Как развивалась наука о Вселенной

Приливы и отливы

Жители многих населенных пунктов на побережьях морей и океанов ежедневно наблюдают очень интересное явление природы - периодические повышения и понижения воды у берегов: вода то наступает на берег, заливая иногда большие пространства, то отступает, обнажая дно.

Периодические колебания воды в океанах и морях называются приливами и отливами. Заметнее всего приливы и отливы у берегов океанов или открытых морей. В течение суток, точнее 24 ч 50 мин, уровень воды у берегов дважды повышается и дважды понижается.

Схема прилива.

Повышение уровня воды происходит постепенно, и сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Оно длится в среднем около 6 ч 12,5 мин, после чего начинается понижение. Понижение уровня воды продолжается в среднем также 6 ч 12,5 мин. Один из двух приливов в течение суток в данной местности наступает вскоре после того, как Луна достигает самого высокого положения на небе - верхней кульминации. Основываясь на этом и на совпадении удвоенного периода приливов (24 ч 50 мин) с периодом видимого обращения Луны вокруг Земли, еще в древние времена люди связывали приливы и отливы с Луной. И действительно, основная причина приливов, как впервые указал Ньютон, - это притяжение Земли Луной, точнее говоря, разность между притяжением Луной всей Земли в целом, с одной стороны, и водной оболочки ее - с другой.

В общих чертах теория Ньютона объясняет приливы и отливы так. Притяжение Земли Луной складывается из притяжения Луной отдельных частиц Земли. Частицы, которые находятся в данный момент ближе к Луне, притягиваются ею сильнее, а более далекие - слабее. Если бы Земля была абсолютно твердой, то это различие в силе притяжения не играло бы никакой роли. Но Земля не абсолютно твердое тело. Кроме того, океаны и моря занимают 71% ее поверхности. Поэтому разное притяжение частиц, находящихся вблизи поверхности Земли и вблизи ее центра (эту разность называют приливообразующей силой), смещает частицы друг относительно друга, и Земля, прежде всего ее водная оболочка, деформируется.

Для наблюдателя в А Луна кульминирует. Гребни приливной волны находятся в это время на линии АВ.

Частицы воды, наиболее близкие к Луне в данный момент (на верхнем рисунке вблизи точки А), притягиваются Луной сильнее, а частицы, наиболее далекие от нее (вблизи точки В), - слабее, чем частицы, находящиеся в центре Земли. Поэтому частицы воды вблизи точки А смещаются по направлению к Луне больше, а частицы вблизи точки В -меньше, чем частицы в центре Земли, и водная оболочка нашей планеты вытягивается в направлении Луны.

Таким образом, на стороне Земли, обращенной к Луне, и на противоположной ее стороне (вблизи точек А и В) вода поднимается и образуются приливные выступы. Вблизи же точек С и D уровень воды снижается - здесь наступает отлив.

Приливные выступы вблизи А и В стремятся сохранить по отношению к Луне одно и то же положение. И если бы Земля не вращалась, а Луна была неподвижной по отношению к Земле, то Земля вместе со своей водной оболочкой всегда сохраняла бы одну и ту же форму, вытянутую по направлению к Луне, и никаких приливов и отливов не было бы. Однако Земля вращается, и земному наблюдателю представляется, что Луна за сутки делает полный оборот вокруг Земли. Поэтому приливные выступы следуют за Луной и перемещаются по поверхности океанов и морей. Образуются две приливные волны в противоположных точках земного шара. Приливная волна движется в океанах и морях с запада на восток навстречу направлению вращения Земли со скоростью около 1800 км/ч. Над каждым пунктом в океане приливная волна проходит дважды в сутки.

Морские лриливы и отливы вызываются притяжением Луны и Солнца. Во время прилива море затопляет берег, а во время отлива отступает и снова обнажает его.

В открытом океане уровень воды при прохождении приливной волны поднимается незначительно, в среднем на несколько десятков сантиметров, и, естественно, это остается незаметным, например, для плывущих на корабле людей. Но у берегов даже такой подъем уровня воды заметен. Кроме того, у берегов, особенно в узких заливах или бухтах, уровень воды поднимается гораздо выше, чем в открытом океане, так как берег материка препятствует движению приливной волны и вода здесь накапливается в течение всего времени между отливом и приливом. Поэтому около берегов приливы (точнее говоря, разность между уровнями воды при приливе и отливе) достигают в среднем 4-5 м. Самый большой прилив - около 18 м - наблюдается в одной из бухт на побережье Канады. В СССР наибольшие приливы - около 13 м - в Гижигинской и Пенжинской губах Охотского моря.

Во внутренних морях, например в Балтийском и Черном, приливы и отливы почти незаметны. Дело в том, что в такие моря за время от отлива до прилива не успевают проникнуть сколько-нибудь значительные массы воды, перемещающиеся с океанской приливной волной. Правда, в каждом закрытом море или даже озере возникают самостоятельные приливные волны. Но чем меньше море или озеро, тем меньше воды перемещается в нем от одного берега к другому и тем меньше приливы и отливы. Например, в Средиземном море приливы достигают 1-2 м, а в Черном - 10 см.

Такова в общих чертах картина приливов и отливов. При более детальном их изучении наблюдаются очень интересные и сложные явления. Момент полной воды в данной местности не совпадает с кульминацией Луны, а всегда запаздывает. Трение воды о дно океанов и внутреннее трение воды несколько задерживают движение приливной волны, она не поспевает за Луной и достигает данного пункта в океане лишь через некоторый промежуток времени после кульминации Луны. Поэтому прямая линия, проведенная через приливные выступы на противоположных сторонах земного шара, проходит восточнее направления из центра Земли на Луну (см. рис. на стр. 36). Величина запаздывания приливов в данной местности по сравнению с моментом кульминации Луны называется прикладным часом. В разных местностях свой прикладной час. Он зависит от особенностей рельефа дна и берегов. Например, в Остенде (Бельгия) прикладной час равен в среднем 25 мин, в Гибралтаре - 1 ч 47 мин в Бресте (Франция) - 3 ч 46 мин, в некоторых заливах Белого моря - 5 ч и т. д.

В 1968 г. в СССР вступила в строй опытная ПЭС в Кислой губе близ Мурманска мощностью 800 кВт.

В одной и той же местности высота приливов каждый день меняется, так как расстояние от Луны до Земли и высота Луны над горизонтом в данной местности в момент кульминации все время изменяются. Поэтому непостоянна и величина приливооб-разующей силы. Формула приливообразующей силы, действующей на единицу массы на поверхности Земли в момент кульминации Луны:

где f - постоянная тяготения, М - масса Луны, R - радиус Земли, r - расстояние от Луны до Земли, h - высота Луны над горизонтом в момент кульминации.

В течение месяца расстояние от Луны до Земли изменяется приблизительно от r =356 тыс. км до r=406 тыс. км, а приливообразующая сила изменяется примерно в 1,4 раза. Высота Луны над горизонтом в момент кульминации изменяется за месяц в среднем на 47°, причем амплитуда изменений колеблется с периодом около 19 лет от 37 до 57°; это приводит к месячным колебаниям высоты приливов и отливов и к колебаниям с периодом около 19 лет.

Заметное приливное действие оказывает на Землю и Солнце. Хотя Солнце находится от Земли значительно дальше, чем Луна (в среднем в 389 раз), но его масса больше массы Луны в 27 млн. раз, поэтому и влияние Солнца на создание приливов и отливов также велико.

Во время новолуния и полнолуния приливные силы Солнца и Луны действуют совместно и получаются очень высокие, или сизигийные, приливы, а во время первой и третьей четвертей Луны приливные силы двух тел действуют в противоположных направлениях и получаются низкие, или квадратурные, приливы. Сизигийные приливы примерно в 2,7 раза выше квадратурных.

Кроме указанных основных причин колебаний высоты приливов и отливов существуют и более мелкие. Они связаны главным образом с особенностями движения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца. Теоретически приливное действие оказывают также и планеты, но оно слишком мало, чтобы его можно было обнаружить.

Под действием приливообразующих сил деформируется не только водная оболочка, но и все твердое тело Земли. Наблюдая приливные волны на твердой поверхности Земли, ученые сделали вывод об упругости вещества Земли, напоминающей свойства стального шара. Приливообразующие силы деформируют воздушную оболочку Земли. Это вызывает периодические колебания атмосферного давления и изменения свойств различных слоев атмосферы.

Приливы и отливы перемещают большие массы воды, и люди давно стали задумываться над тем, как заставить эти массы воды вращать колеса турбин, вырабатывающих электроэнергию. В последние годы вопрос этот уже практически решен, и в ближайшем будущем человек станет широко использовать энергию приливов и отливов.

Принцип работы приливной электростанции (ПЭС) простой. В заливе, где наблюдаются более или менее значительные приливы и отливы, строится плотина, отделяющая часть залива от океана. Во время прилива или отлива образуется разность уровней воды между океаном и отделенной частью залива. Вода по каналу устремляется сквозь плотину сверху вниз и приводит в движение установленные там турбины. На ПЭС используются реверсивные турбины. Они вращаются то в одну (во время прилива), то в другую (во время отлива) сторону.

Приливные электростанции проектируются во многих странах мира. В 1967 г. во Франции пущена в эксплуатацию ПЭС в устье реки Ранс. Ее расчетная мощность 240000 кВт. В 1968 г. в СССР в Кислой губе близ Мурманска вступила в строй опытная ПЭС мощностью 800 кВт.

перейти к началу страницы