какое название носят приливы имеющие одну полную и одну малую воду в течение суток
Классификация приливов
Величина прилива зависит от большого числа различных факторов. Поэтому величины приливов отличаются большим разнообразием. В морях, связанных с океанами узкими проливами (Балтийское, Средиземное, Японское), величины приливов обычно не превышают 50 см или отсутствуют. В Черном море прилив наблюдается в пределах 8 см. В открытых районах океана у берегов островов величина приливов составляет около 1 м.
В проливах, вершинах заливов, устьях рек бывают приливы более 6 м высотой. В воронкообразных заливах приливы могут возрастать до гигантских значений (залив Мэн, бухта Фанди — 18 м – максимальная величина прилива в Мировом океане).
Таким образом, приливы отличаются большим разнообразием. Для предвычисления элементов приливов, а также для понимания характера их изменения, приливы получили свою классификацию. Одним из основных классификационных признаков приливов является количество полных и малых вод в сутки.
Согласно этому признаку приливы делятся на полусуточные, суточные и смешанные. Полусуточные приливы – это приливы, имеющие, в среднем, две полные и две малые воды в течение лунных суток. То есть, период изменения высоты прилива составляет половину лунных суток (12 часов 25 минут). Поэтому такие приливы получили свое название – полусуточные. У таких приливов рост и падение уровня воды протекает правильно, ход изменения уровня выражается синусоидальной кривой.
Наблюдаемые две полные и две малые воды в сутки следуют друг за другом через 12 часов 25 минут и поэтому наступают на 50 минут позже в каждые последующие сутки ( лунные сутки длиннее земных). Это соответствует периоду обращения Луны вокруг Земли. Именно для таких приливов применимо так называемое «Правило 12-ти», позволяющее без графика рассчитать высоту прилива на заданное время.
Если бы Луна всегда находилась над экватором, то в результате обращения Луны вокруг Земли два «приливных горба» двигались бы равномерно вокруг Земли, образуя классический полусуточный прилив.
Однако, в течение месяца Луна смещается относительно экватора то к северу, то к югу. Над самим экватором она оказывается только при переходе из одного полушария в другое. Максимальное склонение (или степень удаления от экватора) Луны достигает величины в пределах колебаний 23,45° ± 5,15° или от 18,30° до 28,60° на каждом обороте вокруг Земли.
При максимальном склонении Луны точка В оказывается в центре приливного горба: находящегося в точке 28,6° северной широты. Но так как Земля вращается, то двенадцатью часами позже точка В оказывается на месте точки А. Теперь она далеко от центра второго приливного горба. Поэтому вместо второй, равной по величине полной воды, наблюдается неравенство величин приливов.
Таким образом, находясь над экватором или вблизи от него, Луна создает два раза в сутки одинаковые полные воды. По мере того, как Луна отклоняется к северу или к югу от экватора, неравенство между ними проявляется все больше. Это приводит, в конце концов, к полному исключению второй полной воды. Период приливов при этом превращается в суточный, а изменение уровня становится неравномерным за счет появления стояний уровня, зависящих, как и суточные неравенства, от изменений склонения Луны.Так образуются суточные приливы. Как не трудно догадаться, для таких приливов характерна одна полная и одна малая вода в течение суток.
Приливы, возникающие в момент прохождения Луны через экватор, получили название «равноденственные приливы». Такие приливы имеют полусуточный характер. Приливы, возникающие в момент максимального склонения Луны, не важно, к северу или югу от экватора, получили название «тропические приливы».
Приливы, в которых проявляются признаки как полусуточных, так и суточных приливов получили название «смешанных» или «неправильных» приливов. Приливы могут быть неправильные суточные, неправильные полусуточные или аномальные. Для мореплавателя важно понимать, что характер изменения высоты вод для смешанных приливов представляет собой, в общем случае, неправильную кривую. Поэтому расчет высоты воды на заданное время для таких приливов необходимо выполнять только с использованием специальных графиков или таблиц.
Неправильные полусуточные приливы весьма распространены в Индийском и Тихом океанах. Типичный пример — устье реки Фрейзер на тихоокеанском побережье Канады. Неправильные суточные приливы чаще всего встречаются в бассейне Тихого океана. Например, в устье реки Бангкок в Таиланде. Суточные приливы встречаются редко, главным образом в морях Тихого океана (у побережья Китая, в некоторых местах у Аляски и Филиппин, у острова Хон-До во Вьетнаме), а также в Мексиканском заливе в порту Пенсакола во Флориде. Примером аномальных приливов могут служить приливы в Котабару (о. Калимантан) и Эйре (южное побережье Австралии), у мыса Кларка в заливе Креста на Беринговом море.
Кроме астрономических факторов, на характер приливов существенное влияние оказывают так называемые физико-географические факторы, такие как мелководье, конфигурация береговой черты, наличие проливов и островов и т.п.
Характерным примером мелководных приливов является прилив в отдельных районах Белого моря и в Северном море. Неравномерности в изменениях уровня беломорские жители называют “манихой” (порт Кемь на Белом море). Также это явление характерно для портов Вильгельмсхафен (Северное море, ФРГ) и Шанхай (Восточно-Китайское море, Китая). К аномальным мелководным приливам относят такое редкое явление как двойной полусуточный прилив, когда под влиянием малых глубин в течение суток наблюдается четыре полных и четыре малых воды. В частности, такое явление можно наблюдать в районе устья реки Зимняя Золотница на Белом море, в портах Портленд и Саутгемптон, в проливе Ла-Манш.
К аномальным приливам относится и сравнительно редкое явление, известное в Англии под названием “бор”, во Франции — “маскарэ”, в Бразилии — “поророка”, у индейцев Амазонии — “амазуну” (гремящая вода), в Китае — “чау-дау” (большой прилив). Бор образуются в тех случаях, когда прилив достигает эстуария, или устья, реки. Здесь, на мелководье, стиснутые с обеих сторон сужающимися берегами воды прилива поднимаются необычно высоко и значительно ускоряют свое движение. Иногда песчаная отмель или естественная преграда у входа в устье задерживает воду, что приводит к ее накоплению, а затем внезапному обрушиванию в виде водопада. Вследствие тормозящего действия на приливную волну трения о дно, потока воды, выносимого рекой, и сужения устья сильно сокращается время роста, и передний уже достаточно крутой склон входящей в реку приливной волны становится почти отвесным и распространяется вверх по течению сплошной вертикальной стеной с грохотом, слышным на много километров вокруг.
Бор (от древнескандинавского «bara», означающего «волна») можно наблюдать в устье реки Амазонка, в воронкообразном устье реки Фучуньцзян, впадающей в залив Ханчжоувань (Восточно-Китайское море) в Китае. В Бенгалии (Индия) в устье рек Ганга, Брахмапутры и Мегхны, на реках Франции, на реках Северн и Трент в Англии, в заливе Кука на Аляске, на реке Птикодьяк в Канаде, впадающей в северную часть залива Фанди.
В устье реки Сент-Джон, также впадающей в залив Фанди, наблюдается интереснейшее явление — реверсивные Водопады. При малой воде в заливе река низвергается в море через порог шириной 150 м.
Когда прилив поднимается до уровня порога, воды залива и реки успокаиваются, и наступает время затишья. А затем, когда прилив набирает полную высоту, вода начинает низвергаться в обратную сторону, перекатываясь в обратную сторону, перекатываясь через скалистую преграду; таким образом, водопад, обычно вливающийся в море, теперь низвергает свои воды вверх по течению реки. Эта картина повторяется дважды в сутки:
Какое название носят приливы имеющие одну полную и одну малую воду в течение суток
Понятие о приливах и терминология
Периодические колебания уровня воды Мирового океана, происходящие под влиянием силы притяжения Луны и Солнца, называются приливами и отливами.
Приливообразующая сила Луны в 2,17 раза больше, чем Солнца, поэтому Луна является основным фактором для приливов и отливов.
Это явление было известно еще в глубокой древности, но правильное объяснение причин данного явления впервые было дано Ньютоном, открывшим закон всемирного тяготения.
Сила притяжения каждой точки Земли массой Луны всегда направлена по линии, соединяющей данную точку Земли с центром Луны. Таким образом, две силы — сила притяжения массой Луны и центробежная сила от вращения системы «Луна — Земля» — одновременно действуют на каждую точку Земли. Одна из них направлена от Луны, другая — к Луне. Эти две силы, каждая в отдельности, не уравновешивают друг друга. Разность между ними и образует приливообразую-щую силу Луны на данную точку Земли.
Колебания уровня воды в морях и океанах достигают больших величин. Например, в проливе Бристоль колебания уровней достигают 13 м, а в заливе Фунди на западном берегу Атлантического океана — 16,2 м. Приливы и отливы оказывают большое влияние на развитие судоходства и безопасность плавания.
При плавании вблизи берегов необходимо знать величину прилива в данном месте. Сведения о приливах опубликованы в специальных навигационных пособиях. Судоводители обязаны хорошо представлять природу явления и знать терминологию приливов, чтобы, пользуясь пособиями, использовать даваемые ими сведения для решения различных навигационных задач.
Характер приливов. Колебания уровня воды в морях и океанах очень сложны по своей структуре, а поэтому предсказание и расчет величины и времени их наступления в данном месте являются весьма сложной задачей. Для облегчения вычисления характеристик приливов они сгруппированы и классифицированы. В соответствии с этим в навигационных пособиях принято следующее подразделение приливов.
Полусуточные приливы — характеризуются тем, что в каждые сутки бывают две полные и две малые воды, вследствие чего период явления составляет половину лунных суток — в среднем 12 ч 25 мин. Высоты следующих друг за другом полных и малых вод почти одинаковы. Подъем и падение уровня протекают правильно и выражаются синусоидальной кривой. Приливы с большими величинами наблюдаются в дни полнолуния и новолуния (сизигийные приливы).
Хорошо выраженные полусуточные приливы наблюдаются вдоль Мурманского берега Баренцева моря, на большей части Белого моря и в пределах почти всего Атлантического океана.
Суточные приливы — характеризуются одной полной и одной малой водой, вследствие чего период явления равен суткам. Величина прилива увеличивается и уменьшается в зависимости от изменения склонения Луны. Во время прохождения Луны через экватор при суточных приливах могут наблюдаться стояния уровня. Подъем и падение уровня графически выражаются синусоидальной кривой. При малых склонениях Луны величины приливов малы (экваториальные приливы), а при достижении максимальных значений склонения Луны — наибольшие (тропические приливы).
Суточные приливы наблюдаются главным образом в Тихом океане и встречаются редко.
Смешанные приливы по своему характеру сложны и разнообразны. На протяжении месяца период приливных колебаний уровня меняется с полусуточного на суточный, и наоборот. Смешанные приливы подразделяются на две группы: неправильные полусуточные и неправильные суточные. Неправильные полусуточные приливы по своему характеру близки к полусуточным приливам и в них существует разница между временем роста и временем падения уровня. В неправильных суточных приливах преобладают особенности характера суточных приливов, и основные элементы этих приливов меняются в зависимости от изменения склонения Луны. Неправильные суточные приливы чаще всего встречаются в водах Тихого океана.
Аномальные приливы отличаются по отдельным признакам от перечисленных выше основных видов приливов.Такие приливы усложняются влиянием мелководья (так называемые «мелководные приливы»), у которых нарушается симметрия в подъеме и спаде уровня. Иногда в условиях мелководья полусуточные приливы становятся четверть-суточными с четырьмя полными и четырьмя малыми водами (двойные полусуточные). Такие приливы наблюдаются в некоторых портах пролива Ла-Манш и в Белом море. Кроме таких приливов, встречаются и другие разновидности, но наблюдаются они редко.
Термины и условные обозначения. При решении задач приняты следующие основные термины и обозначения:
ПВ — полная вода (высший уровень)
ВПВ — высокая полная вода
НПВ — низкая полная вода
НМВ — низкая малая вода
В — величина прилива
h — поправка глубины
Гл — глубина действительная
Глк — глубина, указанная на карте
Z0 — средний приливной уровень
hпв — высота полной воды
hMB — высота малой воды
h3 — заданный уровень прилива
Δh — поправка высоты уровня воды
ΔhПВ — поправка высоты полной воды
Δhмв — поправка высоты малой воды
Тгр — гринвичское время
Тр — продолжительность роста
Тп — продолжительность падения
ΔТП — промежуток времени
ΔТПВ — промежуток времени отполной воды
ΔТМВ — промежуток времени отмалой воды
tпв — момент полной воды
tмв — момент малой воды
Δtпв — поправка времени ПВ
Δtмв — поправка времени
MBТл — лунный промежуток
ПЧ — прикладной час
ΔПЧ — поправка прикладного часа
Полная вода (ПВ) — это наивысший уровень воды при приливе. Малая вода (MB) — наинизший уровень воды при отливе. Величина прилива (В) — это разность между высотами уровней смежных полной и малой воды
Продолжительность роста Tv — это промежуток времени от момента малой воды до момента полной воды
Продолжительность падения Ти — промежуток времени от момента полной воды до последующего момента малой воды
Состояние уровня — явление покоя уровней вблизи полней или малой воды. Средний уровень Z0 — это полусумма высот полной и малой воды
Промежуток от ближайшей полной или малой воды ΔТПВ; ΔТМВ — это промежуток времени от заданного момента до ближайшей полной или малой воды.
Сизигийные приливы — это те приливы, которые наблюдаются в дни сизигий, т. е. в дни новолуния и полнолуния. Сизигийный прилив дает наибольшую высоту уровня hПВ — max, а отлив имеет наименьшую высоту уровня hMB — min. Сизигийные приливы к отливы бывают 2 раза в течение лунного месяца.
Квадратурные приливы — это приливы, которые наблюдаются в дни астрономических квадратур, т. е. в дни первой и последней четвертей Луны. В дни квадратур hПВ — min, a hMB — max. Величина прилива в квадратуре наименьшая.
Величины приливов в течение месяца постепенно меняются: 2 раза в месяц наблюдаются приливы с большими величинами и 2 раза — с малыми. Эти изменения называются полумесячными неравенствами в высотах и величинах приливов. При больших склонениях Луны приливы называются тропическими, а при прохождении Луны через экватор — экваториальными. Месячные неравенства приливов проявляются в зависимости от расстояния между Землей и Луной. В перигее наблюдаются наибольшие, а в апогее наименьшие приливы.
Лунный промежуток (Тл) — это промежуток времени между моментами кульминации Луны на данном меридиане и наступлением ближайшей за этой кульминацией полной воды.
Прикладной час порта (ПЧ) — средний из лунных промежутков в дни сизигий, выведенный из значительного числа наблюдений.
Приливные уровни. Высоты уровней отсчитываются от нуля глубин. На морских навигационных картах все глубины даны для этого уровня — нуля глубин.
Для советских карт нуль глубин — это наинизший уровень из малых сизигийных вод, наблюдаемый за ряд лет. Для судоводителя всегда необходимо знать истинную глубину в заданный момент. Возвышение уровня над нулем глубин называется поправкой глубины (h). Тогда действительная глубина
Приливные уровни подразделяются на главные и навигационные (рис. 130).
Рис. 130. Приливные уровни
К главным уровням относятся: действующий уровень — уровень, наблюдаемый в данный момент; нуль глубин (самая малая сизигийная вода).
К навигационным уровням относятся: средняя малая сизигийная вода; средняя малая квадратурная вода; средний уровень; средняя полная квадратурная вода; средняя полная сизигийная вода.
При плавании вблизи берегов, в особенности при подходе к берегу, входе в порт, плавании в узкостях, по фарватеру и в устьях рек и т. д., все время приходится учитывать изменения глубин, связанные с при-ливно-отливными явлениями. Сведения о глубинах судоводитель должен иметь заранее до подхода к данному району и поэтому он должен уметь предвычислять элементы прилива.
Приливы и отливы в морях и во Вселенной
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 одной из предыдущих лекций, простой ньютонов закон тяготения F = G∙M∙m/R² 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 интересный остров, 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 спокойно идёте к своему столу, но вдруг суп начинает из тарелки выпрыгивать. 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.