припливного впливу Місяця).
Величина кожного припливу залежить і від висоти, на якій знаходиться зараз Місяць. При цьому абсолютно байдуже, яку фазу має в цей час Місяць і чи видно на небі. Місяць може бути в цей момент зовсім не видно, тобто перебувати в тій же стороні, де і Сонце, і навпаки. Тільки в першому випадку приплив загалом буде сильнішим, ніж зазвичай, тому що до тяжіння Місяця додається ще й тяжіння Сонця.
Обчислення показує, що приливоутворююча сила Місяця становить лише одну дев'ятимільйонну частину сили тяжіння на Землі, тобто тієї сили, з якою Земля сама притягує до себе. Звичайно, це притягує дію Місяця мізерно. Незначний і підйом води на кілька метрів у порівнянні з екваторіальним діаметром земної кулі, рівним 12 756 776 м. Але приливна хвиля, навіть і така мала, дуже, як ми знаємо, відчутна для мешканців Землі, що знаходяться біля берегів океанів.
Британський фотограф Майкл Мартін (Michael Marten) здобув серію оригінальних знімків, що фіксують узбережжя Бритаїї в однакових ракурсах, але в різний час. Один знімок під час припливу, а другий під час відливу.
Вийшло дуже незвично, а позитивні відгуки про проект буквально змусили автора зайнятися випуском книги. Книга, що отримала назву «Sea Change», побачила світ у серпні цього року і була випущена двома мовами. На створення своєї великої серії знімків, у Майкла Мартіна (Michael Marten) пішло близько восьми років. Час між великою та малою водою становить у середньому трохи більше шести годин. Тому Майклу доводиться у кожному місці затримуватися довше, ніж просто час кількох клацань затвора. Ідея створення серії таких робіт виношувалась автором давно. Він шукав, як реалізувати на плівці зміни природи без впливу людини. І знайшов випадково, в одному з приморських шотландських селищ, де провів увесь день і застав час припливу та відливу.
Періодичні коливання рівня води (підйоми та спади) в акваторіях на Землі називаються припливи та відливи.
Найвищий рівень води, що спостерігається за добу або половину доби під час припливу, називається повною водою, найнижчий рівень під час відливу – малою водою, а момент досягнення цих граничних позначок рівня – стоянням (або стадією) відповідно до припливу або відливу. Середній рівеньморя - умовна величина, вище за яку розташовані позначки рівня під час припливів, а нижче - під час відливів. Це результат середніх великих рядів термінових спостережень.
Вертикальні коливання рівня води під час припливів та відливів пов'язані з горизонтальними переміщеннями водних мас щодо берега. Ці процеси ускладнюються вітровим нагоном, річковим стоком та іншими факторами. Горизонтальні переміщення водних мас у береговій зоні називають припливними (або припливно-відливними) течіями, тоді як вертикальні коливання рівня води – припливами та відливами. Усі явища, пов'язані з припливами та відливами, характеризуються періодичністю. Припливні течії періодично змінюють напрямок на протилежний, на відміну від них океанічні течії, що рухаються безперервно та односпрямовано, обумовлені загальною циркуляцією атмосфери та охоплюють великі простори відкритого океану.
Припливи і відливи циклічно чергуються відповідно до астрономічної, гідрологічної і метеорологічної обстановки, що змінюється. Послідовність фаз припливів та відливів визначається двома максимумами та двома мінімумами в добовому ході.
Хоча Сонце грає істотну рольу припливно-відливних процесах, вирішальним чинником їхнього розвитку служить сила гравітаційного тяжіння Місяця. Ступінь впливу припливоутворюючих сил на кожну частинку води, незалежно від її розташування на земній поверхні, визначається законом всесвітнього тяжіння Ньютона.
Цей закон свідчить, що дві матеріальні частинки притягуються одна до одної з силою, прямо пропорційною добутку мас обох частинок і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. При цьому мається на увазі, що чим більше маса тіл, тим більше сила взаємного тяжіння, що виникає між ними (при однаковій щільності менше тіло створить менше тяжіння, чим більше).
Закон також означає, що чим більша відстань між двома тілами, тим менше між ними тяжіння. Оскільки ця сила обернено пропорційна квадрату відстані між двома тілами, у визначенні величини припливоутворюючої сили фактор відстані відіграє значно більшу роль, ніж маси тіл.
Гравітаційне тяжіння Землі, що діє на Місяць і утримує її на навколоземній орбіті, протилежне силі тяжіння Землі Місяцем, яка прагне змістити Землю у напрямку до Місяця і «піднімає» всі об'єкти, що знаходяться на Землі, у напрямку Місяця.
Точка земної поверхні, розташована безпосередньо під Місяцем, віддалена лише на 6400 км від центру Землі та в середньому на 386 063 км від центру Місяця. Крім того, маса Землі в 81,3 рази більша за масу Місяця. Таким чином, у цій точці земної поверхні тяжіння Землі, що діє на будь-який об'єкт, приблизно в 300 тис. разів більше за тяжіння Місяця.
Поширене уявлення, що вода на Землі, що знаходиться прямо під Місяцем, піднімається в напрямку Місяця, що призводить до відтоку води з інших місць земної поверхні, проте, оскільки тяжіння Місяця настільки мало порівняно з тяжінням Землі, його було б недостатньо, щоб підняти так величезну вагу.
Проте океани, моря і великі озера Землі, будучи великими рідкими тілами, вільні переміщатися під впливом сили бічного зміщення, і будь-яка слабка тенденція до зсуву по горизонталі наводить їх у рух. Всі води, що не знаходяться безпосередньо під Місяцем, підпорядковуються дії складової сили тяжіння Місяця, спрямованої тангенційно (щодо) до земної поверхні, як і її складової, спрямованої зовні, і піддаються горизонтальному зсуву щодо твердої земної кори.
В результаті виникає течія води з прилеглих районів земної поверхні у напрямку до місця, що знаходиться під Місяцем. Результуюче скупчення води в точці під Місяцем утворює приплив. Власне, приливна хвиля у відкритому океані має висоту лише 30-60 см, але вона значно збільшується при підході до берегів материків або островів.
За рахунок переміщення води із сусідніх районів у бік точки під Місяцем відбуваються відповідні відливи води у двох інших точках, віддалених від неї на відстань, що дорівнює чверті кола Землі. Цікаво відзначити, що зниження рівня океану у цих двох точках супроводжується підвищенням рівня моря не лише на боці Землі, зверненої до Місяця, а й на протилежному боці.
Цей факт також пояснюється законом Ньютона. Два або кілька об'єктів, розташовані на різних відстанях від одного і того ж джерела тяжіння і піддаються, отже, прискорення сили тяжіння різної величини, переміщаються відносно один одного, оскільки найближчий до центру тяжіння об'єкт найсильніше притягається до нього.
Вода в підмісячній точці відчуває сильніше тяжіння до Місяця, ніж Земля під нею, але Земля, своєю чергою, сильніше притягується до Місяця, ніж вода, протилежному боці планети. Таким чином, виникає приливна хвиля, яка на зверненій до Місяця стороні Землі називається прямою, а на протилежній – зворотною. Перша з них лише на 5% вища за другу.
Завдяки обертанню Місяця орбітою навколо Землі між двома послідовними припливами або двома відливами в цьому місці проходить приблизно 12 год 25 хв. Інтервал між кульмінаціями послідовних припливу та відливу бл. 6 год 12 хв. Період тривалістю 24 год 50 хв між двома послідовними припливами називається приливною (або місячною) добою.
Нерівності величин припливу. Припливно-відливні процеси дуже складні, тому, щоб розібратися в них, необхідно брати до уваги багато факторів. У будь-якому випадку головні особливості будуть визначатися:
1) стадією розвитку припливу щодо проходження Місяця;
2) амплітудою припливу та
3) типом приливних коливань, чи формою кривої ходу рівня води.
Численні варіації у бік і величині приливообразующих сил породжують різницю у величинах ранкових і вечірніх припливів у цьому порту, і навіть між одними й тими самими припливами у різних портах. Ці відмінності називаються нерівностями величин припливу.
Напівдобовий ефект. Зазвичай протягом доби завдяки основній припливотворчій силі - обертанню Землі навколо своєї осі - утворюються два повні припливні цикли.
Якщо дивитися з боку Північного полюсаекліптики, очевидно, що Місяць обертається навколо Землі у тому напрямі, у якому Земля обертається навколо своєї осі, - проти годинникової стрілки. При кожному наступному обороті дана точказемної поверхні знову займає позицію безпосередньо під Місяцем дещо пізніше, ніж за попереднього обороту. Тому і припливи і відливи щодня запізнюються приблизно на 50 хв. Ця величина називається місячним запізненням.
Півмісячна нерівність. Цьому основному типу варіацій властива періодичність приблизно 143/4 діб, що пов'язані з обертанням Місяця навколо Землі і проходженням нею послідовних фаз, зокрема сизигий (новолуний і повного місяця), тобто. моментів, коли Сонце, Земля та Місяць розташовуються на одній прямій.
Досі ми торкалися лише припливоутворювальної дії Місяця. Гравітаційне поле Сонця також діє на припливи, однак, хоча маса Сонця набагато більша за масу Місяця, відстань від Землі до Сонця настільки перевершує відстань до Місяця, що припливотворна сила Сонця становить менше половини припливотворної сили Місяця.
Однак, коли Сонце і Місяць знаходяться на одній прямій як по один бік від Землі, так і по різні (у молодик або повний місяць), сили їх тяжіння складаються, діючи вздовж однієї осі, і відбувається накладання сонячного припливу на місячний.
Так само тяжіння Сонця посилює відплив, викликаний впливом Місяця. В результаті припливи стають вищими, а відливи нижчими, ніж якби вони були викликані лише тяжінням Місяця. Такі припливи називаються сизігійними.
Коли вектори сили тяжіння Сонця і Місяця взаємно перпендикулярні (під час квадратур, тобто коли Місяць знаходиться в першій або останній чверті), їх припливоутворюючі сили протидіють, оскільки приплив, спричинений тяжінням Сонця, накладається на відлив, спричинений Місяцем.
У таких умовах припливи не такі високі, а відливи - не такі низькі, як би вони були обумовлені тільки силою тяжіння Місяця. Такі проміжні припливи та відливи називаються квадратурними.
Діапазон відміток повних та малих вод у цьому випадку скорочується приблизно втричі порівняно із сизігійним припливом.
Місячна паралактична нерівність. Період коливань висот припливів, що виникає за рахунок місячного паралаксу, становить 271/2 доби. Причина цієї нерівності полягає у зміні відстані Місяця від Землі у процесі обертання останнього. Через еліптичну форму місячної орбіти приливоутворююча сила Місяця в перигеї на 40% вище, ніж в апогеї.
Добова нерівність. Період цієї нерівності становить 24 год. 50 хв. Причини його виникнення - обертання Землі навколо своєї осі та зміна відміни Місяця. Коли Місяць знаходиться поблизу небесного екватора, два припливи в цю добу (а також два відливи) слабо різняться, і висоти ранкових і вечірніх повних і малих вод дуже близькі. Однак зі збільшенням північного або південного відміни Місяця ранкові та вечірні припливи одного й того ж типу розрізняються по висоті, і коли Місяць досягає найбільшого північного або південного відмінювання, ця різниця максимальна.
Відомі також тропічні припливи, які називаються так через те, що Місяць знаходиться майже над Північним або Південним тропіками.
Добова нерівність суттєво не впливає на висоти двох послідовних відливів в Атлантичному океані, і навіть її вплив на висоти припливів мало порівняно із загальною амплітудою коливань. Однак у Тихому океані добова нерівномірність проявляється у рівнях відливів утричі сильніше, ніж у рівнях припливів.
Піврічна нерівність. Його причиною є звернення Землі навколо Сонця та відповідна зміна відміни Сонця. Двічі на рік протягом кількох діб під час рівнодення Сонце знаходиться поблизу небесного екватора, тобто. його відмінювання близько до 0. Місяць також розташовується поблизу небесного екватора приблизно протягом доби кожні півмісяця. Таким чином, під час рівнодень існують періоди, коли відміни і Сонця та Місяця приблизно дорівнюють 0. Сумарний припливоутворюючий ефект тяжіння цих двох тіл у такі моменти найбільш помітно проявляється в районах, розташованих поблизу земного екватора. Якщо в той же час Місяць знаходиться у фазі молодика або повного місяця, виникають т.зв. рівноденні сизігійні припливи.
Сонячна паралактична нерівність. Період прояву цієї нерівності становить один рік. Його причиною є зміна відстані від Землі до Сонця в процесі орбітального руху Землі. Один раз за кожен оборот навколо Землі Місяць знаходиться на найкоротшій відстані в перигеї. Один раз на рік, приблизно 2 січня, Земля, рухаючись своєю орбітою, також досягає точки найбільшого наближення до Сонця (перигелія). Коли ці два моменти найбільшого зближення збігаються, викликаючи найбільшу сумарну припливотворну силу, можна очікувати більше високих рівнівприпливів та нижчих рівнів відливів. Подібно до цього, якщо проходження афелію збігається з апогеєм, виникають менш високі припливи і менш глибокі відливи.
Найбільші амплітуди припливів. Найвищий у світі приплив формується в умовах сильної течії в бухті Мінас у затоці Фанді. Приливні коливання тут характеризуються нормальним перебігом із напівдобовим періодом. Рівень води під час припливу часто піднімається за шість годин більш ніж на 12 м, а потім протягом наступних шести годин знижується на ту саму величину. Коли вплив сизигійного припливу, положення Місяця в перигеї і максимальне відмінювання Місяця припадають на одну добу, рівень припливу може досягати 15 м. Така винятково велика амплітуда припливно-відливних коливань частково зумовлена лійкоподібною формою затоки Фанді, де глибини зменшуються, а береги зближу Причини виникнення припливів, що були предметом постійного вивчення протягом багатьох століть, відносяться до тих проблем, які породили багато суперечливих теорій навіть у порівняно недавній час.
Ч.Дарвін писав 1911 р.: “Нема потреби шукати античну літературу заради гротескових теорій припливів”. Однак морякам вдається вимірювати їх висоту і використовувати можливості припливів, не маючи уявлення про дійсні причини їх виникнення.
Думаю, що і нам можна особливо не морочитися з приводу причин походження припливів. На підставі багаторічних спостережень для будь-якої точки акваторії землі розраховуються спеціальні таблиці, в яких вказується час високої та низької води на кожен день. Планую свою поїздку наприклад до Єгипту, який славиться своїми не глибокими лагунами, спробуйте заздалегідь підгадати так щоб повна вода припадала на першу половину дня, що дозволить більшу частину світлого часу повноцінно кататися.
Ще одне питання пов'язане з припливами цікаве для кайтера, це взаємозв'язок вітру і коливання рівня води.
Народна прикмета стверджує, що на приплив вітер посилюється, а на відлив навпаки скисає.
Найзрозуміліший вплив вітру на припливно-відливні явища. Вітер з моря наганяє воду у бік берега, висота припливу збільшується понад звичайну, і за відпливу рівень води теж перевищує середній. Навпаки, при вітрі, що дме з суші, вода зганяється від берега, і рівень моря знижується.
Другий механізм діє рахунок підвищення атмосферного тиску над великої акваторією, відбувається зниження рівня води, оскільки додається накладена вага атмосфери. Коли атмосферний тиск збільшується на 25 мм рт. ст., рівень води знижується приблизно на 33 см. Зона високого тиску або антициклон зазвичай називають гарною погодою, але не для кайтера. У центрі антициклону є штиль. Зниження атмосферного тиску викликає підвищення рівня води. Отже, різке падіння атмосферного тиску разом із вітром ураганної сили здатне викликати помітний підйом рівня води. Подібні хвилі, хоч і називаються приливними, насправді не пов'язані з впливом припливоутворюючих сил і не мають періодичності, характерної для припливо-відливних явищ.
Але цілком можливо, що й відливи можуть впливати на вітер, наприклад зниження рівня води в прибережних лагунах, веде до більшого прогріву води, і як наслідок зменшення різниці температур між холодним морем і нагрітою сушею що послаблює бризовий ефект.
Photo by Michael Marten
Продовжимо розмову про сили, що діють на небесні тіла і викликані при цьому ефекти. Сьогодні я розповім про припливи та негравітаційні обурення.
Що це означає – «негравітаційні обурення»? Обурення зазвичай називають малі поправки до великої, головної сили. Т. е. мова піде про якісь сили, вплив яких на об'єкт значно менше гравітаційних
Які ще в природі бувають сили, крім гравітації? Сильні та слабкі ядерні взаємодіїзалишимо осторонь, вони мають локальний характер (діють на вкрай малих відстанях). А ось електромагнетизм, як відомо, набагато сильніший за гравітацію і поширюється так само далеко – безмежно. Але оскільки електричні зарядипротилежних знаків зазвичай врівноважені, а гравітаційний «заряд» (роль якого виконує маса) завжди одного знака, то за досить великих мас, звичайно ж, гравітація виходить на перший план. Тож реально ми говоритимемо про обурення руху небесних тіл під дією електромагнітного поля. Більше варіантів немає, хоча є ще темна енергія, Але про неї - пізніше, коли мова піде про космологію.
Як я розповідав на , простий ньютонів закон тяжіння F = G∙M∙m/R² дуже зручно використовувати в астрономії, тому що більшість тіл мають близьку до сферичної форми і досить віддалені один від одного, так що при розрахунку їх можна замінити точками – точковими об'єктами, що містять всю їхню масу. Але тіло кінцевого розміру, порівнянного з відстанню між сусідніми тілами, все-таки, відчуває різний різний вплив у різних своїх частинах, тому що ці частини по-різному віддалені від джерел гравітації, і це потрібно враховувати.
Тяжіння плющить і роздирає
Щоб відчути приливний ефект, проробимо популярний у фізиків уявний експеримент: уявимо себе у вільно ліфті, що вільно падає. Відрізаємо утримуючу кабіну мотузку і починаємо падати. Поки не впали, можемо дивитися, що довкола нас відбувається. Підвішуємо вільні маси і спостерігаємо, як вони поведуться. Спочатку вони падають синхронно, і ми говоримо – це невагомість, тому що всі об'єкти у цій кабіні і вона сама відчувають приблизно однакове прискорення вільного падіння.
Але згодом наші матеріальні точкипочнуть змінювати свою конфігурацію. Чому? Тому що нижня з них на початку була трохи ближчою до центру тяжіння, ніж верхня, тому нижня, притягуючись сильніше, починає випереджати верхню. А бічні точки завжди залишаються на однаковій відстані від центру тяжіння, але з наближенням до нього вони починають зближуватися один з одним, тому що рівні за модулем прискорення не паралельні. Через війну система незв'язаних об'єктів деформується. І це називають приливним ефектом.
З погляду спостерігача, який розсипав навколо себе крупу і дивиться, як окремі крупинки переміщаються, доки вся ця система падає на масивний об'єкт, можна запровадити таке поняття, як поле приливних сил. Визначимо ці сили в кожній точці як векторну різницю гравітаційного прискорення в цій точці та прискорення спостерігача або центру мас, і якщо брати тільки перший член розкладання в ряд Тейлора по відносній відстані, то вийде симетрична картина: ближні крупинки випереджатимуть спостерігача, далекі відставатимуть від нього, тобто. система розтягуватиметься вздовж осі, спрямованої на об'єкт, що тяжіє, а вздовж перпендикулярних їй напрямків частинки будуть притискатися до спостерігача.
Як ви вважаєте, що відбуватиметься при затягуванні планети в чорну дірку? Хто не слухав лекцій з астрономії, тим зазвичай здається, що чорна діратільки зі зверненої до себе поверхні буде зривати речовину. Вони не знають, що майже такий же сильний ефект виявляється на зворотній сторонівільно падаючого тіла. Тобто. воно розривається у двох діаметрально протилежних напрямках, аж ніяк не в одному.
Небезпеки відкритого космосу
Щоб показати, наскільки важливо враховувати приливний ефект, візьмемо Міжнародну космічну станцію. Вона, як і всі супутники Землі, вільно падає у гравітаційному полі (якщо не увімкнені двигуни). І поле приливних сил навколо неї – це цілком відчутна річ, тому космонавт, коли працює на зовнішній стороні станції, обов'язково себе до неї прив'язує, причому, як правило, двома тросиками – про всяк випадок, чи мало що може статися. А якби він був неприв'язаним у тих умовах, де приливні сили його відтягують від центру станції, він запросто може втратити з нею контакт. Таке часто буває з інструментами, адже їх не прив'яжеш. Якщо у космонавта щось випало з рук, то цей предмет іде в далечінь і стає самостійним супутником Землі.
План робіт на МКС включає випробування в відкритому космосііндивідуального реактивного ранця. І коли його двигун відмовляє, приливні сили забирають космонавта, і ми його втрачаємо. Імена зниклих безвісти засекречуються.
Це, звичайно, жарт: подібної події поки що, на щастя, не було. Але таке цілком могло б статися! І, можливо, колись станеться.
Планета-океан
Повернемося до Землі. Це найцікавіший для нас об'єкт, і приливні сили, що діють на нього, відчуваються цілком помітно. З яких небесних тіл вони діють? Головний із них – це Місяць, бо він близький. Наступне за масштабом впливу – Сонце, бо воно є масивним. Решта планет теж впливає на Землю, але вона ледь відчутна.
Щоб аналізувати зовнішній гравітаційний вплив на Землю, її зазвичай представляють у вигляді твердої кулі, покритої рідкою оболонкою. Це непогана модель, оскільки у нашої планети дійсно є рухома оболонка у вигляді океану та атмосфери, а решта досить тверде. Хоча земна кора та внутрішні шари мають обмежену жорсткість і трохи піддаються приливному впливу, їх пружною деформацією можна знехтувати при розрахунках ефекту, що виробляється на океан.
Якщо системі центру мас Землі намалювати вектори приливних сил, то отримаємо таку картину: поле приливних сил витягує океан уздовж осі «Земля – Місяць», а перпендикулярній їй площині притискає його до центру Землі. Таким чином, планета (принаймні її рухлива оболонка) прагне прийняти форму еліпсоїда. При цьому виникають дві опуклості (їх називають приливними горбами) на протилежних сторонах земної кулі: одна звернена до Місяця, інша – від Місяця, а в смузі між ними виникає, відповідно, «напуклість» (точніше, поверхня океану там має меншу кривизну).
Цікавіша річ відбувається в проміжку – там, де вектор приливної сили намагається змістити рідку оболонку вздовж земної поверхні. І це природно: якщо в одному місці ви хочете підняти море, а в іншому місці опустити, то вам треба перемістити воду звідти сюди. І між ними приливні сили переганяють воду в «підмісячну точку» та в «анти-місячну точку».
Кількісно розрахувати ефект припливу дуже просто. Гравітація Землі намагається зробити океан кулястим, а приливна частина місячного та сонячного впливу – витягнути його вздовж осі. Якщо дати Землю у спокої і дати можливість вільно падати на Місяць, то висота опуклості досягла приблизно півметра, тобто. всього на 50 см океан піднімається над своїм середнім рівнем. Якщо Ви пливете на пароплаві відкритим морем або океаном, півметра – це не відчутно. Це називають статичним припливом.
Майже на кожному іспиті мені трапляється студент, який впевнено стверджує, що приплив відбувається лише на одному боці Землі – на тому, що звернено до Місяця. Як правило, таке каже дівчина. Але буває, хоч і рідше, як і юнаки в цьому питанні помиляються. При цьому в цілому знання астрономії глибші у дівчат. Цікаво було б з'ясувати причину цієї приливно-гендерної асиметрії.Але щоб створити в підмісячній точці півметрову опуклість, треба сюди перегнати велику кількість води. Адже поверхня Землі не залишається нерухомою, вона по відношенню до напрямку на Місяць і на Сонце швидко обертається, роблячи повний оборот за добу (а Місяць по орбіті повільно йде - один оборот навколо Землі майже за місяць). Тому приливний горб постійно бігає поверхнею океану, отже тверда поверхню Землі протягом доби 2 разу виявляється під приливної опуклістю і двічі – під відливним зниженням рівня океану. Прикинемо: 40 тисяч кілометрів (довжина земного екватора) на добу, це 463 метри за секунду. Значить, ця півметрова хвиля типу міні-цунамі набігає на східні узбережжя континентів в районі екватора з надзвуковою швидкістю. На наших широтах швидкість сягає 250-300 м/с - теж досить багато: хоч хвиля і не дуже висока, за рахунок інерції вона може створити великий ефект.
Другий об'єкт за масштабом впливу Землю – це Сонце. Воно у 400 разів далі від нас, ніж Місяць, але у 27 млн разів масивніше. Тому ефекти від Місяця та від Сонця виходять порівнянними за величиною, хоча Місяць все ж таки діє трохи сильніше: гравітаційний припливний ефект від Сонця приблизно наполовину слабший, ніж від Місяця. Іноді їх вплив складається: це відбувається в молодик, коли Місяць проходить на тлі Сонця, і в місяць - коли Місяць з протилежної від Сонця сторони. У ці дні – коли Земля, Місяць та Сонце вишиковуються в лінію, а відбувається це кожні два тижні – сумарний припливний ефект виходить у півтора рази більше, ніж тільки від Місяця. А через тиждень Місяць проходить чверть своєї орбіти і опиняється із Сонцем у квадратурі (прямий кут між напрямками на них), і тоді їхній вплив послаблює один одного. У середньому висота припливів у відкритому морі змінюється від чверті до 75 сантиметрів.
Морякам припливи відомі давно. Що робить капітан, коли корабель сів на мілину? Якщо ви читали морські пригодницькі романи, то знаєте, що він одночасно дивиться, в якій фазі Місяць, і чекає, коли буде найближчий повний місяць або молодик. Тоді максимальний приплив може підняти корабель і зняти з мілини.
Берегові проблеми та особливості
Припливи особливо важливі для портових працівників і моряків, які мають намір ввести свій корабель у порт чи вивести з порту. Як правило, проблема мілководдя виникає поблизу берегів, і щоб вона не заважала руху суден, для входу в бухту проривають підводні канали – штучні фарватери. Їхня глибина повинна враховувати висоту максимального відливу.
Якщо ми подивимося в якийсь момент на висоту припливів і проведемо на карті лінії рівної висотиводи, то вийдуть концентричні кола з центрами у двох точках (у підмісячній та анти-місячній), у яких приплив максимальний. Якби орбітальна площина Місяця збігалася з площиною земного екватора, то ці точки завжди переміщалися б по екватору і за добу (точніше – за 24? 50? 28?) робили б повний оборот. Однак Місяць ходить не в цій площині, а поблизу площини екліптики, стосовно якої екватор нахилений на 23,5 градуси. Тому підмісячна точка «гуляє» також і широтою. Таким чином, в тому самому порту (тобто на одній і тій же широті) висота максимального припливу, що повторюється через кожні 12,5 годин, протягом доби змінюється в залежності від орієнтації Місяця щодо земного екватора.
Ця «дрібниця» важлива для теорії припливів. Подивимося ще раз: Земля обертається навколо осі, а площину місячної орбіти нахилена до неї. Тому кожен морський портпротягом доби "оббігає" навколо полюса Землі, один раз потрапляючи в область максимально високого припливу, а через 12,5 годин - знову в область припливу, але менш високого. Тобто. два припливи протягом доби не рівноцінні за висотою. Один завжди більший за інший, тому що площина місячної орбіти не лежить у площині земного екватора.
Для мешканців узбережжя приливний ефект життєво важливий. Наприклад, у Франції є , який з'єднаний з материком асфальтовою дорогою, прокладеною дном протоки. На острові живе багато людей, але вони не можуть користуватися цією дорогою, поки рівень моря високий. Цією дорогою можна проїхати лише двічі на добу. Люди під'їжджають і чекають на відплив, коли рівень води знизиться і дорога стане доступною. Люди їздять на узбережжя на роботу та з роботи, користуючись спеціальною таблицею припливів, яка публікується для кожного населеного пунктуузбережжя. Якщо не зважати на це явище, вода на шляху може захлеснути пішохода. Туристи просто приїжджають туди та гуляють, щоб подивитися на дно моря, коли немає води. А місцеві жителі щось у своїй з дна збирають, іноді навіть їсти, тобто. насправді цей ефект годує людей.
Життя вийшло з океану завдяки саме припливам та відливам. Деякі прибережні тварини в результаті відпливу опинялися на піску і змушені були навчитися дихати киснем безпосередньо з атмосфери. Якби не було Місяця, то життя, можливо, не так активно виходило б з океану, бо там у всіх відношеннях добре – термостатоване середовище, невагомість. Але якщо ти раптом потрапив на берег, то треба було якось виживати.
Узбережжя, якщо воно плоске, під час відливу сильно оголюється. І на деякий час люди втрачають можливість користуватися своїми плавзасобами, що безпорадно лежать як кити на березі. Але в цьому є щось корисне, тому що період відливу можна використовувати для ремонту суден, особливо в якійсь бухточці: кораблики припливли, потім вода пішла, і їх можна в цей час підремонтувати.
Наприклад, є така затока Фанді на східному узбережжі Канади, в якій, кажуть, найвищі у світі припливи: перепад рівня води може досягати 16 метрів, що вважається рекордом для морського припливуЗемлі. Моряки до цієї властивості пристосувалися: вони під час припливу підводять судно до берега, зміцнюють його, а коли вода йде, судно повисає, і йому можна підконопатити дно.
Люди здавна почали стежити та регулярно записувати моменти та характеристики високих припливів, щоб навчитися прогнозувати це явище. Незабаром винайшли мареограф– прилад, у якому поплавець вгору-вниз ходить залежно від рівня моря, а показання автоматично викреслюються на папері як графіка. До речі, засоби вимірювання майже не змінилися з перших спостережень і до наших днів.
На основі великої кількості записів гідрографії математики намагаються створити теорію припливів. Якщо ви маєте багаторічний запис періодичного процесу, ви можете розкласти його на елементарні гармоніки – різної амплітуди синусоїди з кратними періодами. І потім, визначивши параметри гармонік, продовжити сумарну криву у майбутнє і цій основі зробити таблиці припливів. Нині такі таблиці опубліковані кожному порту Землі, і кожен капітан, збирається увійти до порту, бере йому таблицю і дивиться, коли буде достатній щодо його корабля рівень води.
Найвідоміша історія, пов'язана з прогностичними розрахунками, сталася у Другу світову війну: у 1944-му році наші союзники – англійці та американці – збиралися відкрити другий фронт проти гітлерівської Німеччини, для цього треба було висадитись на французьке узбережжя. Північне узбережжя Франції в цьому відношенні дуже неприємне: обривистий берег, висотою 25-30 метрів, а дно океану досить дрібне, так що кораблі можуть підійти до берега тільки в моменти максимальних припливів. Якби вони сіли на мілину, їх просто розстріляли б з гармат. Щоб цього уникнути, було створено спеціальну механічну (електронну тоді ще не було) обчислювальну машину. Вона виконувала Фур'є-аналіз тимчасових рядів морського рівня за допомогою барабанів, що обертаються кожен зі своєю швидкістю, через які проходив металевий трос, який підсумовував всі члени ряду Фур'є, а пов'язане з тросом перо виписувало графік висоти припливу в залежності від часу. Це була абсолютно секретна робота, яка сильно просунула теорію припливів, тому що виявилося можливим з достатньою точністю передбачити момент найвищого припливу, завдяки чому важкі військові транспортні корабліперепливли Ла-Манш та висадили десант на берег. Так математики та геофізики зберегли життя багатьом людям.
Деякі математики намагаються узагальнити дані у масштабі всієї планети, намагаючись створити єдину теорію припливів, але порівнювати записи, зроблені у різних місцях, важко, оскільки Земля дуже неправильна. Це лише в нульовому наближенні єдиний океан всю поверхню планети покриває, а насправді є материки і кілька слабко зв'язаних океанів, і кожен океан має свою частоту. власних коливань.
Попередні міркування про коливання рівня моря під дією Місяця та Сонця стосувалися відкритих океанських просторів, де від одного берега до іншого припливне прискорення дуже змінюється. А у локальних водоймах – наприклад, озерах – чи може приплив створити помітний ефект?
Здавалося б, не повинно бути, адже у всіх точках озера припливне прискорення приблизно однакове, різниця маленька. Наприклад, у центрі Європи є Женевське озеро, воно лише близько 70 км завдовжки і ніяк не пов'язане з океанами, але люди давно помітили, що там є суттєві добові коливання води. Чому вони з'являються?
Так, припливна сила дуже мала. Але головне – вона регулярна, тобто. діє періодично. Усі фізики знають ефект, який при періодичній дії сили іноді спричинює збільшену амплітуду коливань. Наприклад, ви берете в їдальні на роздачі тарілку супу та . Це означає, що частота Ваших кроків потрапила у резонанс із власними коливаннями рідини у тарілці. Помітивши це, ми різко змінюємо темп ходьби – і суп заспокоюється. Своя базова резонансна частота є у кожного водоймища. І чим більший розмір водойми, тим нижча частота власних коливань рідини в ньому. Так от, у Женевського озера власна резонансна частота виявилася кратною частоті припливів, і мале припливне вплив «розбовтує» Женевське озеро так, що на його берегах рівень змінюється цілком відчутно. Ці стоячі хвилі великого періоду, що виникають у замкнутих водоймах, називаються сейші.
Енергія припливів
Нині намагаються одне з альтернативних джерел енергії пов'язати з приливним ефектом. Як я вже казав, головний ефект припливів не в тому, що вода піднімається та опускається. Головний ефект – це припливна течія, яка за добу переганяє воду навколо всієї планети.
У неглибоких місцях цей ефект дуже важливий. У районі Нової Зеландії через деякі протоки капітани навіть ризикують проводити кораблі. Вітрильникам там взагалі ніколи не вдавалося пройти, та й сучасні кораблі проходять насилу, бо дно дрібне та приливні течії мають колосальну швидкість.
Але якщо вода тече, цю кінетичну енергію можна використовувати. І вже побудовані електростанції, на яких турбіни туди-сюди обертаються за рахунок припливної та відливної течії. Вони цілком працездатні. Першу приливну електростанцію (ПЕМ) було зроблено у Франції, вона досі найбільша у світі, потужністю 240 МВт. Порівняно з ГЕС не дуже, звичайно, але найближчі сільські райони вона обслуговує.
Чим ближче до полюса, тим швидкість приливної хвилі менша, тому в Росії узбережжя, у яких були б дуже потужні припливи, немає. У нас взагалі виходів до моря небагато, а узбережжя Північного льодовитого океану для використання приливної енергії не особливо вигідне ще й тому, що приплив жене воду зі сходу на захід. Але все-таки придатні для ПЕМ місця є, наприклад, губа Кисла.
Справа в тому, що в затоках приплив створює завжди більший ефект: хвиля набігає, спрямовується в затоку, а вона звужується, звужується - і амплітуда наростає. Схожий процес відбувається, як би клацнули батогом: спочатку довга хвиля йде повільно батогом, але потім маса залученої в рух частини батога зменшується, тому швидкість збільшується (імпульс mvзберігається!) і до вузького кінця досягає надзвукового, в результаті чого ми чуємо клацання.
Створюючи експериментальну Кислогубську ПЕМ невеликої потужності, енергетики намагалися зрозуміти, наскільки ефективно можна використовувати припливи на навколополярних широтах для електроенергії. Особливого економічного сенсу вона має. Однак зараз є проект дуже потужної російської ПЕМ (Мезенський) – на 8 гігават. Для того, щоб досягти цієї колосальної потужності, потрібно перегородити велику затоку, відокремивши греблею Біле море від Баренцева. Щоправда, вельми сумнівно, що це буде зроблено, доки ми маємо нафту і газ.
Минуле та майбутнє припливів
До речі, з чого черпається енергія припливів? Турбіна крутиться, електроенергія виробляється, а який об'єкт втрачає при цьому енергію?
Оскільки джерелом енергії припливу служить обертання Землі, то коли ми черпаємо з нього, значить, обертання повинно сповільнюватися. Здавалося б, Земля має внутрішні джерела енергії (тепло з надр йде завдяки геохімічним процесам і розпаду радіоактивних елементів), є чим компенсувати втрати кінетичної енергії. Це так, але енергетичний потік, поширюючись у середньому практично рівномірно за всіма напрямами, навряд чи може суттєво вплинути на момент імпульсу та змінити обертання.
Якби Земля не оберталася, приливні горби дивилися б точно у напрямку Місяця та протилежному йому. Але, обертаючись, тіло Землі зносить їх вперед у напрямку свого обертання – і виникає постійна розбіжність припливного піку та підмісячної крапки 3-4 градуси. До чого це призводить? Горб, який ближче до Місяця, притягується до нього сильніше. Ця сила тяжіння прагне загальмувати обертання Землі. А протилежний горб далі від Місяця, він намагається прискорити обертання, але притягується слабше, тому рівнодіючий момент сил робить на обертання Землі дію, що гальмує.
Отже, наша планета постійно зменшує швидкість свого обертання (щоправда, не зовсім регулярно, стрибками, що з особливостями масопереносу в океанах і атмосфері). А який вплив мають земні припливи на Місяць? Близька припливна опуклість тягне Місяць у себе, далека – навпаки, сповільнює. Перша сила більша, в результаті Місяць прискорюється. Тепер пригадайте з попередньої лекції, що відбувається із супутником, який примусово тягнуть вперед рухом? Оскільки його енергія збільшується, він віддаляється від планети та її кутова швидкістьпри цьому падає, тому що зростає радіус орбіти. До речі, збільшення періоду обігу Місяця навколо Землі було відмічено ще за часів Ньютона.
Якщо говорити в цифрах, то Місяць віддаляється від нас приблизно на 3,5 см на рік, а тривалість земної доби кожні сто років зростає на соту частки секунди. Начебто нісенітниця, але згадайте, що Земля існує мільярди років. Легко підрахувати, що в часи динозаврів на добу було близько 18 годин (тепер, зрозуміло).
Оскільки Місяць віддаляється, приливні сили стають меншими. Але вона завжди віддалялася, і якщо ми звернемо погляд у минуле, то побачимо, що раніше Місяць був ближче до Землі, а значить, і припливи були вищими. Можете оцінити, наприклад, що в архейську еру, 3 млрд. років тому припливи були кілометрової висоти.
Припливні явища на інших планетах
Зрозуміло, у системах інших планет із супутниками відбуваються такі самі явища. Юпітер, наприклад, дуже масивна планета, яка має велику кількість супутників. Чотири його найбільші супутники (їх називають галілеєвими, тому що Галілей їх виявив) піддаються впливу з боку Юпітера цілком відчутно. Найближчий з них, Іо, весь покритий вулканами, серед яких понад півсотні діючих, причому вони викидають зайву речовину на 250-300 км вгору. Це відкриття було несподіваним: на Землі таких потужних вулканівні, а тут маленьке тіло розміром з Місяць, яке мало б охолонути вже давно, а натомість воно пашить жаром на всі боки. Де джерело цієї енергії?
Вулканічна активність Іо була сюрпризом не для всіх: за півроку до того, як перший зонд підлетів до Юпітера, два американські геофізики опублікували роботу, в якій вони розрахували припливний вплив Юпітера на цей супутник. Воно виявилося настільки велике, що здатне деформувати тіло супутника. А за деформації завжди виділяється тепло. Коли ми беремо шмат холодного пластиліну і починаємо м'яти його в руках, він стає після декількох стисків м'яким, податливим. Це відбувається не тому, що рука нагріла його своїм теплом (так само вийде, якщо його плющити в холодних лещатах), а тому що деформація вклала в нього механічну енергію, яка перетворилася на теплову.
Але з якого дива форма супутника змінюється під дією припливів з боку Юпітера? Здавалося б, рухаючись круговою орбітою і синхронно обертаючись, як наш Місяць, став один раз еліпсоїдом - і немає приводу для подальших спотворень форми? Однак поруч із Іо ще й інші супутники є; всі вони змушують трошки зміщуватися сюди-туди його (Іо) орбіту: вона то наближається до Юпітера, то видаляється. Отже, припливний вплив то слабшає, то посилюється, і форма тіла постійно змінюється. До речі, я ще не говорив про припливи у твердому тіліЗемлі: вони, звичайно, теж є, вони не такі високі, дециметри. Якщо ви посидите шість годин на своїх місцях, то завдяки припливам сантиметрів на двадцять «погуляєте» щодо центру Землі. Це коливання людини невідчутно, звісно, але геофізичні прилади його реєструють.
На відміну від земної тверді, поверхня Іо за кожен орбітальний період коливається з багатокілометровою амплітудою. Велика кількістьЕнергія деформації розсіюється у вигляді тепла і нагріває надра. На ній, до речі, не видно метеоритних кратерів, тому що вулкани постійно закидають всю поверхню свіжою речовиною. Варто ударному кратеру утворитися, як років за сто його засипають продукти виверження сусідніх вулканів. Працюють вони безперервно і дуже потужно, до цього додаються розломи в корі планети, через які з надр випливає розплав мінералів, в основному сірка. При високій температурі вона темніє, тому струмінь із кратера виглядає чорним. А світлий обідок вулкана – остигла речовина, яка опадає навколо вулкана. На нашій планеті викинута з вулкана речовина зазвичай гальмується повітрям і падає близько до жерла, утворюючи конус, а на Іо атмосфери немає, і воно летить по балістичній траєкторії далеко на всі боки. Мабуть, це приклад найпотужнішого ефекту припливу в Сонячній системі.
Другий супутник Юпітера, Європа вся виглядає, як наша Антарктида, вона вкрита суцільною крижаною кіркою, яка подекуди потріскалася, оскільки її теж щось постійно деформує. Оскільки цей супутник подалі від Юпітера, припливний ефект тут не такий сильний, але теж цілком відчутний. Під цією крижаною корою рідкий океан: на знімках видно, як з деяких тріщин, що розійшлися, б'ють фонтани. Під дією приливних сил океан вирує, а на його поверхні плавають і стикаються крижані поля, майже як у нас у Північному льодовитому океані та біля берегів Антарктиди. Виміряна електропровідність рідини океану Європи свідчить про те, що це солена вода. Чому б там не бути життя? Заманливо було б опустити в одну з тріщин прилад та подивитися, хто там живе.
Насправді не всім планет кінці з кінцями сходяться. Наприклад, у Енцелада, супутника Сатурна, теж є крижана кора та океан під нею. Але розрахунки показують, що енергії припливів недостатньо, щоб підтримувати підлідний океан у рідкому стані. Звичайно, крім припливів у будь-кого небесного тілає й інші джерела енергії – наприклад, радіоактивні елементи, що розпадаються (уран, торій, калій), але на малих планетах вони навряд чи можуть відігравати значну роль. Значить, чогось ми поки що не розуміємо.
Припливний ефект надзвичайно важливий для зірок. Чому – про це на наступній лекції.
