Морской отлив. Теория возникновения приливов и отливов из-за водоворотов в мировом океане. Что такое приливные течения

Уровень поверхности воды в морях и океанах нашей планеты периодически меняется, колеблется в некоторых интервалах. Эти периодические колебания и есть морские приливы и отливы .

Картина морских приливов и отливов

Чтобы наглядно представить себе картину морских приливов и отливов , вообразите, что вы стоите на отлогом берегу океана, в какой-нибудь бухте, в 200–300 метрах от воды. На песке много разных предметов – старый якорь, немного ближе большая куча белого камня. Вот совсем уже недалеко лежит повалившийся на бок железный корпус небольшого судёнышка. Низ его корпуса в носовой части сильно пропорот. Очевидно, когда-то это судно, находясь недалеко от берега, налетело на якорь. Эта авария произошла, по всей вероятности, во время отлива, и, по-видимому, судно лежит на этом месте уже не один год, так как почти весь его корпус успел покрыться коричневой ржавчиной. Виновником аварии судна вы склонны считать неосторожного капитана. Видимо, якорь и был тем острым орудием, на которое налетело повалившееся на бок судно. Вы ищете этот якорь и не можете найти. Куда он мог деться? Тут вы замечаете, что вода уже подбирается к куче белых камней, и тогда догадываетесь, что виденный вами якорь давно уже затоплен приливной волной. Вода «наступает» на берег, она продолжает подниматься всё дальше и дальше вверх. Вот уже и куча белых камней оказалась почти вся скрытой под водой.

Явления морских приливов и отливов

Явления морских приливов и отливов люди давно связывали с движением Луны, но эта связь оставалась загадкой до тех пор, пока гениальный математик Исаак Ньютон не объяснил на основании открытого им закона тяготения. Причиной этих явлений служит действие притяжения Луны, оказываемое на водную оболочку Земли. Ещё знаменитый Галилео Галилей связывал приливы и отливы с вращением Земли и видел в этом одно из наиболее обоснованных и верных доказательств справедливости учения Николая Коперника, (подробнее: ). Парижская академия наук в 1738 году объявила премию тому, кто даст наиболее обоснованное изложение теории приливов. Премию тогда получили Эйлер, Маклорен, Д. Бернулли и Кавальери . Первые трое брали в основу своих работ закон тяготения Ньютона, а иезуит Кавальери объяснял приливы на основании гипотезы вихрей Декарта. Однако наиболее выдающиеся работы в этой области принадлежат Ньютону и Лапласу , и все последующие исследования основываются на выводах этих великих ученых.

Как объяснить явление приливов и отливов

Как наиболее наглядно объяснить явление приливов и отливов . Если для простоты будем считать, что земная поверхность вся сплошь покрыта водной оболочкой, и посмотрим на земной шар с одного из его полюсов, то картину морских приливов и отливов можно будет представить следующим образом.

Лунное притяжение

Та часть поверхности нашей планеты, которая обращена к Луне, находится к ней всего ближе; вследствие этого она подвергается большему воздействию силы лунного притяжения , чем, например, центральная часть нашей планеты и, следовательно, оттягивается по направлению к Луне больше, нежели остальные части Земли. В силу этого на стороне обращенной к Луне, и образуется приливный горб. Одновременно с этим на противоположной стороне Земли наименее подвергнутой притяжению Луны, возникает такой же приливный горб. Земля поэтому принимает вид фигуры, несколько вытянутой вдоль прямой, соединяющей центры нашей планеты и Луны. Таким образом, на двух противоположных сторонах Земли, расположенных на одной прямой, которая проходит через центры Земли и Луны, образуются два больших горба, два огромных водяных вздутия . В это же самое время на двух других сторонах нашей планеты, расположенных под углом в девяносто градусов от указанных выше точек максимального прилива, происходят наибольшие отливы. Здесь вода спадает больше, чем где бы то ни было в другом месте поверхности земного шара. Линия, соединяющая эти точки в момент отлива, несколько сокращается, и тем самым создаётся впечатление увеличения вытянутости Земли в направлении максимальных точек прилива. Эти точки максимального прилива вследствие лунного притяжения постоянно сохраняют своё положение относительно Луны, но, так как Земля совершает вращение вокруг оси, то за время суток они как бы перемещаются по всей поверхности земного шара. Поэтому в каждой местности на протяжении суток бывает два прилива и два отлива .

Солнечные приливы и отливы

Солнце, так же как и Луна, силой своего притяжения производит приливы и отливы. Но оно находится на гораздо большем расстоянии от нашей планеты по сравнению с Луной, и солнечные приливы, возникающие на Земле, почти в два с половиной раза меньше лунных. Поэтому солнечные приливы , отдельно не наблюдаются, а рассматривается только их влияние на величину лунных приливов. Так, например, наибольшие морские приливы и отливы бывают во время полнолуний и новолуний , так как в это время Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой, и наше дневное светило своим притяжением усиливает притяжение Луны. Наоборот, когда мы наблюдаем Луну в первой или в последней четверти (фазе), имеют место наименьшие морские приливы и отливы . Это объясняется тем, что в данном случае лунный прилив совпадает с солнечным отливом . Действие лунного притяжения уменьшается на величину притяжения Солнца.

Приливное трение

«Приливное трение », существующее в нашей планете, оказывает в свою очередь влияние на лунную орбиту, так как приливная волна, вызываемая лунным притяжением, оказывает обратное действие на Луну, создавая тенденцию к ускорению её движения. Вследствие этого Луна постепенно удаляется от Земли, период её обращения возрастает, и она, по всей вероятности, немного отстаёт в своём движении.

Величина морских приливов

Кроме относительного положения в пространстве Солнца, Земли и Луны, на величину морских приливов в каждой отдельной местности оказывают влияние форма морского дна и характер очертания берегов. Известно также, что в закрытых морях, как, например, в Аральском, Каспийском, Азовском и Черном, приливы и отливы почти не наблюдаются. С трудом их удаётся обнаружить и в открытых океанах; здесь приливы едва достигают одного метра, уровень воды повышается очень незначительно. Но зато в некоторых бухтах наблюдаются приливы такой колоссальной величины, что вода поднимается на высоту более десяти метров и в некоторых местах затопляет колоссальные пространства .

Приливы и отливы в воздушной и твердой оболочках Земли

Приливы и отливы происходят также в воздушной и твердой оболочках Земли . Эти явления в низших слоях атмосферы мы почти не замечаем. Для сравнения укажем, что и на дне океанов приливы и отливы не наблюдаются. Это обстоятельство объясняется тем, что в приливных процессах участвуют главным образом верхние слои водной оболочки. Приливы и отливы в воздушной оболочке можно обнаружить только при весьма длительном наблюдении за изменением атмосферного давления. Что касается земной коры, то каждая её часть вследствие приливного и отливного действия Луны за время суток два раза поднимается и два раза опускается примерно на несколько дециметров. Иначе говоря, колебания твёрдой оболочки нашей планеты по своей величине приблизительно в три раза меньше колебаний уровня поверхности океанов. Таким образом, наша планета всё время как бы дышит, делая глубокие вдохи и выдохи, а её внешняя оболочка, как грудь великого чудо-богатыря, то немного поднимается, то опускается. Эти процессы, происходящие в твёрдой оболочке Земли, удаётся обнаружить лишь с помощью приборов, служащих для регистрации землетрясений. Следует заметить, что приливы и отливы происходят и на других мировых телах и оказывают громадное влияние на их развитие. Если бы Луна была неподвижна по отношению к Земле, то при отсутствии других факторов, влияющих на запаздывания приливной волны, в любом месте земного шара через каждые 6 часов происходило бы за сутки два прилива и два отлива. Но так как Луна непрерывно обращается вокруг Земли и притом в ту же сторону, в которую вращается вокруг своей оси и наша планета, то получается некоторое запаздывание: Земля успевает повернуться к Луне каждой своей частью не в течение суток, а приблизительно в 24 часа и 50 минут. Поэтому в каждой местности прилив или отлив продолжается не ровно 6 часов, а около 6 часов и 12,5 минут.

Чередования приливов и отливов

Кроме того, следует отметить, что правильность чередования приливов и отливов нарушается в зависимости от характера расположения материков на нашей планете и непрерывного трения воды о поверхность Земли. Эти неправильности в чередовании иногда достигают нескольких часов. Таким образом, наиболее «высокая» вода бывает не в момент кульминации Луны, как это следует согласно теории, а на несколько часов позднее прохождения Луны через меридиан; это запаздывание называется прикладным часом порта и достигает иногда 12 часов. Раньше было распространено мнение, что морские приливы и отливы связаны с морскими течениями. Теперь всем известно, что это – явления разного порядка. Прилив – род волнового движения, подобного тому, которое возникает вследствие ветра. Плавающий предмет при наступании приливной волны совершает колебания, как и при волне, возникающей от ветра, – вперёд и назад, вниз и вверх, но не уносится ею, как течением. Период приливной волны составляет около 12 часов и 25 минут, и через этот промежуток времени предмет обычно возвращается в своё исходное положение. Сила, вызывающая приливы, во много раз меньше силы притяжения . В то время как сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между притягивающимися телами, сила, вызывающая приливы, приблизительно обратно пропорциональна кубу этого расстояния , а вовсе не квадрату его.

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.

Приливы и отливы - природные явления, о которых слышали и которые наблюдали многие люди, особенно живущие на берегу моря или океана. Что такое приливы и отливы, какая сила кроется в них, почему они возникают, читайте в статье.

Значение слова «прилив»

Согласно толковому словарю Ефремовой, прилив - это природное явление, когда уровень открытого моря повышается, то есть происходит его подъем, и это периодически повторяется. Что значит прилив? По толковому словарю Ожегова прилив - это приток, скопление движущегося.

Прилив - это что такое?

Это природное явление, когда регулярно поднимается и падает уровень воды в океане, море или другом водоеме. Что такое прилив? Это ответная реакция на воздействие гравитационных сил, то есть сил притяжения, которыми обладают Солнце, Луна и другие приливообразующие силы.

Что такое прилив? Это подъем воды в океане до самого высокого уровня, который происходит каждые 13 часов. Отлив - обратное явление, при котором вода в океане падает до самого низкого уровня.

Прилив и отлив - это что такое? Это колебание уровня воды, которое происходит периодически по вертикали. Это природное явление, приливы и отливы, происходит потому, что относительно Земли изменяется положение Солнца, Луны вместе с вращающими эффектами Земли и особенностями рельефа.

Где случаются отливы и приливы?

Эти природные явления наблюдаются почти во всех морях. Они выражаются в периодическом повышении и понижении уровня воды. Случаются приливы по противоположным сторонам Земли, которые лежат рядом с линией, направленной к Солнцу и Луне. На образование горба по одну сторону Земли оказывает влияние прямое притяжение небесных тел, а по другую - наименьшее их притяжение. Так как Земля вращается, у берега моря в каждом пункте за одни сутки наблюдается по два прилива и столько же отливов.

Приливы одинаковыми не бывают. Перемещение водных масс и уровень, до которого поднимается вода в море, зависят от многих факторов. Это широта местности, очертание суши, атмосферное давление, сила ветра и многое другое.

Разновидности

Приливы и отливы классифицируют по продолжительности цикла. Они бывают:

• Полусуточные , когда в сутки случается два прилива и два отлива, то есть преобразование пространства воды в океане или на море заключается в полных и неполных водах. Параметры амплитуд, которые чередуются между собой, практически не имеют различий. Они выглядят как кривая синусоидальная черта и локализуются в водах такого моря, как Баренцево, у берегов Белого, распространены практически на всей территории Атлантического океана.
• Суточные - характеризуются одним приливом и таким же количеством отливов в течение суток. Такие природные явления наблюдаются и в Тихом океане, но очень редко. Так, если спутник Земли проходит через экваториальную зону, наблюдается стояние воды. Но если происходит склонение Луны с самым маленьким показателем, наблюдаются приливы малой мощности, имеющие экваториальный характер. Если цифры более высокие, образуются тропические приливы, сопровождающиеся значительной силой.
• Смешанные , когда по высоте преобладают полусуточные или суточные приливы, имеющие неправильную конфигурацию. Например, в полусуточных изменениях уровня гидросферы прослеживается схожесть с полусуточными приливами по многим признакам, а в суточных - с такими же по времени приливами, то есть суточными, которые зависят от того, с каким градусом склоняется Луна в данный промежуток времени. Приливы и отливы смешанного типа чаще встречаются в водном пространстве Тихого океана.

• Приливы аномального характера - характеризуются подъемами и спадами воды, не подходящими ни под одно описание по различным признакам. Аномалия имеет непосредственную связь с мелководьем, в результате чего меняется сам цикл как подъема, так и спада воды. Этот процесс особенно влияет на устье рек. Здесь приливы по времени меньше отливов. Подобными катаклизмами характеризуются отдельные участки пролива Ла-Манш, а также течения Белого моря.

Однако приливы практически не заметны в морях, которые называются внутренними, то есть отделенных от океана проливами, узкими по ширине.

Что порождает приливы?

Если нарушаются силы тяготения и инерции, на Земле возникают приливы. Природное явление приливы в большей степени проявляется у океанических берегов. Здесь два раза в сутки в разной степени уровень воды повышается и столько же раз опускается. Происходит это потому, что на поверхности двух противоположных областей океана образуются горбы. Их положение определяется в зависимости от положения Луны и Солнца.

Влияние Луны

На возникновение приливов и отливов Луна оказывает большее влияние, чем Солнце.В результате многочисленных исследований было выявлено, что на точку земной поверхности, расположенную ближе всего к Луне, внешние факторы влияют на 6 % больше, чем на самую удаленную. В этой связи ученые сделали вывод, что благодаря данному размежеванию сил Земля раздвигается в направлении такой траектории, как Луна-Земля.

Учитывая то обстоятельство, что Земля вокруг своей оси оборачивается за одни сутки, двойная приливная волна за это время проходит по создавшемуся растяжению, точнее, его периметру, два раза. В результате этого процесса создаются двойные «долины». Их высота в Мировом океане достигает двухметровой отметки, а на суше - 40-43 сантиметра, поэтому для жителей планеты это явление остается незамеченным. Нами не ощущается сила приливов, отливов, где бы мы ни находились: на суше или на воде. Хотя с подобным явлением человек знаком, наблюдая его на береговой линии. Морские или океанические воды набирают иногда по инерции достаточно большую высоту, тогда мы видим выкатывающиеся на берег волны - это прилив. Когда они откатываются обратно - отлив.

Влияние Солнца

Главная звезда Солнечной системы далеко расположена от Земли. По этой причине ее воздействие на нашу планету мало заметно. Солнце массивней Луны, если рассматривать эти небесные тела как источники энергии. Но большое расстояние между светилом и Землей оказывает влияние на амплитуду солнечных приливов, она в два раза меньше аналогичных процессов Луны. Когда наблюдается полнолуние и растет Луна, небесные тела - Солнце, Земля и Луна - имеют одинаковое расположение, в результате чего солнечные и лунные приливы складываются. Солнце оказывает небольшое влияние на приливы и отливы в тот период, когда гравитационные силы от Земли идут в двух направлениях: к Луне и Солнцу. В это время уровень отлива повышается, а прилива - понижается.

Суша на планете занимает 30 % поверхности. Остальную часть покрывают океаны и моря, с которыми связано много тайн и явлений природного характера. Одним из них является так называемый красный прилив. Это явление удивительное по красоте. Оно наблюдается у побережья Флоридского залива и считается самым большим, особенно в такие летние месяцы, как июнь или июль. Как часто можно наблюдать красный прилив, зависит от банальной причины - загрязнения прибрежных вод человеком. Волны имеют насыщенный ярко-красный или оранжевый оттенок. Это потрясающее зрелище, но любоваться им долго опасно для здоровья.

Дело в том, что окраску воде дают водоросли во время цветения. Этот период происходит очень интенсивно, растения выделяют большое количество токсинов и химикатов. В воде они растворяются не полностью, какая-то их часть выделяется в воздух. Эти вещества очень вредны для растений, животных, морских птиц. Часто от них страдают люди. Особо опасными для человека являются моллюски, которых выловили из зоны "красного прилива". Человек, употребляя их, получает сильное отравление, часто приводящее к летальному исходу. Дело в том, что уровень кислорода во время прилива понижается, в воде появляется аммиак и сероводород. Они и являются причиной отравлений.

Какие приливы считаются самыми высокими в мире?

Если форма залива воронкообразная, при попадании в него приливной волны происходит сжимание берегов. Из-за этого увеличивается высота прилива. Так, высота приливной волны у восточных берегов Северной Америки, а именно в заливе Фанди, достигает примерно 18 метров. В Европе самыми высокими приливами (13,5 метров) отличается Бретань, недалеко от Сен-Мало.

Как влияют приливы и отливы на обитателей планеты?

Этим природным явлениям особенно подвержены морские жители. Самое большое влияние приливы и отливы оказывают на обитателей вод в береговой полосе. Так как уровень земной воды изменяется, происходит развитие организмов с оседлым образом жизни. Это моллюски, устрицы, которым изменение структуры водной стихии не мешает размножаться. Этот процесс происходит гораздо активнее во время больших приливов

Но многим организмам периодические колебания уровня воды приносят страдания. Особенно трудно приходится животным маленького размера, многие из них во время приливов полностью меняют среду обитания. Одни перебираются ближе к берегу, а других, наоборот, волна уносит глубоко в океан. Природа, конечно, координирует все изменения на планете, но живые организмы приспосабливаются к условиям, преподнесенным деятельностью Луны, а также Солнца.

Какую роль играют приливы и отливы?

Что такое приливы и отливы, мы разобрали. Какова их роль в жизни человека? Эти природные явления обладают титанической силой, которую в настоящее время, к сожалению, используют мало. Хотя первые попытки в этом направлении были предприняты еще в середине прошлого столетия. В разных странах мира стали сооружать гидроэлектростанции, использующие силу приливной волны, но их пока очень мало.

Значение приливов огромно и для судоходства. Именно во время их образования суда заходят в реку на много километров вверх по течению для выгрузки товаров. Поэтому очень важно знать, когда эти явления произойдут, для чего составляются специальные таблицы. Капитаны судов по ним определяют точное время наступления приливов и их высоту.

Студент группы Н-30

Цветков Е.Н.

Проверила:

Петрова И.Ф.

Москва, 2003

Основная часть …………………………………………………….
Определение..……………......……………………………...
Сущность явления …………………………………………...
Изменение во времени ………………………………………
Распространение и масштабы проявления ………………...
Мифы и легенды …………………………………………….
История исследования ………………………………………
Экологические последствия ………………………………...
Влияние на хозяйственную деятельность …………………
Влияние человека на данный процесс …………………….
Возможность прогнозирования и управления …………….
Список литературы ………………………………………………..

Определение.

Приливы и отливы , периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.

Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня – стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря – условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже – во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) – осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.

Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды – приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана.

В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».

Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Большая часть объема космического пространства - это пустота. Но то тут, то там шарообразные сгустки материи - планеты, луны, звезды - проносятся мимо друг друга в исполинском танце.

Проделывая свои космические па, они силой гравитации действуют друг на друга, вызывая вспучивания океанических вод на поверхностях планет. Гравитация – это сила тяготения, действующая между всеми без исключения материальными объектами.

Что такое приливы и отливы?

Океанические приливы – это регулярные подъемы и падения уровня вод Мирового океана в ответ на гравитационные воздействия, то есть на силы притяжения. Когда воды океана поднимаются до самой высокой отметки, а это случается каждый 13 часов, это называется приливом. Когда вода опускается до самой низкой отметки, это называется отливом. Если вы приходите отдохнуть на морской пляж во время прилива, то наблюдаете эффект миров, проносящихся мимо Земли в вечном мраке космоса.

Материалы по теме:

Почему Луна бывает красная?

Что вызывает приливы?

Солнце, Луна и другие тела Солнечной системы воздействуют на воду и сушу Земли силой своей гравитации. Но практическое влияние оказывают только Луна и Солнце. Солнце, хотя оно очень далеко (149 миллионов километров), настолько массивно, что сила его притяжения велика.

Луна очень мала (ее масса составляет 1 /81 часть от массы Земли), но оказывает выраженное гравитационное действие на Землю в силу своего близ кого от нее расстояния (380000 километров).

Интересный факт: когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной линии, то есть в новолуние, приливы особенно сильны.

Несмотря на сильную гравитацию огромного Солнца, маленькая Луна благодаря своей близости к Земле оказывает на приливы гораздо большее влияние. Кроме того, сила притяжения Луны заметно меняется от участка к участку земной поверхности. Эти изменения обусловлены разным расстоянием различных участков земной поверхности от Луны в каждый данный момент времени.