Прили́вы и отли́вы, периодические колебания уровня океана (моря), а также самого небесного тела, вызванные влиянием внешних (т. н. приливообразующих) тел. Периоды колебаний определяются периодами обращения приливообразующих тел относительно рассматриваемого небесного тела.

Приливные силы

Приливные силы возникают из-за неоднородности гравитационного поля: элементы масс, расположенные ближе к приливообразующему телу, испытывают большее притяжение к нему и поэтому смещаются в его сторону несколько больше, чем более удалённые. В результате небесное тело стремится вытянуться вдоль прямой, соединяющей его с приливообразующим телом. Для наблюдателя, находящегося на небесном теле, приливные силы направлены вверх, когда приливообразующее тело находится в зените или надире, и направлены вниз, когда оно находится на горизонте.

Рис. 1. Расположение небесных тел при сизигийном и квадратурном приливах.Рис. 1. Расположение небесных тел при сизигийном и квадратурном приливах.На Земле приливы вызывают в основном Луна и Солнце (соответственно лунный и солнечный приливы), причём высота лунного прилива примерно в 2 раза больше солнечного. Выделяют т. н. сизигийный прилив, возникающий в те дни, когда Земля, Луна и Солнце лежат примерно на одной прямой (рис. 1, а), и квадратурный прилив, при котором направления на Луну и Солнце образуют прямой угол (рис. 1, б). При сизигийном приливе (рис. 2) влияние Солнца усиливает влияние Луны, при квадратурном приливе – ослабляет. В результате высота сизигийного прилива примерно втрое больше высоты квадратурного прилива.

Океанические приливы и отливы

Океанические приливы и отливы вызывают движения вод, называемые приливными течениями. Типичный период волн океанического прилива и отлива приблизительно 12 ч 25 мин, длина – половина окружности Земли, около 20038 км. Приливная волна, распространяясь, встречает преграды в виде материков, островов, испытывает трение о дно, возникают отливные течения; в результате всего этого распределения амплитуд и фаз различных приливных волн чрезвычайно сильно отличаются от теоретических величин, например во внутренних морях приливы и отливы незначительны. Размер и характер приливов и отливов зависят не только от взаимного положения Земли, Луны и Солнца, но также от географической широты, глубины водоёма и формы береговой линии. Динамическая теория приливов и отливов, основанная на общих уравнениях гидродинамики и позволяющая рассчитывать распространение приливных волн в морях и океанах, разработана в 1780 г. П.-С. Лапласом.

Рис. 2. Сизигийный прилив (слева) и отлив в Кандалакшском заливе Белого моря.Рис. 2. Сизигийный прилив (слева) и отлив в Кандалакшском заливе Белого моря.Наибольшее поднятие воды в Мировом океане называют полной водой, минимальное – малой водой. Промежуток времени между соседними полными или малыми водами называется периодом прилива. В зависимости от периода различают приливы суточные, полусуточные и смешанные (неправильные полусуточные и неправильные суточные). В океане вдали от материков величина приливов и отливов порядка 1 м, у берегов разность последовательных полной и малой воды может достигать бо́льших значений. Так, в заливе Фанди наибольшая величина приливов и отливов достигает 18 м (по другим данным, 16 м), в заливе Фробишер на о. Баффинова Земля и в некоторых пунктах пролива Ла-Манш – до 15 м, в Пенжинской губе Охотского моря – до 12,9 м. Приливная волна, проникая в устье реки, может вызвать появление крутой волны (см. Поророка). При отливах обнажаются огромные территории мелководий с многочисленными обитателями морского дна, объектами промысла местного населения. Энергию приливов и отливов используют для выработки электроэнергии на приливных электростанциях.

Распределение приливных волн в открытом океане определяется решением гидродинамических дифференциальных уравнений Лапласа. Для обеспечения мореплавания издаются «Таблицы приливов», содержащие данные о высоте прилива в важных портах на каждый час в течение года. В результате решения уравнений создаются котидальные карты Мирового океана, на которых одни изолинии (т. н. котидальные линии) соединяют точки волны с одинаковой фазой, например положение максимума данной волны через каждый час, а другие – точки с одинаковой амплитудой данной волны.

Земные приливы

Приливные силы действуют не только на воды океанов, но и на все элементы массы планет. Колебания тела Земли (смещения уровенной поверхности) называют земными приливами. Высокоточные данные о земных приливах были получены с помощью криогенных гравиметров, а также радиоинтерферометров со сверхдлинной базой. Амплитуда колебаний уровенной поверхности составляет около 0,5 м.

В 1863 г. У. Томсон (лорд Кельвин) высказал идею о возможности определения средней жёсткости земного шара при помощи изучения земных приливов. Если бы Земля представляла собой расплавленное тело, покрытое относительно тонкой корой, то приливные смещения земной поверхности должны были бы почти точно совпадать с приливными смещениями уровенной поверхности, т. е. океанические приливы не должны были бы наблюдаться. Таким образом, сам факт существования океанических приливов свидетельствует о том, что толщина жёсткой оболочки Земли, при любых разумных предположениях о её жёсткости, исчисляется сотнями или тысячами километров. Эта оценка позднее (с развитием сейсмологии) была подтверждена.

Несмотря на то что отношение средней глубины океанов к радиусу Земли составляет менее 1/1000 (причём значительная часть объёма Земли приходится на жидкое ядро, вязкость которого сравнима с вязкостью морской воды), поглощение приливной энергии в теле Земли составляет лишь около 3 % от её поглощения в океане. Это объясняется близостью периодов свободных колебаний океана к приливным периодам. Кроме того, из-за высокого давления в недрах Земли механические свойства оболочки мало отличаются от механических свойств идеально упругого тела, что также приводит к малому поглощению приливной энергии в толще Земли.

Влияние приливов на движение небесных тел

Приливные силы играют определяющую роль в замедлении суточного вращения планет и их спутников. Поглощение приливной энергии в океанах Земли приводит к вековому замедлению её суточного вращения (продолжительность суток увеличивается примерно на 2 мс за 100 лет), а также к вековому удалению Луны от Земли (около 4 см в год). Для теоретического расчёта этих эффектов используются полученные с искусственных спутников Земли детальные альтиметрические данные о высотах океанических приливов.

Приливная энергия, поглощаемая Землёй, пренебрежимо мала по сравнению с энергией, получаемой Землёй от Солнца. Однако для галилеевых спутников Юпитера именно приливная энергия играет определяющую роль: из-за приливного замедления суточного вращения все галилеевы спутники в современную эпоху повёрнуты к Юпитеру одной стороной (подобно тому, как повёрнута Луна к Земле). Вследствие эллиптичности орбит спутников и их гравитационного взаимодействия друг с другом расстояния от галилеевых спутников до Юпитера и их ориентация относительно Юпитера слегка изменяются. Этих изменений достаточно для выделения в недрах спутников тепловой энергии, значительно превосходящей энергию, получаемую ими от Солнца. Благодаря приливным воздействиям в недрах спутника Юпитера Ио выделяется энергия порядка (6–8) · 10¹³ Вт, что соответствует величине теплового потока на поверхности около 2 Вт/м² (это в 30 раз больше теплового потока, выделяемого через поверхность Земли). Как показали наблюдения с космического аппарата серии «Вояджер» (НАСА), отдельные участки поверхности Ио из-за поглощения приливной энергии разогреты до температуры порядка 300–600 К. На этих участках зарегистрирована вулканическая активность. Общая площадь таких участков составляет около 2 % от общей площади поверхности спутника. Поверхность спутника Юпитера Европы представляет собой покрытую трещинами корку из водяного льда толщиной от нескольких километров до нескольких сотен километров. Под ней, как предполагают, существует водный океан. Приливная энергия, выделяемая в недрах Европы, значительно меньше той же энергии на Ио, но её достаточно для прогрева океана до температур, пригодных для земных форм жизни.

В атмосферах Земли и других планет наблюдаются периодические изменения атмосферного давления, называемые атмосферными приливами. Однако эти приливы вызываются преимущественно периодическими колебаниями солнечного теплового излучения (а не гравитационным влиянием других небесных тел): дневная сторона планеты получает больше энергии, чем ночная. Температурное расширение воздуха приводит к колебаниям атмосферного давления и к циклическим перемещениям воздушных масс с периодами, кратными солнечным суткам.