Приливы на Земле

Пятая сила

Основные приливные возмущения Земля испытывает со стороны Луны и Солнца, причем лунные возмущения примерно вдвое сильнее солнечных. Величину статических лунных приливов на поверхности Земли легко оценить - она составляет около 75 сантиметров (а точные вычисления дают 54 сантиметра). Вращение Земли относительно Луны происходит с периодом 24 часа 52 минуты. За это время по земной поверхности проходят два приливных горба и, следовательно, интервал между лунными приливами должен составлять 12 часов 26 минут. В действительности же этот интервал у морских приливов часто не соблюдается, приливные горбы не всегда лежат на линии "Земля-Луна", а амплитуда приливов у берега порой достигает многих метров. Поэтому, хотя связь морских приливов с Луной подозревалась давно, доказать это и понять все ее закономерности оказалось совсем не просто. Даже пытливый ум Леонардо да Винчи был в свое время введен в заблуждение. Сравнив высоту приливов в разных портах Европы и моменты их наступления, он заключил, что явление это не связано с Луной и Солнцем.

Для Исаака Ньютона разгадка причины приливов была одним из главных стимулов работы над проблемой тяготения. В своих "Началах" он с гордостью писал: "Я изъяснил небесные явления и приливы наших морей на основании силы тяготения". Однако "изъяснил" их Исаак Ньютон не полностью, а лишь в предположении, что вся Земля является сплошным океаном. В действительности океан покрывает поверхность нашей планеты тонким слоем, да и то не везде. Длина приливной волны (порядка 10⁴ километров) значительно превышает среднюю глубину океана (3,5 километра), поэтому волна распространяется, как говорят физики, "на мелкой воде".

Последнее означает, что собственная частота колебаний воды и скорость приливной волны зависят от глубины океана в каждой конкретной точке. Представить себе, что такое собственная частота колебаний, можно, обратившись к примеру с ниткой с грузом (маятнику), находящейся в руке. Если рука неподвижна, то приведенный в движение маятник будет колебаться с собственной частотой. Если же совершать колебания рукой, но с частотой, меньшей собственной частоты маятника, то он будет их повторять, находясь в фазе с колебаниями руки. Однако если частоту колебаний руки увеличить так, что превысится собственная частота маятника, то он начнет двигаться в противофазе.

Собственная частота колебания воды в океанах зависит от рельефа дна, от географической широты (то есть от длины географической параллели) и тому подобного. Поэтому отклик колебательной системы "океан" на приложенную к нему периодическую приливную силу очень сложен и с трудом поддается расчету. Дополнительная сложность в прогнозировании приливов связана с большим и непостоянным наклоном лунной орбиты к экваториальной плоскости Земли. По этой причине два последовательных лунных прилива имеют разную высоту, а на некоторых широтах вообще наблюдается один прилив в сутки.

Распределение приливной силы по поверхности планеты в сечении,
проходящем через направление на возмущающее тело (m).
Цифры указывают относительное значение силы.

Обратившись к рисунку, можно увидеть, что приливная сила не только приподнимает и опускает поверхность планеты, но и стремится переместить ее в горизонтальном направлении: значение горизонтальной составляющей минимально на полюсах эллипсоида и его "экваторе", максимально - в "средних широтах". Отличие океана от твердой поверхности Земли как раз в том и состоит, что он поддается горизонтальному перемещению, тогда как суша только поднимается и опускается на 35-40 сантиметров и практически не смещается по горизонтали. В открытом океане скорость приливных течений составляет 3-5 узлов, что даже для современных мореплавателей является существенной величиной (1 узел = 1,852 км/ч). А в отдельных местах, например у северного побережья Шотландии, эта скорость достигает 10-12 узлов.

Не обладая по сравнению с земными недрами практически никакой вязкостью, вода океана долго сохраняет свой импульс относительно суши. Встреча приливной океанской волны с сушей подобна взрыву кумулятивного снаряда: двигаясь с небольшой скоростью на глубоком месте, вода ускоряется, оказавшись зажатой между поднимающимся дном и горизонтальной свободной поверхностью. Эффект усиливается, если приливная волна входит в пролив, фьорд или бухту, где оказывается зажатой еще с двух сторон вертикальными стенками (как в проливе Ла-Манш или в заливе Фанди).

Вспомним, что лунные приливы складываются с солнечными, амплитуда которых в нынешнюю эпоху примерно вдвое меньше. Лунные и солнечные приливы либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от взаимного положения трех тел. Например, особенно высокие приливы происходят, когда Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (это бывает в новолуние и в полнолуние). В этом случае приливные эффекты Солнца и Луны складываются и волна получается особенно высокой (так называемые сизигийные приливы). И наоборот, в моменты первой и последней лунных четвертей, когда угол между Солнцем и Луной составляет 90 градусов, горб лунного прилива приходится на впадину солнечного прилива, и они взаимно ослабляют друг друга (так называемые квадратурные приливы). Поэтому высота приливов связана с фазами Луны.

Как мы уже знаем, в результате приливного трения Земля замедляет свое суточное вращение, а Луна получает дополнительную потенциальную энергию и удаляется от Земли. Поэтому в далеком прошлом лунные приливы были значительно сильнее, а в будущем они ослабнут, и относительная роль солнечных приливов возрастет. Поскольку в прошлом приливы были сильнее, они играли более серьезную роль в эволюции Земли в частности ее биосферы. Обычно считается, что в приливной полосе были особенно благоприятные условия для выхода жизни из воды на сушу.

Но с приливами связаны не только жизненные циклы моряков и животных: несмотря на удаление Луны, вполне возможно, что в недалеком будущем роль приливов в нашей жизни возрастет в связи с использованием приливных электростанций. Уже давно было известно, что приливные течения, проходящие через узкие проливы, можно использовать для получения энергии в такой же степени, как водопады и плотины на реках. Так, например, в Сен-Мало во Франции с 1966 года успешно действует приливная гидроэлектростанция. Такие станции являются хотя и не самым дешевым, но во всяком случае самым стабильным источником энергии, поскольку на колебания уровня океана не влияют ни погода, ни истощение ресурсов, ни другие кризисные ситуации.

Приливное трение обусловливает выделение в Земле тепла в количестве около 5·10¹² Вт, что составляет около 20 процентов от собственного теплового потока нашей планеты. До сих пор так и не ясно, где выделяется эта тепловая энергия - на океанском мелководье или в твердой коре Земли. Амплитуда приливной волны в земной коре на широте Москвы составляет около 40 сантиметров; к высоким широтам она уменьшается. Замечено, что уровень подземных вод, нефти и даже вулканической лавы испытывает колебания синхронно с приливами. А частота внезапных выбросов угля и газа на угольных шахтах возрастает в период сизигийных приливов по сравнению с квадратурными в 10 раз и более. Вероятно, это связано с нарушением равновесия в пластах земли и с появлением микротрещин. Таким образом, для горняков земные приливы представляют такой же практический интерес, как океанские для моряков.

Владимир Георгиевич Сурдин, 2002 год