Нивото на водната повърхност в моретата и океаните на нашата планета периодично се променя, варира в определени интервали. Тези периодични трептения са морски приливи.
Моделът на морските приливи и отливи
За да визуализирате модел на приливите, представете си, че стоите на полегат океански бряг, в някакъв залив, на 200-300 метра от водата. На пясъка има много различни предмети – стара котва, малко по-близо голяма купчина бял камък. Съвсем наблизо лежи железният корпус на малък кораб, който е паднал настрани. Дъното на корпуса му в носа е силно разкъсано. Очевидно веднъж този кораб, намиращ се близо до брега, се е врязал в котва. Тази катастрофа е станала по всяка вероятност по време на отлив и очевидно корабът е лежал на това място повече от една година, тъй като почти целият му корпус е успял да се покрие с кафява ръжда. Склонни сте да смятате небрежния капитан за виновник за инцидента на кораба. Очевидно котвата беше острият инструмент, в който се натъкна падналият настрани кораб. Търсите тази котва и не можете да я намерите. Къде би могъл да отиде? Тогава забелязвате, че водата вече се приближава до купчина бели камъни и тогава се досещате, че котвата, която сте видели, отдавна е наводнена от приливна вълна. Водата „стъпва“ на брега, той продължава да се издига все по-нагоре. Сега куп бели камъни се оказаха почти всички скрити под водата.Феномените на морските приливи и отливи
Феномените на морските приливи и отливихората отдавна се свързват с движението на луната, но тази връзка остава загадка до блестящия математик Исак Нютонне обясни въз основа на открития от него закон за гравитацията. Причината за тези явления е ефектът от привличането на Луната, упражнено върху водната обвивка на Земята. Все още известен Галилео Галилейсвърза приливите и отливите с въртенето на Земята и видя в това едно от най-разумните и верни доказателства за валидността на учението на Николай Коперник, (още:). Парижката академия на науките през 1738 г. обявява награда на този, който ще даде най-разумно изложение на теорията на приливите и отливите. След това получи наградата Ойлер, Маклорен, Д. Бернули и Кавалиери. Първите трима взеха закона за гравитацията на Нютон като основа на своята работа, а йезуитът Кавалиери обясни приливите и отливите на базата на хипотезата за вихровия на Декарт. Въпреки това, най-забележителната работа в тази област принадлежи на Нютон и Лаплас, а всички последващи изследвания се основават на откритията на тези велики учени.Как да обясня феномена на приливи и отливи
Като най-очевидно обяснете феномена на приливи и отливи. Ако за простота приемем, че земната повърхност е изцяло покрита с водна обвивка, и погледнем земното кълбо от един от полюсите му, тогава картината на морските приливи може да бъде представена по следния начин.лунна атракция
Тази част от повърхността на нашата планета, която е обърната към луната, е най-близо до нея; в резултат на това се подлага на по-голяма сила лунно привличанеотколкото, например, централната част на нашата планета и следователно е привлечена към Луната повече от останалата част от Земята. Поради това на страната, обърната към луната, се образува приливна гърбица. В същото време от противоположната страна на Земята, най-малко подложена на привличането на Луната, се появява същата приливна гърбица. Следователно Земята приема формата на фигура, малко удължена по правата линия, свързваща центровете на нашата планета и Луната. Така от две противоположни страни на Земята, разположени на една и съща права линия, която минава през центровете на Земята и Луната, се образуват две големи гърбици, две огромни водни издутини. В същото време от другите две страни на нашата планета, разположени под ъгъл от деветдесет градуса от горните точки на максимален прилив, настъпва най-големият отлив. Тук водата пада повече, отколкото навсякъде другаде на повърхността на земното кълбо. Линията, свързваща тези точки по време на отлив, е малко намалена и по този начин се създава впечатлението за увеличаване на удължението на Земята в посока на максималните точки на прилива. Тези точки на максимален прилив, поради лунното привличане, постоянно поддържат позицията си спрямо Луната, но тъй като Земята се върти около оста си, през деня те сякаш се движат по цялата повърхност на земното кълбо. Ето защо във всяка област през деня има два приливи и отливи.Слънчеви приливи и отливи
Слънцето, подобно на луната, произвежда приливи и отливи със силата на своето привличане. Но се намира на много по-голямо разстояние от нашата планета в сравнение с Луната, а слънчевите приливи, които се случват на Земята, са почти два пъти и половина по-малко от лунните. Ето защо слънчеви приливи, не се наблюдават отделно, а се разглежда само тяхното влияние върху величината на лунните приливи. Например, Най-високите морски приливи се случват по време на пълнолуние и новолуние., тъй като по това време Земята, Луната и Слънцето са на една права линия и нашата дневна светлина увеличава привличането на Луната със своето привличане. Напротив, когато наблюдаваме Луната в първата или последната четвърт (фаза), има най-малките морски приливи. Това се дължи на факта, че в този случай лунният прилив съвпада с слънчев прилив. Ефектът на лунното привличане се намалява от величината на привличането на Слънцето.Приливно триене
« Приливно триене, който съществува на нашата планета, от своя страна влияе върху лунната орбита, тъй като приливната вълна, причинена от лунното привличане, има обратен ефект върху Луната, създавайки тенденция за ускоряване на нейното движение. В резултат на това Луната постепенно се отдалечава от Земята, периодът й на въртене се увеличава и по всяка вероятност тя малко изостава в движението си.Големината на морските приливи и отливи
В допълнение към относителното положение в пространството на Слънцето, Земята и Луната, на морски прилививъв всяко отделно находище влияят формата на морското дъно и естеството на контурите на бреговете. Известно е също, че в затворени морета, като например в Аралско, Каспийско, Азовско и Черно море, приливи и отливи почти не се наблюдават. С трудност те могат да бъдат намерени в открития океан; тук приливите и отливите едва достигат един метър, нивото на водата се покачва много леко. Но от друга страна, в някои заливи има приливи с такава колосална величина, че водата се издига на височина над десет метра и на места залива колосални пространства.
Приливи и отливи във въздуха и твърдите черупки на Земята
Прилив и отливсъщо се появяват във въздуха и твърдите черупки на Земята. Ние почти не забелязваме тези явления в долните слоеве на атмосферата. За сравнение посочваме, че на дъното на океаните също не се наблюдават приливи. Това обстоятелство се обяснява с факта, че горните слоеве на водната обвивка участват главно в приливните процеси. Приливите и отливите във въздушната обвивка могат да бъдат открити само при много продължително наблюдение на промените в атмосферното налягане. Що се отнася до земната кора, всяка част от нея, поради приливно-отливното действие на Луната, се издига два пъти през деня и спада два пъти с около няколко дециметра. С други думи, флуктуациите на твърдата обвивка на нашата планета са приблизително три пъти по-малки по величина от колебанията в нивото на повърхността на океаните. Така нашата планета през цялото време, като че ли, диша, поема дълбоки вдишвания и издишвания, а външната й обвивка, като гърдите на голям герой-чудо, или се издига, или спада малко. Тези процеси, протичащи в твърдата обвивка на Земята, могат да бъдат открити само с помощта на инструменти, използвани за регистриране на земетресения. трябва да бъде отбелязано че приливи и отливи се случват на други световни телаи оказват огромно влияние върху тяхното развитие. Ако Луната беше неподвижна спрямо Земята, то при липса на други фактори, влияещи на забавянето на приливната вълна, на всяко място по земното кълбо на всеки 6 часа ще има два приливи и отливи на ден. Но тъй като Луната непрекъснато се върти около Земята и освен това в същата посока, в която нашата планета също се върти около оста си, се получава известно забавяне: Земята успява да се обърне към Луната с всяка от своите части не в рамките на един ден , но приблизително в 24 часа и 50 минути. Следователно във всяко населено място приливът не трае точно 6 часа, а около 6 часа и 12,5 минути.Прилив и отлив се редуват
Освен това трябва да се отбележи, че правилният приливи и отливисе нарушава в зависимост от естеството на разположението на континентите на нашата планета и непрекъснатото триене на водата върху повърхността на Земята. Тези нередности в редуването понякога достигат няколко часа. Така най-високата вода не е в момента на кулминацията на Луната, както следва от теорията, а няколко часа по-късно от преминаването на Луната през меридиана; това забавяне се нарича час на приложение на пристанището и понякога достига 12 часа. Широко разпространено е било вярването, че морските приливи са свързани с морските течения. Сега всички знаят, че това са явления от различен порядък. Приливът е вид вълново движение, подобно на това, което възниква поради вятъра. Плаващ обект, когато дойде приливна вълна, се трепти, както при вълна, произлизаща от вятъра - напред и назад, надолу и нагоре, но не се отнася от него, като течение. Периодът на приливната вълна е около 12 часа и 25 минути, като след този период от време обектът обикновено се връща в първоначалното си положение. Силата, която причинява приливи и отливи е много пъти по-малка от силата на гравитацията. Докато силата на привличане е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между привличащите тела, силата, която причинява приливи, е приблизително е обратно пропорционална на куба на това разстояние, а не на квадрат.Нека продължим разговора за силите, действащи върху небесните тела и ефектите, причинени от това. Днес ще говоря за приливи и отливи и негравитационни смущения.
Какво означава това - "негравитационни смущения"? Смущенията обикновено се наричат малки корекции на голяма, основна сила. Тоест ще говорим за някои сили, чието влияние върху обекта е много по-малко от гравитационното
Какви други сили съществуват в природата освен гравитацията? Оставяме настрана силните и слабите ядрени взаимодействия, те имат локален характер (действат на изключително малки разстояния). Но електромагнетизмът, както знаете, е много по-силен от гравитацията и се простира също толкова далеч - безкрайно. Но тъй като електрическите заряди с противоположни знаци обикновено са балансирани, а гравитационният „заряд“ (който се играе от масата) винаги е от един и същ знак, то при достатъчно големи маси, разбира се, гравитацията излиза на преден план. Така че в действителност ще говорим за смущения в движението на небесните тела под въздействието на електромагнитно поле. Няма повече опции, въпреки че все още има тъмна енергия, но за нея по-късно, когато говорим за космология.
Както ви казах, простият закон на Нютон за гравитацията Ф = г∙М∙м/Р² е много удобен за използване в астрономията, тъй като повечето тела са близки до сферични по форма и достатъчно далеч едно от друго, така че при изчислението те могат да бъдат заменени с точки - точкови обекти, съдържащи цялата им маса. Но тяло с краен размер, сравнимо с разстоянието между съседните тела, все пак изпитва различно силови влияния в различните си части, тъй като тези части са различно отдалечени от източниците на гравитация и това трябва да се има предвид.
Привличането изравнява и разкъсва
За да усетите приливния ефект, нека направим мисловен експеримент, популярен сред физиците: представете си, че сте в свободно падащ асансьор. Отрязваме въжето, което държи кабината и започваме да падаме. Докато не паднем, можем да наблюдаваме какво се случва около нас. Окачваме свободни маси и наблюдаваме как се държат. Първо, те падат синхронно и ние казваме, че това е безтегловност, защото всички обекти в тази кабина и тя самата усещат приблизително същото ускорение на свободно падане.
Но с течение на времето нашите материални точки ще започнат да променят конфигурацията си. Защо? Тъй като долната в началото е била малко по-близо до центъра на тежестта от горната, така долната, като се привлича по-силно, започва да изпреварва горната. А страничните точки винаги остават на едно и също разстояние от центъра на тежестта, но когато се приближават до него, започват да се приближават една към друга, защото равните ускорения не са успоредни. В резултат на това системата от несвързани обекти се деформира. Това се нарича приливен ефект.
От гледна точка на наблюдател, който разпръсква зърна около себе си и наблюдава как се движат отделни зърна, докато цялата тази система пада върху масивен обект, може да се въведе такова нещо като приливно-силово поле. Нека дефинираме тези сили във всяка точка като векторна разлика между гравитационното ускорение в тази точка и ускорението на наблюдателя или центъра на масата и ако вземем само първия член на разширението в реда на Тейлър по отношение на разстояние, тогава получаваме симетрична картина: най-близките зърна ще бъдат пред наблюдателя, далечните ще изостават от него, т.е. системата ще бъде опъната по оста, насочена към гравитиращия обект, а по посоките, перпендикулярни на нея, частиците ще бъдат притиснати към наблюдателя.
Какво мислите, че ще се случи, когато една планета бъде засмукана в черна дупка? Тези, които не са слушали лекции по астрономия, обикновено смятат, че черна дупка ще откъсне материята само от повърхността, обърната към себе си. Те не знаят, че почти еднакво силен ефект се получава от обратната страна на свободно падащо тяло. Тези. разкъсва се в две диаметрално противоположни посоки, в никакъв случай в една.
Опасностите от космическото пространство
За да покажем колко важно е да вземем предвид приливния ефект, нека вземем Международната космическа станция. Тя, както всички спътници на Земята, пада свободно в гравитационното поле (ако двигателите не са включени). А полето на приливните сили около него е нещо доста осезаемо, така че когато астронавт работи от външната страна на станцията, той винаги се връзва към нея и, като правило, с два кабела - за всеки случай, никога не знам какво може да се случи. И ако се окаже необвързан в онези условия, при които приливните сили го отдалечават от центъра на станцията, той лесно може да загуби контакт с нея. Това често се случва с инструменти, защото не можете да ги завържете всички. Ако нещо изпадне от ръцете на астронавта, тогава този обект отива в далечината и се превръща в независим спътник на Земята.
Работният план на МКС включва тестове в открито пространство на индивидуален реактивен ранец. И когато двигателят му откаже, приливните сили отнемат астронавта и ние го губим. Имената на изчезналите лица са секретни.
Това, разбира се, е шега: такъв инцидент все още не се е случил, за щастие. Но това много добре може да се случи! И може би някой ден ще стане.
океанска планета
Да се върнем на Земята. Това е най-интересният обект за нас и действащите върху него приливни сили се усещат доста забележимо. От кои небесни тела действат? Основната е Луната, защото е близо. Следващият най-голям удар е Слънцето, защото е масивно. Останалите планети също имат известно влияние върху Земята, но то е едва забележимо.
За да се анализира външното гравитационно влияние върху Земята, тя обикновено се представя като твърда топка, покрита с течна обвивка. Това не е лош модел, защото нашата планета наистина има подвижна обвивка под формата на океан и атмосфера, а всичко останало е доста солидно. Въпреки че земната кора и вътрешните слоеве имат ограничена твърдост и малко влияние на приливите, тяхната еластична деформация може да бъде пренебрегната при изчисленията на ефекта върху океана.
Ако начертаем векторите на приливните сили в системата на центъра на масата на Земята, получаваме следната картина: полето на приливната сила дърпа океана по оста Земя-Луна и го притиска към центъра на Земята в равнина перпендикулярно на него. Така планетата (във всеки случай нейната подвижна обвивка) има тенденция да приеме формата на елипсоид. В този случай се появяват две издутини (те се наричат приливни гърбици) от противоположните страни на земното кълбо: едната е обърната към Луната, другата е далеч от Луната, а в ивицата между тях, съответно, се появява „издутина“ ( по-точно, океанската повърхност там има по-малка кривина).
По-интересно нещо се случва между тях, когато векторът на приливната сила се опитва да премести течната обвивка по земната повърхност. И това е естествено: ако на едно място искате да вдигнете морето, а на друго място - да понижите, тогава трябва да преместите водата от там до тук. А между тях приливните сили тласкат водата към "подлунната точка" и към "антилунната точка".
Много е лесно да се определи количествено приливния ефект. Земната гравитация се опитва да направи океана сферичен, а приливната част от лунното и слънчевото влияние се опитва да го разтегне по оста. Ако Земята бъде оставена сама и й се даде възможност свободно да падне върху Луната, тогава височината на издутината би достигнала около половин метър, т.е. само на 50 см океанът се издига над средното си ниво. Ако плавате на параход в открито море или океан, половин метър не се забелязва. Това се нарича статичен прилив.
Почти на всеки изпит попадам на студент, който уверено твърди, че приливът се случва само от едната страна на Земята – от тази, която е обърната към луната. По правило това казва момичето. Но се случва, макар и по-рядко, дори младите мъже да грешат по този въпрос. В същото време като цяло познанията по астрономия са по-дълбоки за момичетата. Би било интересно да се разбере причината за тази асиметрия на „приливно-половата“ асиметрия.Но за да се създаде половин метров издутина в подлунната точка, тук трябва да се дестилира голямо количество вода. Но повърхността на Земята не остава неподвижна, тя се върти бързо по отношение на посоката към Луната и Слънцето, като прави пълен оборот на ден (и Луната бавно се движи в орбита - един оборот около Земята за почти месец ). Следователно приливната гърбица непрекъснато минава над повърхността на океана, така че твърдата повърхност на Земята е под приливната издутина 2 пъти на ден и 2 пъти под прилива, понижавайки нивото на океана. Оценка: 40 хиляди километра (дължината на земния екватор) на ден, това е 463 метра в секунда. Това означава, че тази половин метрова вълна, подобно на мини-цунами, се влива в източните брегове на континентите близо до екватора със свръхзвукова скорост. На нашите географски ширини скоростта достига 250-300 m / s - също доста: въпреки че вълната не е много висока, поради инерция може да създаде страхотен ефект.
Вторият обект по мащаб на влияние върху Земята е Слънцето. Тя е 400 пъти по-далеч от нас от Луната, но 27 милиона пъти по-масивна. Следователно ефектите от Луната и от Слънцето са сравними по големина, въпреки че Луната все още действа малко по-силно: гравитационният приливен ефект от Слънцето е приблизително наполовина по-слаб, отколкото от Луната. Понякога тяхното влияние се сумира: това се случва при новолуние, когато Луната минава на фона на Слънцето, и при пълнолуние, когато Луната е от противоположната страна на Слънцето. Тези дни – когато Земята, Луната и Слънцето се подреждат, което се случва на всеки две седмици – общият приливен ефект е един и половина пъти по-голям, отколкото само от Луната. Седмица по-късно Луната преминава една четвърт от орбитата си и се оказва в квадратура със Слънцето (прав ъгъл между посоките върху тях), а след това влиянието им се отслабва взаимно. Средно височината на приливите и отливите в открито море варира от четвърт метър до 75 сантиметра.
Приливите и отливите са известни на моряците от дълго време. Какво прави капитанът, когато корабът засяда? Ако сте чели морски приключенски романи, тогава знаете, че той веднага гледа в коя фаза е луната и чака следващото пълнолуние или новолуние. Тогава максималният прилив може да повдигне кораба и да изплува отново.
Крайбрежни проблеми и особености
Приливите и отливите са особено важни за пристанищните работници и за моряците, които са на път да вкарат своя кораб в или от пристанището. По правило проблемът с плитките води възниква близо до брега и за да не пречи на движението на корабите, подводните канали - изкуствени фарватери - се пробиват, за да влязат в залива. Тяхната дълбочина трябва да отчита височината на максималния отлив.
Ако погледнем височината на приливите в даден момент от време и начертаем линии с еднаква височина на водата на картата, тогава ще получим концентрични кръгове, центрирани в две точки (подлунна и антилунна), в които приливът е максимален. Ако орбиталната равнина на Луната съвпадаше с равнината на земния екватор, тогава тези точки винаги ще се движат по екватора и правят пълен оборот за един ден (по-точно през 24ʰ 50ᵐ 28ˢ). Луната обаче не върви в тази равнина, а близо до равнината на еклиптиката, спрямо която екваторът е наклонен с 23,5 градуса. Следователно подлунната точка "ходи" и по географска ширина. Така в едно и също пристанище (тоест на една и съща географска ширина) височината на максималния прилив, който се повтаря на всеки 12,5 часа, се променя през деня в зависимост от ориентацията на Луната спрямо земния екватор.
Тази „дреболия“ е важна за теорията на приливите и отливите. Нека погледнем отново: Земята се върти около оста си, а равнината на лунната орбита е наклонена към нея. Следователно всяко морско пристанище през деня „обича“ около полюса на Земята, като веднъж попада в областта на най-високия прилив и след 12,5 часа - отново в района на прилива, но по-малко висок. Тези. два прилива през деня не са равни по височина. Едното винаги е по-голямо от другото, защото равнината на лунната орбита не лежи в равнината на земния екватор.
За крайбрежните жители приливният ефект е жизненоважен. Например във Франция има, която е свързана със сушата чрез асфалтов път, положен по дъното на пролива. Много хора живеят на острова, но не могат да използват този път, докато морското равнище е високо. По този път може да се кара само два пъти на ден. Хората карат нагоре и чакат приливът да спадне, когато нивото на водата падне и пътят стане достъпен. Хората пътуват до брега до и от работа, като използват специална таблица на приливите и отливите, която се публикува за всяко населено място на брега. Ако това явление не се вземе предвид, водата по пътя може да затрупа пешеходеца. Туристите просто идват там и се разхождат, за да погледнат дъното на морето, когато няма вода. В същото време местните жители събират нещо от дъното, понякога дори за храна, т.е. всъщност този ефект храни хората.
Животът се появи от океана благодарение на приливите и отливите. Някои крайбрежни животни се озоваха на пясъка в резултат на отлив и бяха принудени да се научат да дишат кислород директно от атмосферата. Ако нямаше Луна, тогава животът, може би, нямаше да излезе толкова активно от океана, защото там е добре във всички отношения - термостатирана среда, безтегловност. Но ако внезапно кацнете на брега, тогава трябваше по някакъв начин да оцелеете.
Брегът, особено ако е равен, е силно изложен при отлив. И за известно време хората губят възможността да използват своите плавателни съдове, лежащи безпомощно като китове на брега. Но има нещо полезно в това, защото отливът може да се използва за ремонт на кораби, особено в някой залив: лодките отплаваха, след това водата си отиде и те могат да бъдат ремонтирани в този момент.
Например, има такъв залив Фънди на източния бряг на Канада, за който се твърди, че има най-високите приливи в света: разликата в нивото на водата може да достигне 16 метра, което се счита за рекорд за морски прилив на Земята. Моряците са се приспособили към това свойство: по време на прилив те довеждат кораба до брега, укрепват го и когато водата напусне, корабът виси и дъното може да бъде залепено.
От древни времена хората започнали да следят и редовно да записват моментите и характеристиките на приливите, за да се научат как да предскажат това явление. скоро изобретен манометър- устройство, при което поплавъкът се движи нагоре и надолу в зависимост от морското равнище, а показанията се изчертават автоматично на хартия под формата на графика. Между другото, средствата за измерване не са се променили много от момента на първите наблюдения до наши дни.
Въз основа на голям брой хидрографски записи математиците се опитват да създадат теория за приливите и отливите. Ако имате дългосрочен запис на периодичен процес, можете да го разложите на елементарни хармоници - синусоиди с различни амплитуди с множество периоди. И след това, след като сте определили параметрите на хармониците, разширете общата крива в бъдещето и на тази основа направете таблици на приливите и отливите. Сега такива таблици се публикуват за всяко пристанище на Земята и всеки капитан, който се кани да влезе в пристанището, взема маса за него и вижда кога има достатъчно ниво на водата за неговия кораб.
Най-известната история, свързана с прогнозни изчисления, се случи по време на Втората световна война: през 1944 г. нашите съюзници - британците и американците - щяха да открият втори фронт срещу нацистка Германия, за това беше необходимо да кацнат на френския бряг. Северното крайбрежие на Франция е много неприятно в това отношение: брегът е стръмен, висок 25-30 метра, а океанското дъно е доста плитко, така че корабите могат да се приближават до брега само по време на максимални приливи и отливи. Ако засядат, просто ще бъдат застреляни с оръдия. За да се избегне това, е създаден специален механичен (електронен все още не е наличен) компютър. Тя направи анализ на Фурие на времеви редове на морското ниво, използвайки барабани, въртящи се с различни скорости, през които минаваше метален кабел, който сумира всички членове на серията на Фурие, а перо, свързано с кабела, изобразява височината на прилива като функция на времето. Това беше строго секретна работа, която значително напредна в теорията за приливите и отливите, тъй като беше възможно да се предвиди с достатъчна точност момента на най-високия прилив, поради който тежки военни транспортни кораби плуваха Ламанша и кацнаха войски на брега. Така математици и геофизици спасиха живота на много хора.
Някои математици се опитват да обобщят данните в планетарен мащаб, опитвайки се да създадат единна теория за приливите и отливите, но е трудно да се сравнят записи, направени на различни места, тъй като Земята е много неправилна. Само в нулево приближение един океан покрива цялата повърхност на планетата, но всъщност има континенти и няколко слабо свързани океана и всеки океан има своя собствена честота на естествените трептения.
Предишни дискусии относно колебанията в морското равнище под действието на Луната и Слънцето се отнасяха до открити океански простори, където приливното ускорение варира значително от един бряг до друг. И в местните водни тела - например езера - може ли приливът да създаде забележим ефект?
Изглежда, че не трябва да бъде, защото във всички точки на езерото приливното ускорение е приблизително същото, разликата е малка. Например, в центъра на Европа има Женевско езеро, то е дълго само около 70 км и няма нищо общо с океаните, но хората отдавна са забелязали, че има значителни ежедневни колебания на водата. Защо възникват?
Да, приливната сила е изключително малка. Но основното е, че е редовно, т.е. работи периодично. Всички физици са наясно с ефекта, който при периодично действие на сила понякога предизвиква повишена амплитуда на трептения. Например вземете купа супа в трапезарията за раздаване и. Това означава, че честотата на вашите стъпки е в резонанс с естествените вибрации на течността в чинията. Забелязвайки това, рязко променяме темпото на ходене - и супата се "успокоява". Всяко водно тяло има своя собствена основна резонансна честота. И колкото по-голям е размерът на резервоара, толкова по-ниска е честотата на собствените трептения на течността в него. И така, близо до Женевското езеро, собствената му резонансна честота се оказа кратна на честотата на приливите и отливите и малко приливно влияние „замъглява“ Женевското езеро, така че нивото се променя доста забележимо на бреговете му. Тези стоящи вълни с дълъг период, които възникват в затворени водни тела, се наричат seiches.
Приливна енергия
В днешно време се опитват да свържат един от алтернативните източници на енергия с приливния ефект. Както казах, основният ефект от приливите и отливите не е, че водата се издига и спада. Основният ефект е приливното течение, което дестилира водата около цялата планета за един ден.
На плитки места този ефект е много важен. В района на Нова Зеландия капитаните дори не рискуват да насочват кораби през някои проливи. Платноходките изобщо не са могли да минават там, а съвременните кораби трудно преминават, защото дъното е плитко и приливните течения имат огромна скорост.
Но тъй като водата тече, тази кинетична енергия може да се използва. И вече са изградени електроцентрали, в които турбините се въртят напред-назад поради приливните и отливните течения. Те са доста функционални. Първата приливна електроцентрала (ТЕЦ) е направена във Франция, тя все още е най-голямата в света, с мощност от 240 MW. В сравнение с водноелектрическата централа, не е толкова горещо, разбира се, но обслужва най-близките селски райони.
Колкото по-близо до полюса, толкова по-ниска е скоростта на приливната вълна, така че в Русия няма брегове, които биха имали много мощни приливи. Като цяло имаме малко излази към морето, а крайбрежието на Северния ледовит океан не е особено изгодно за използване на приливна енергия, също защото приливът тласка вода от изток на запад. Но все пак има места, подходящи за PES, например заливът Кислая.
Факт е, че в заливите приливът винаги създава по-голям ефект: вълната се втурва, нахлува в залива и той се стеснява, стеснява - и амплитудата се увеличава. Подобен процес протича, сякаш камшик се щракне: отначало дълга вълна се движи бавно по камшика, но след това масата на частта от камшика, участваща в движението, намалява, така че скоростта се увеличава (импульс mvпродължава!) и достига свръхзвуково към тесния край, в резултат на което чуваме щракване.
Създавайки експериментална Кислогубска ТЕЦ с малък капацитет, енергийните инженери се опитаха да разберат колко ефективно е възможно да се използват приливите на циркумполярни ширини за генериране на електроенергия. Няма особено икономическо значение. Сега обаче има проект за много мощна руска ТЕЦ (Мезенская) - за 8 гигавата. За да се постигне тази колосална мощност, е необходимо да се блокира голям залив, разделящ Бяло море от Баренцово море с язовир. Вярно, много съмнително е, че това ще стане, докато имаме нефт и газ.
Миналото и бъдещето на приливите и отливите
Между другото, откъде идва енергията на приливите и отливите? Турбината се върти, генерира се електричество и кой обект губи енергия в процеса?
Тъй като енергията на прилива е въртенето на Земята, тъй като черпим от нея, това означава, че въртенето трябва да се забави. Изглежда, че Земята има вътрешни източници на енергия (топлината от недрата идва поради геохимични процеси и разпад на радиоактивни елементи), има какво да компенсира загубата на кинетична енергия. Това е вярно, но енергийният поток, разпространяващ се средно почти равномерно във всички посоки, трудно може значително да повлияе на ъгловия импулс и да промени въртенето.
Ако Земята не се върти, приливните гърбици биха изглеждали точно по посока на Луната и срещу нея. Но, въртяйки се, тялото на Земята ги пренася напред в посоката на въртенето си - и има постоянно несъответствие между приливния пик и подлунната точка от 3-4 градуса. До какво води това? Гърбицата, която е по-близо до луната, е привлечена от нея по-силно. Тази гравитационна сила има тенденция да забавя въртенето на Земята. А противоположната гърбица е по-далеч от Луната, тя се опитва да ускори въртенето, но се привлича по-слабо, така че полученият момент на силите има забавящ ефект върху въртенето на Земята.
Така че нашата планета непрекъснато намалява скоростта на своето въртене (макар и не съвсем редовно, на скокове, което е свързано с особеностите на преноса на маса в океаните и атмосферата). И какъв ефект оказват земните приливи и отливи върху Луната? Близката приливна издутина дърпа Луната, далечната, напротив, я забавя. Първата сила е по-голяма, в резултат на това луната се ускорява. Сега си спомнете от предишната лекция какво се случва със сателита, който е принудително изтеглен напред в движение? Тъй като енергията му се увеличава, тя се отдалечава от планетата и нейната ъглова скорост намалява с увеличаване на радиуса на орбитата. Между другото, увеличение на периода на въртене на Луната около Земята беше забелязано още по времето на Нютон.
Говорейки в числа, Луната се отдалечава от нас с около 3,5 см годишно, а продължителността на земния ден на всеки сто години се увеличава със стотна от секундата. Изглежда, че е глупост, но не забравяйте, че Земята съществува от милиарди години. Лесно е да се изчисли, че по времето на динозаврите е имало около 18 часа на ден (текущи часове, разбира се).
С отдалечаването на Луната приливните сили стават по-малки. Но все пак винаги се е отдалечавал и ако погледнем в миналото, ще видим, че Луната е била по-близо до Земята, което означава, че приливите са били по-високи. Можете да прецените, например, че в архейската епоха, преди 3 милиарда години, приливите и отливите са били високи на километри.
Приливни явления на други планети
Разбира се, в системите на други планети същите явления се случват със спътниците. Юпитер, например, е много масивна планета с голям брой спътници. Неговите четири най-големи спътника (те се наричат Галилеи, защото Галилей ги е открил) са доста осезаемо повлияни от Юпитер. Най-близкият от тях, Йо, е изцяло покрит с вулкани, сред които има повече от петдесет активни, и изхвърлят „допълнителна“ материя на 250-300 км нагоре. Това откритие беше много неочаквано: на Земята няма толкова мощни вулкани, а ето и малко тяло с размерите на Луната, което трябваше да се охлади дълго време, но вместо това избухва от топлина във всички посоки. Къде е източникът на тази енергия?
Вулканичната активност на Йо не беше изненада за всички: шест месеца преди първата сонда да отлети към Юпитер, двама американски геофизици публикуваха документ, в който изчислиха приливното влияние на Юпитер върху този спътник. Оказа се, че е толкова голям, че може да деформира тялото на спътника. И по време на деформация винаги се отделя топлина. Когато вземем парче студен пластилин и започнем да го месим в ръцете си, той става мек и гъвкав след няколко натискания. Това се случва не защото ръката го е нагряла с топлината си (по същия начин ще стане и ако се сплесква в студено менгеме), а защото деформацията влага в него механична енергия, която се превръща в топлина.
Но защо, по дяволите, формата на спътника се променя под влиянието на приливите и отливите от Юпитер? Изглежда, че се движи в кръгова орбита и се върти синхронно, като нашата Луна, веднъж се превърна в елипсоид - и няма причина за последващи изкривявания на формата? Близо до Йо обаче има други спътници; всички те карат неговата (Io) орбита да се движи малко напред-назад: или се приближава до Юпитер, след това се отдалечава. Това означава, че приливното влияние или отслабва, или се засилва, а формата на тялото се променя през цялото време. Между другото, все още не съм говорил за приливи в твърдото тяло на Земята: те, разбира се, също съществуват, те не са толкова високи, от порядъка на дециметър. Ако седите шест часа на местата си, тогава благодарение на приливите и отливите ще „ходите“ около двадесет сантиметра спрямо центъра на Земята. Това колебание е незабележимо за човек, разбира се, но геофизичните инструменти го регистрират.
За разлика от земния свод, повърхността на Йо се колебае с амплитуда от много километри за всеки орбитален период. Голямо количество енергия на деформация се разсейва под формата на топлина и загрява червата. На него, между другото, не се виждат метеоритни кратери, защото вулканите непрекъснато обсипват цялата повърхност с прясна материя. Веднага след като се образува ударният кратер, след сто години той се покрива с продуктите от изригването на съседни вулкани. Те работят непрекъснато и много мощно, към това се добавят и разломи в кората на планетата, през които от дълбините тече стопилка на различни минерали, главно сяра. При високи температури потъмнява, така че струята от кратера изглежда черна. А лекият ръб на вулкана е охладено вещество, което пада около вулкана. На нашата планета материята, изхвърлена от вулкан, обикновено се забавя от въздуха и пада близо до отдушника, образувайки конус, но на Йо няма атмосфера и лети по балистична траектория далеч във всички посоки. Може би това е пример за най-мощния приливен ефект в Слънчевата система.
Вторият спътник на Юпитер, Европа, всичко прилича на нашата Антарктида, покрита е с твърда ледена кора, напукана на места, защото нещо също постоянно я деформира. Тъй като този спътник е по-далеч от Юпитер, приливният ефект тук не е толкова силен, но все пак доста забележим. Под тази ледена кора има течен океан: снимките показват как фонтани бликат от някои пукнатини. Под действието на приливните сили океанът кипи, а ледените полета плуват и се сблъскват по повърхността му, подобно на това, което имаме в Северния ледовит океан и край бреговете на Антарктида. Измерената електрическа проводимост на океанската течност в Европа показва, че това е солена вода. Защо не трябва да има живот? Би било изкушаващо да спуснете устройството в някоя от пукнатините и да видите кой живее там.
Всъщност не всички планети свързват двата края. Например Енцелад, луната на Сатурн, също има ледена кора и океан отдолу. Но изчисленията показват, че енергията на приливите и отливите не е достатъчна, за да поддържа подледния океан в течно състояние. Разбира се, освен приливите, всяко небесно тяло има и други източници на енергия - например разлагащи се радиоактивни елементи (уран, торий, калий), но на малки планети те едва ли могат да играят съществена роля. Значи има нещо, което все още не разбираме.
Приливният ефект е изключително важен за звездите. Защо – за това в следващата лекция.
Нивото на повърхността на океаните и моретата периодично, приблизително два пъти на ден, се променя. Тези колебания се наричат приливи и отливи. При прилив нивото на океана постепенно се покачва и достига най-високото си положение. При отлив нивото постепенно спада до най-ниското. При прилив водата тече към бреговете, а при отлив се оттича от бреговете.
Приливът и отливът са постоянни приливи и отливи. Те се образуват в резултат на влиянието на такива космически тела като Слънцето. Според законите на взаимодействието на космическите тела нашата планета и Луната взаимно се привличат. Лунното привличане е толкова силно, че повърхността на океана сякаш се извива към него. Луната се движи около Земята, а приливна вълна "тича" през океана зад нея. Вълна ще стигне до брега - това е приливът. Ще мине малко време, водата, следвайки Луната, ще се отдалечи от брега - това е отливът. Според същите универсални космически закони от привличането на Слънцето се образуват и приливи и отливи. Въпреки това, приливната сила на Слънцето, поради отдалечеността му, е много по-малка от лунната и ако нямаше Луна, тогава приливите и отливите на Земята биха били 2,17 пъти по-малко. Обяснението на приливните сили е дадено за първи път от Нютон.
Приливите се различават по продължителност и величина. Най-често през деня има два приливи и отливи. По дъгите и бреговете на Източна и Централна Америка има един прилив и един отлив през деня.
Силата на приливите и отливите е дори по-разнообразна от техния период. Теоретично един лунен прилив е 0,53 м, слънчев - 0,24 м. По този начин най-големият прилив трябва да има височина от 0,77 м. В открития океан и близо до островите приливът е доста близо до теоретичния: на Хавайските острови - 1 м , на остров Св. Елена - 1,1 м; на островите - 1,7 м. На континентите приливът варира от 1,5 до 2 м. Във вътрешните морета приливите и отливите са много малки: - 13 см, - 4,8 см. Счита се без прилив, но близо до Венеция приливите са до 1 м. Най-големи могат да се отбележат следните приливи, записани в:
В залива Фънди () приливът достигна височина от 16-17 м. Това е най-големият индикатор за прилив на цялото земно кълбо.
На север, в залива Пенжина, височината на прилива достигна 12-14 м. Това е най-големият прилив край бреговете на Русия. Въпреки това, горните цифри на приливите са по-скоро изключение, отколкото правило. В по-голямата част от точките за измерване на нивото на приливите те са малки и рядко надвишават 2 m.
Значението на приливите и отливите е много голямо за морската навигация и пристанищните съоръжения. Всяка приливна вълна носи огромно количество енергия.
За да изчерпим основните въпроси, свързани със съществуването на нейния спътник близо до Земята - Луната, трябва да кажем няколко думи за феномена на приливите и отливите. Необходимо е да се отговори и на последния въпрос, повдигнат в тази книга: откъде идва луната и какво е нейното бъдеще? Какво е прилив?
По време на приливи по бреговете на открити морета и океани водата напредва към бреговете. Ниските брегове са буквално затрупани от огромни маси вода. Огромни пространства са покрити с вода. Морето сякаш стърчи от бреговете и притиска сушата. Морската вода явно се покачва.
При прилив (64) океанските дълбоководни плавателни съдове са свободни да влизат в относително плитки пристанища и устия, вливащи се в океаните.
Приливната вълна е много висока на места, достигайки десетина и повече метра.
Приблизително шест часа минават от началото на покачването на водата и приливът се заменя с отлив (65), водата започва постепенно
потъват, морето в близост до брега става плитко и значителни участъци от крайбрежната ивица се освобождават от вода. Неотдавна по тези места са плавали параходи, а сега жителите бродят по мокрия пясък и чакъл и събират черупки, водорасли и други „дарове“ на морето.
Какво обяснява тези постоянни приливи и отливи? Те възникват поради привличането, което Луната упражнява върху Земята.
Земята не само дърпа Луната към себе си, но и Луната дърпа Земята. Гравитацията на Земята влияе върху движението на Луната, карайки Луната да се движи по извита пътека. Но в същото време привличането на Земята донякъде променя формата на Луната. Частите, обърнати към Земята, се привличат от Земята по-силно от другите части. По този начин Луната трябва да има малко издължена форма към Земята.
Привличането на луната също влияе върху формата на земята. В страната, обърната към Луната в момента, има известно подуване, разтягане на земната повърхност (66).
Частиците на водата, тъй като са по-подвижни и имат малко сцепление, са по-податливи на това привличане на луната, отколкото частиците от твърда земя. В тази връзка се създава много забележимо покачване на водата в океаните.
Ако Земята, подобно на Луната, винаги е обърната към Луната с една и съща страна, нейната форма ще бъде донякъде удължена към Луната и няма да има редуващи се приливи. Но Земята се обръща в различни посоки към всички небесни тела, включително към Луната (дневно въртене). В тази връзка една приливна вълна сякаш минава по Земята, бяга след Луната, което издига водата на океаните по-високо в частите от земната повърхност, обърнати към нея в момента. Приливите трябва да се редуват с отливи.
За един ден Земята ще направи едно завъртане около оста си. Следователно точно един ден по-късно същите части от земната повърхност трябва да са обърнати към Луната. Но знаем, че Луната успява да покрие част от пътя си около Земята за един ден, движейки се в същата посока, в която се върти Земята. Следователно периодът се удължава, след което същите части на Земята ще бъдат обърнати към Луната. По този начин Цикълът на приливи и отливи не се случва за един ден, а за 24 часа и 51 минути. През този период от време на Земята се редуват два приливи и отливи.
Но защо две, а не една? Намираме обяснение за това, като си припомним още веднъж закона за всемирното притегляне. Според този закон силата на привличане намалява с увеличаване на разстоянието и, освен това, обратно пропорционална на нейния квадрат: разстоянието се удвоява - привличането намалява четири пъти.
От страната на Земята, точно срещу тази, която е обърната към Луната, се случва следното. Частиците близо до повърхността на Земята се привличат от Луната в по-малка степен, отколкото вътрешността на Земята. Те са склонни по-малко към Луната, отколкото частиците, които са по-близо до нея. Следователно повърхността на моретата тук като че ли изостава донякъде от твърдите вътрешни части на земното кълбо и тук също има издигане на водата, водна гърбица, височина на приливите, приблизително същата като на обратната страна. И тук приливната вълна се влива в ниските брегове. Следователно по бреговете на океаните ще има прилив и когато тези брегове са обърнати към Луната, и когато Луната е в обратна посока. По този начин трябва да има два приливи и отливи на Земята през периода на пълно завъртане на Земята около оста си.
Разбира се, големината на прилива се влияе и от привличането на Слънцето. Но въпреки че Слънцето е колосален размер, то обаче е много по-далеч от Земята от Луната. Неговото приливно влияние е наполовина по-малко от влиянието на Луната (само 5/11 или 0,45 от приливното влияние на Луната).
Големината на всеки прилив зависи и от височината, на която се намира Луната в даден момент. В същото време е напълно безразлично каква фаза има Луната в този момент и дали се вижда на небето. Луната може да не се вижда в този момент, тоест може да е в същата посока като слънцето и обратно. Само в първия случай приливът като цяло ще бъде по-силен от обикновено, тъй като привличането на Слънцето се добавя към привличането на Луната.
Изчислението показва, че приливната сила на Луната е само една девет милионна от силата на гравитацията на Земята, тоест силата, с която самата Земя се привлича. Разбира се, това привлекателно действие на Луната е нищожно. Покачването на водата с няколко метра също е незначително в сравнение с екваториалния диаметър на земното кълбо, равен на 12 756 776 м. Но приливна вълна, дори толкова малка, е, както знаем, много забележима за жителите на Земята, разположени близо до крайбрежието на океаните.
