ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ
периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива - малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня - стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря - условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже - во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) - осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку. Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды - приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана (см. также ОКЕАН). В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, "застаивается". Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.
Объяснение происхождения приливообразующих сил.
Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно большую роль, чем массы тел. Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и "приподнимает" все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли приблизительно в 89 раз больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес. Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30-60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов. За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной - обратной. Первая из них всего на 5% выше второй. Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
Неравенства величин прилива.
Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.
Полусуточный эффект.
Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе - вращению Земли вокруг своей оси - образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, - против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.
Полумесячное неравенство.
Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 143/4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными. Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы - не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.
Лунное параллактическое неравенство.
Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 271/2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 11/2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.
Суточное неравенство.
Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения - вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками. Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.
Полугодовое неравенство.
Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0°. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0°. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.
Солнечное параллактическое неравенство.
Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.
Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.
Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов. Футшток - это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.
Поплавковый футшток.
Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.
Гидростатический самописец уровня моря.
На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.
Таблицы приливов.
При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой. Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.
Приливы на реках и течения.
Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются большими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.
Бор.
Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60-90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р.Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу. См. также БОР. Реверсивный водопад (меняющий направление на противоположное) - это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример - водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного - 3,7 м.
Наибольшие амплитуды приливов.
Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.
Ветер и погода.
Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается. За счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм рт. ст., уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами).
Использование энергии приливов.
Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. В настоящее время крупные приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове и в Приморье, во Франции в эстуарии р.Ранс, в Китае близ Шанхая, а также в других районах земного шара.
ЛИТЕРАТУРА
Шулейкин В.В. Физика моря. М., 1968 Гарвей Дж. Атмосфера и океан. М., 1982 Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М., 1982
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Мировой океан живет по своим правилам, которые гармонично сочетаются с законами мироздания. Уже давно люди заметили, что активно передвигаются, но никак не могли понять, с чем связаны эти колебания уровня моря. Давайте выясним, что такое прилив, отлив?
Приливы и отливы: загадки океана
Моряки отлично знали, что приливы и отливы - явление ежедневное. Но вот природу этих изменений понять не могли ни простые жители, ни ученые умы. Еще в пятом веке до нашей эры философы пытались описать и охарактеризовать, как движется Мировой океан. представлялись чем-то фантастическим и необыкновенным. Даже авторитетные ученые считали приливы дыханием планеты. Эта версия существовала на протяжении нескольких тысячелетий. Только в конце семнадцатого века значение слова "прилив" связали с движением Луны. Но объяснить этот процесс с научной точки зрения так и не удалось. Спустя сотни лет ученые разобрались с этой загадкой и дали точное определение ежедневному изменению уровня воды. Появившаяся в двадцатом веке наука океанология установила, что прилив - это поднятие и опускание уровня вод Мирового океана в связи с гравитационным воздействием Луны.
Везде ли приливы одинаковы?
Влияние Луны на земную кору неодинаково, поэтому нельзя сказать, что по всему миру приливы идентичны. В некоторых уголках планеты ежедневные перепады уровня моря доходят до шестнадцати метров. А жители побережья Черного моря практически вообще не замечают приливов и отливов, так как они являются самыми незначительными в мире.
Обычно изменение происходит дважды в сутки - утром и вечером. Но вот в Южно-Китайском море прилив - это движение водных масс, которое происходит всего лишь один раз за двадцать четыре часа. Более всего перепады уровня моря заметны в проливах или других узких местах. Если понаблюдать, то невооруженным взглядом будет заметно, насколько быстро уходит или приходит вода. Иногда за несколько минут она поднимается на пять метров.
Как мы уже выяснили, изменение уровня моря вызвано воздействием на земную кору ее неизменного спутника Луны. Но как происходит этот процесс? Чтобы понять, что такое прилив, необходимо в подробностях представлять взаимодействие всех планет в Солнечной системе.
Луна и Земля находятся в постоянной зависимости друг от друга. Земля притягивает свой спутник, а тот, в свою очередь, стремится притянуть нашу планету. Это бесконечное соперничество позволяет сохранять между двумя космическими телами нужное расстояние. Луна и Земля движутся по своим орбитам, то отдаляясь, то приближаясь друг к другу.
В тот момент, когда Луна подходит к нашей планете ближе, земная кора выгибается ей навстречу. Это вызывает волнение воды на поверхности земной коры, она будто стремится подняться выше. Отдаление земного спутника вызывает спад уровня Мирового океана.
Интервал приливов и отливов на Земле
Так как прилив - это регулярное явление, то у него должен быть свой определенный интервал движения. Океанологи сумели вычислить точное время лунных суток. Этим термином принято называть оборот Луны вокруг нашей планеты, он чуть длиннее привычных для нас двадцати четырех часов. Каждый день приливы и отливы сдвигаются на пятьдесят минут. Этот временной промежуток необходим волне, чтобы "догнать" Луну, перемещающуюся за земные сутки на тринадцать градусов.
Влияние океанских приливов на реки
Что такое прилив, мы уже выяснили, но мало кто знает о влиянии этих океанских колебаний на нашу планету. Удивительно, но даже реки подвержены влиянию океанских приливов, и порой результат этого вмешательства бывает невероятно пугающим.
Во время обильных приливов волна, зашедшая в устье реки, встречается с потоком пресной воды. В результате смешения водных масс различной плотности образуется мощный вал, который с огромной скоростью начинает продвигаться против течения реки. Этот поток называют бором, и он способен разрушить на своем пути практически все живое. Подобное явление за несколько минут смывает прибрежные поселения и размывает береговую линию. Бор останавливается так же внезапно, как и начался.
Ученые фиксировали случаи, когда мощный бор поворачивал реки вспять или полностью останавливал их. Нетрудно представить, насколько катастрофичны для всех обитателей реки стали эти феноменальные случаи действия приливов.
Как приливы влияют на морских обитателей?
Не удивительно, что приливы оказывают огромное влияние на все организмы, которые живут в глубинах океана. Труднее всего приходится мелким животным, обитающим в прибрежных зонах. Они вынуждены постоянно приспосабливаться к изменению уровня воды. Для многих из них приливы - это способ поменять место обитания. Во время приливов мелкие рачки перебираются ближе к берегу и находят для себя корм, отливная волна утягивает их глубже в океан.
Океанологи доказали, что многие морские обитатели тесно связаны с приливными волнами. К примеру, у некоторых видов китов во время отливов замедляется обмен веществ. У других глубоководных жителей репродуктивная активность зависит от высоты волны и ее амплитуды.
Большинство ученых считает, что исчезновение таких явлений, как колебания уровня Мирового океана, приведет к вымиранию многих живых существ. Ведь в этом случае они лишатся источника питания и не смогут подстраивать свои биологические часы под определенный ритм.
Скорость вращения Земли: велико ли влияние приливов?
Уже долгие десятилетия ученые изучают все, что связано с термином "прилив". Это тот процесс, который с каждым годом приносит все больше загадок. Многие специалисты связывают скорость вращения Земли с действием приливных волн. Согласно этой теории, под влиянием приливов формируются На своем пути они постоянно преодолевают сопротивления земной коры. В итоге практически незаметно для человека скорость вращения планеты замедляется.
Изучая морские кораллы, океанологи выяснили, что несколько миллиардов лет назад земные сутки составляли двадцать два часа. В дальнейшем вращение Земли будет замедляться еще сильнее, и в какой-то момент просто сравняется с амплитудой лунных суток. В этом случае, как прогнозируют ученые, приливы и отливы просто исчезнут.
Жизнедеятельность человека и амплитуда колебаний Мирового океана
Не удивительно, что действию приливов подвержен и человек. Ведь он на 80% состоит из жидкости и не может не откликаться на влияние Луны. Но человек не был бы венцом творения природы, если бы не научился использовать с выгодой для себя практически все природные явления.
Энергия приливной волны невероятно велика, поэтому уже много лет создаются различные проекты по строительству электростанций в районах с большой амплитудой движения водных масс. В России таких электростанций уже несколько. Первая была построена в Белом море и являлась экспериментальным вариантом. Мощность этой станции не превышала восьмиста киловатт. Сейчас эта цифра кажется смешной, и новые электростанции, использующие приливную волну, вырабатывают энергию, питающую многие города.
Ученые видят именно в этих проектах будущее российской энергетики, ведь позволяют бережнее относиться к природе и сотрудничать с ней.
Приливы и отливы - это природные явления, которые не так давно были совсем не изученными. Каждое новое открытие океанологов приводит к еще большим вопросам в этой области. Но возможно, когда-нибудь ученые сумеют разгадать все тайны, которые каждый день преподносит человечеству океанский прилив.
Луна движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть против часовой стрелки, если смотреть на орбиту Луны со стороны Северного полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равна среднему расстоянию между центрами Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Вследствие эллиптичности орбиты расстояние до Луны колеблется между 356400 и 406800км. Период обращения Луны вокруг Земли, так называемый звездный месяц подвержен небольшим колебаниям от 27,32166 до 29,53 суток, но и очень малому вековому сокращению. Луна светится только светом, отраженным от Солнца, поэтому одна ее половина, обращенная к Солнцу освещена, а другая погружена во мрак. Какая часть освещенной половины Луны видна нам в данный момент, зависит от положения Луны на ее орбите вокруг Земли. По мере движения Луны по орбите ее форма, постепенно, но непрерывно меняется. Различные видимые формы Луны называются ее фазами.
Приливы и отливы знакомы каждому серферу. Дважды в день уровень океанских вод поднимается и снижается, причем кое-где на весьма значительную величину. Каждый день прилив наступает на 50 минут позднее, чем в предыдущий.
Луна удерживается на своей орбите вокруг Земли по той причине, что между двумя этими небесными телами существуют силы тяготения, притягивающие их друг к другу. Земля все время стремится притянуть к себе Луну, а Луна притягивает к себе Землю. Поскольку океаны представляют собой большие массы жидкости и могут течь, они легко деформируются под влиянием сил притяжения Луны, принимая форму лимона. Шар из твердых горных пород, которым является Земля, остается в середине. В результате на той стороне Земли, что обращена к Луне, возникает водяная выпуклость и другая такая же выпуклость — с противоположной стороны.
Поскольку твердая Земля вращается вокруг своей оси, на берегах океана возникают приливы и отливы, это происходит дважды в течение каждых 24 часов 50 минут, когда берега океанов проходят через водяные бугры. Длина периода больше 24 часов из-за того, что и сама Луна тоже движется по своей орбите.
Из-за океанских приливов и отливов между поверхностью Земли и водами океанов возникает сила трения, замедляющая скорость вращения Земли вокруг своей оси. Наши сутки постепенно становятся все длиннее и длиннее, каждое столетие продолжительность суток увеличивается примерно на две тысячных секунды. Свидетельством этого могут служить некоторые виды кораллов, которые растут таким образом, что каждый день оставляет в теле коралла четкий рубец. Прирост меняется в течение года, так что каждому году соответствует своя полоска, вроде годового кольца на срезе дерева. Изучая ископаемые кораллы, возраст которых насчитывает 400 млн. лет, океанологи обнаружили, что в то время год состоял из 400 суток продолжительностью 22 часа. Окаменевшие остатки еще более древних форм жизни свидетельствуют о том, что около 2 млрд. лет назад сутки длились всего 10 часов. В отдаленном будущем продолжительность суток будет равна нашему месяцу. Луна будет все время стоять на одном и том же месте, поскольку скорость вращения Земли вокруг оси будет в точности совпадать со скоростью движения Луны по орбите. Уже и теперь благодаря приливным силам между Землей и Луной Луна постоянно обращена к Земле одной и той же стороной, если не считать небольших колебаний. Кроме того, скорость движения Луны по своей орбите постоянно возрастает. В результате Луна постепенно удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год.
Земля отбрасывает в пространстве длинную тень, загораживая свет Солнца. Когда Луна попадает в тень Земли, происходит лунное затмение. Если во время лунного затмения находиться на Луне, то можно было бы увидеть, что Земля проходит перед Солнцем, закрывая его. Нередко при этом Луна остается слабо видимой, светясь тусклым красноватым светом. Хотя она и находится в тени, Луна освещается небольшим количеством красного солнечного света, который преломляется земной атмосферой в направлении Луны. Полное лунное затмение может продолжаться до 1 часа 44 минут. В отличие от солнечных, лунные затмения можно наблюдать с любого места на Земле, где Луна находится над горизонтом. Хотя Луна проходит по всей своей орбите вокруг Земли раз в месяц, затмения не могут происходить ежемесячно из-за того, что плоскость орбиты Луны наклонена относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Самое большее, за год может произойти семь затмений, из которых два или три, должны быть лунными. Солнечные затмения происходят только в новолуние, когда Луна находится в точности между Землей и Солнцем. Лунные же затмения всегда бывают в полнолуние, когда Земля находится между Луной и Солнцем.
Прежде чем ученые увидели лунные камни, у них имелись три теории происхождения Луны, но не было возможности доказать правильность какой-либо из них. Одни считали, что новообразованная Земля вращалась настолько быстро, что сбросила с себя часть вещества, ставшего затем Луной. Другие предполагали, что Луна прилетела из глубин космоса и была захвачена силой земного тяготения. Третья теория состояла в том, что Земля и Луна образовались независимо, почти одновременно и примерно на одинаковом расстоянии от Солнца. Различия в химическом составе Земли и Луны указывают на то, что эти небесные тела вряд ли когда-либо составляли одно целое.
Не так давно возникла четвертая теория, которая и принята сейчас как наиболее правдоподобная. Эта гипотеза гигантского столкновения. Основная идея состоит в том, что, когда планеты, которые мы видим теперь, только еще формировались, некое небесное тело величиной с Марс с огромной силой врезалось в молодую Землю под скользящим углом. При этом более легкие вещества наружных слоев Земли должны были бы оторваться от нее и разлететься в пространстве, образовав вокруг Земли кольцо из обломков, в то время как ядро Земли, состоящее из железа, сохранилось бы в целости. В конце концов, это кольцо из обломков слиплось, образовав Луну.
Изучая радиоактивные вещества, содержащиеся в лунных породах, ученые сумели вычислить возраст Луны. Камни на Луне стали твердыми около 4,4 млрд. лет назад. Луна сформировалась, по-видимому, незадолго до этого; ее наиболее вероятный возраст — около 4,65 млрд. лет. Это согласуется с возрастом метеоритов, а также с оценками возраста Солнца.
Наиболее древние камни на Луне находятся в горных районах. Возраст пород, взятых из морей застывшей лавы, значительно меньше. Когда Луна была совсем молодой, ее наружный слой был жидким из-за очень высокой температуры. По мере того как Луна остывала, формировался ее наружный покров, или кора, части которой находятся теперь в горных районах. В последующие полмиллиарда лет лунная кора подвергалась беспрерывной бомбардировке астероидами, то есть маленькими планетами, и гигантскими камнями, возникшими при формировании Солнечной системы. После самых сильных ударов на поверхности оставались громадные вмятины
В промежутках между 4,2 и 3,1 млрд. лет тому назад лава вытекала через отверстия в коре, затопляя круговые бассейны, оставшиеся на поверхности после ударов колоссальной силы. Лава, затопляя обширные плоские территории, создавала лунные моря, в наше время представляющие собой затвердевшие океаны породы.
Происхо-дит подъем и спад воды. Это явление морских приливов и отливов. Уже в древности наблюдатели заметили, что прилив наступает че-рез некоторое время после кульминации Луны в месте наблю-дения. Более того, приливы наиболее сильны в дни ново- и полнолуний, когда центры Луны и Солнца располагаются при-мерно на одной прямой.
Учитывая это, И. Ньютон объяснил приливы действием тя-готения со стороны Луны и Солнца, а именно тем, что раз-ные части Земли притягиваются Луной по-разному.
Земля вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем Луна обращается во-круг Земли. В результате приливный горб (взаимное располо-жение Земли и Луны показано на рисунке 38) движется, по Земле бежит приливная волна, возникают приливные течения . При приближении к берегу высота волны увеличивается, поскольку поднимается дно . Во внутренних морях высота приливной волны бывает всего нескольких санти-метров, в открытом океане же достигает около одного метра. В бла-гоприятно расположенных узких заливах высота прилива возраста-ет ещё в несколько раз.
Трение воды о дно, а также де-формации твёрдой оболочки Земли сопровождаются выделением теп-ла, что приводит к рассеянию энергии системы Земля — Луна. Поскольку приливный горб отно-сится к востоку, максимальный прилив происходит после кульминации Луны, притяжение горба вызывает ускорение Луны и замедление вращения Земли. Луна постепенно отодвигается от Земли. Действительно, геологические данные показывают, что в юрском периоде (190-130 млн лет назад) приливы бы-ли намного выше, а сутки — короче. Следует отметить, что при умень-шении расстояния до Луны в 2 раза высота прилива возрас-тает в 8 раз. В настоящее время сутки увеличиваются на 0,00017 с в год . Так что примерно через 1,5 млрд лет их дли-на увеличится до 40 современных суток. Такой же длины будет и месяц. В результате Земля и Луна будут всегда обра-щены друг к другу одной и той же стороной. После этого Лу-на начнёт постепенно приближаться к Земле и ещё через 2-3 млрд лет будет разорвана приливными силами (если, ко-нечно, к тому времени Солнечная система ещё будет сущест-вовать).
Влияние Луны на прилив
Рассмот-рим, следуя Ньютону, более подробно приливы, вызываемые притяжением Луны, так как воздействие Солнца существен-но (в 2,2 раза) меньше.
Запишем выражения для ускорений, вызываемых притя-жением Луны для разных точек Земли, учитывая, что для всех тел в данной точке пространства эти ускорения одинако-вы. В инерциальной системе отсчёта, связанной с центром масс системы, значения ускорений будут:
A A = -GM / (R — r) 2 , a B = GM / (R + r) 2 , a O = -GM / R 2 ,
где a A , a O , a B — ускорения, вызванные притяжением Луны в точках A , O , B (рис. 37); М — масса Луны; r — радиус Зем-ли; R — расстояние между центрами Земли и Луны (для рас-чётов его можно принять равным 60r ); G — гравитационная постоянная.
Но мы живём на Земле и все наблюдения проводим в си-стеме отсчёта, связанной с центром Земли, а не с центром масс Земля — Луна. Чтобы перейти в эту систему, необходимо из всех ускорений вычесть ускорение центра Земли. Тогда
A’ A = -GM ☾ / (R — r) 2 + GM ☾ / R 2 , a’ B = -GM ☾ / (R + r) 2 + GM / R 2 .
Выполним действия в скобках и учтём, что r мало по срав-нению с R и в суммах и разностях им можно пренебречь. Тогда
A’ A = -GM / (R — r) 2 + GM ☾ / R 2 = GM ☾ (-2Rr + r 2) / R 2 (R — r) 2 = -2GM ☾ r / R 3 .
Ускорения a ’ A и a ’ B одинаковы по модулю, противополож-ны по направлению, каждое направлено от центра Земли. Они называются приливными ускорениями . В точках C и D при-ливные ускорения, меньшие по модулю и направлены к цен-тру Земли.
Приливными ускорениями называются ускорения, возни-кающие в системе отсчёта, связанной с телом из-за того, что вследствие конечных размеров этого тела разные его части по-разному притягиваются возмущающим телом. В точках A и B ускорение силы тяжести оказывается меньшим, чем в точках C и D (рис. 37). Следовательно, для того чтобы давление на одинаковой глубине было одинаковым (как у сообщающих-ся сосудов) в этих точках, вода должна подняться, образуя так называемый приливный горб. Подсчёт показывает, что подъем воды или прилив в открытом океане составляет око-ло 40 см. В прибрежных водах он гораздо больше, а рекорд составляет около 18 м. Ньютоновская теория этого объяснить не может.
На побережье многих внешних морей можно увидеть любопытную картину: вдоль берега неда-леко от воды натянуты рыболовные сети. Причём сети эти по-ставлены не для сушки, а для ловли рыбы . Если остаться на берегу и понаблюдать за морем, то всё станет понятно. Вот -вода начинает прибывать, и там, где всего несколько часов назад была песчаная отмель, заплескались волны. Когда вода отступила, показались сети, в которых засверкала чешуёй запу-тавшаяся рыба. Рыбаки, обойдя сети, сняли улов. Материал с сайта
Вот как описывает наступление прилива очевидец: «Мы добрались до моря — сказал мне попутчик. Я в недоумении глядел кругом. Передо мной действительно был берег: следу ряби, полузасыпанный остов тюленя , редкие куски плавника, обломки ракушек. А дальше простиралось ровное пространство... и никакого моря. Но часа через три неподвижная линия горизон-та задышала, заволновалась. И вот уже за ней заискрилась морская зыбь. Вал прилива катился неудержимо вперёд по серой поверхности. Перегоняя друг друга, волны набегали на берег. Одна за другой потонули дальние скалы — и кругом видна толь-ко вода. Она бросает мне в лицо солёные брызги. Вместо мёртвой равнины передо мной живёт и дышит водная гладь».
Когда приливная волна заходит в залив, имеющий в плане воронкообразную форму, берега залива как бы сжимают её, отчего высота прилива увеличивается в несколько раз. Так, в заливе Фанди у восточного берега Северной Америки высота прилива достигает 18 м. В Европе наиболее высокие приливы (до 13,5 метров) бывают в Бретани близ города Сен-Мало.
Очень часто приливная волна заходит в устья
От чего возникают приливы?
Жители большинства городов и деревень, расположенных на берегах морей и океанов, дважды за сутки могут наблюдать одно из самых интересных явлений природы - регулярные изменения уровня воды, которые называются приливами и отливами. Подобные явления возникают из-за наличия силы притяжения между Землей, Луной и Солнцем, а так же благодаря центробежной силе, возникающей вследствие вращения Земли, а значит, и Луны, вокруг Солнца по определенной траектории. Речь в этой статье пойдёт о самых высоких приливах.
Приливы и отливы возникают дважды в сутки. Каждое такое явление длится, в среднем, около 6 часов 10 минут. Достигнув максимальной своей точки (так называемая, полная вода), уровень океана начинает постепенно снижаться, что так же занимает около 6 часов, пока не достигнет своего минимума (малая вода). Лучше всего приливы и отливы заметны при наблюдении за открытым морем, океаном или на морском побережье.
Рекордсмен по приливам - залив Фанди
В зависимости от места на планете, приливы могут возникать с разной частотой. К примеру, на побережье Центральной Америки, на островных дугах, в Восточной Азии приливы и отливы случаются всего по одному разу за сутки. А вот высота приливов гораздо более разнообразна, чем их частота, и зависит она от множества различных факторов. В открытом океане и близ островов высота приливов относительно невелика: на Гавайских островах приблизительно 1,1 метра, на островах Фиджи - 1,8 метра, около острова святой Елены – 1,1 метра. Во внутренних же морях разность уровня воды между приливом и отливом совсем невелика. В Чёрном море она составляет всего 14 см.
А вот рекордсменом по высоте приливов является залив Фанди, омывающий побережье Канады и США. Залив этот имеет достаточно крупные размеры: длина - 300 км, глубина до 215 метров, а самая широкая его часть достигает 90 км в ширину. Самый высокий прилив, зарегистрированный в заливе Фанди, достиг 18 метров, что и сейчас является мировым рекордом.
Порт Сент-Джон
Порт Сент-Джон, расположенный в заливе Фанди (бывший Французский залив), является уникальным сооружением. Многих трудов морякам стоило приспособиться к особенностям местной природы, совладать с морем. Корабли в порт могут заходить только в соответствии со строгим графиком, в определенное время суток.
Самый высокий прилив у берегов России был зарегистрирован в северной части Охотского моря, в Пенжинской губе. Высота его составляла 14 м. Такие высокие цифры были достигнуты лишь единожды, в начале прошлого века.
