Прилив и отлив

Приливы и отливы — это периодические поднятия и опускания уровня воды в Мировом океане, вызываемые притяжением Луны и Солнца.

Дважды в сутки в морях и океанах происхо­дит подъем и спад воды. Это явление морских приливов и отливов. Уже в древности наблюдатели заметили, что прилив наступает че­рез некоторое время после кульминации Луны в месте наблю­дения. Более того, приливы наиболее сильны в дни ново- и полнолуний, когда центры Луны и Солнца располагаются при­мерно на одной прямой.

Учитывая это, И. Ньютон объяснил приливы действием тя­готения со стороны Луны и Солнца, а именно тем, что раз­ные части Земли притягиваются Луной по-разному.

Земля вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем Луна обращается во­круг Земли. В результате приливный горб (взаимное располо­жение 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 санти­метров, в открытом океане же достигает около одного метра. В бла­гоприятно расположенных узких заливах высота прилива возраста­ет ещё в несколько раз.

Трение воды о дно, а также де­формации твёрдой оболочки Земли сопровождаются выделением теп­ла, что приводит к рассеянию энергии системы Земля — Луна. Поскольку приливный горб отно­сится 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 бы­ли намного выше, а сутки — короче. Следует отметить, что при умень­шении расстояния до Луны в 2 раза высота прилива возрас­тает в 8 раз. В настоящее время сутки увеличиваются на 0,00017 с в год. Так что примерно через 1,5 млрд лет их дли­на увеличится до 40 современных суток. Такой же длины будет и месяц. В результате Земля и Луна будут всегда обра­щены друг к другу одной и той же стороной. После этого Лу­на начнёт постепенно приближаться к Земле и ещё через 2-3 млрд лет будет разорвана приливными силами (если, ко­нечно, к тому времени Солнечная система ещё будет сущест­вовать).

Влияние Луны на прилив

Рассмот­рим, следуя Ньютону, более подробно приливы, вызываемые притяжением Луны, так как воздействие Солнца существен­но (в 2,2 раза) меньше.

Запишем выражения для ускорений, вызываемых притя­жением Луны для разных точек Земли, учитывая, что для всех тел в данной точке пространства эти ускорения одинако­вы. 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 / R²,

где a_A, a_O, a_B — ускорения, вызванные притяжением Луны в точках A, O, B (рис. 37); М — масса Луны; r — радиус Зем­ли; R — расстояние между центрами Земли и Луны (для рас­чётов его можно принять равным 60r); G — гравитационная постоянная.

Но мы живём на Земле и все наблюдения проводим в си­стеме 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_☾ / R², a’_B = -GM_☾ / (R + r)² + GM / R².

Выполним действия в скобках и учтём, что r мало по срав­нению с R и в суммах и разностях им можно пренебречь. Тогда

a’_A = -GM / (R — r)² + GM_☾ / R² = GM_☾(-2Rr + r²) / R²(R — r)² = -2GM_☾r / R³.

Ускорения a’_A и a’_B одинаковы по модулю, противополож­ны по направлению, каждое направлено от центра Земли. Они называются приливными ускорениями. В точках C и D при­ливные ускорения, меньшие по модулю и направлены к цен­тру Земли.

Приливными ускорениями называются ускорения, возни­кающие 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 сообщающих­ся сосудов) в этих точках, вода должна подняться, образуя так называемый приливный горб. Подсчёт показывает, что подъем воды или прилив в открытом океане составляет око­ло 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 неда­леко от воды натянуты рыболовные сети. Причём сети эти по­ставлены 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 запу­тавшаяся рыба. Рыбаки, обойдя сети, сняли улов. Материал с сайта http://wiki-what.com

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 горизон­та 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 толь­ко 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 рек, повышая уровень воды в них на несколько метров. Например, у Лондона в устье реки Темзы высота прилива — 5 м.

Приливы и отливы таят в себе титаническую силу, которая пока ещё используется очень мало. С середины 20 века во всём мире сооружаются приливные электростанции (ПЭС).

Приливы имеют большое значение для судоходства, так как в это время морские суда могут заходить на десятки кило­метров вверх по реке и становиться на выгрузку в доки. Чтобы знать точно время приливов и отливов, для больших гаваней составляют особые таблицы. По ним капитаны кораблей могут определить высоту прилива и время его наступления в любом районе земного шара.