ПРИЛИ́ВЫ И ОТЛИ́ВЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПРИЛИ́ВЫ И ОТЛИ́ВЫ, периодич. 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 гравитац. 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 её 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.
На Земле приливы вызывают в осн. 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 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 океанич. П. и о. приблизительно 12 ч 25 мин, длина – половина окружности Земли, ок. 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 разл. приливных волн чрезвычайно сильно отличаются от теоретич. величин, напр. во внутр. морях П. и о. незначительны. Размер и характер П. и о. зависят не только от взаимного положения Земли, Луны и Солнца, но также от географич. широты, глубины водоёма и формы береговой линии. Динамич. теория П. и о., основанная на общих уравнениях гидродинамики, позволяющая рассчитывать распространение приливных волн в морях и океанах, разработана в 1780 П. Лапласом.
Наибольшее поднятие воды в Мировом ок. 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 П. и о. порядка 1 м, у берегов разность последовательных полной и малой воды может достигать больших значений. Так, в зал. Фанди наибольшая величина П. и о. достигает 18 м (по др. данным, 16 м), в зал. Фробишер на о. Баффинова Земля и в некоторых пунктах прол. Ла-Манш – до 15 м, в Пенжинской губе Охотского м. – до 12,9 м. Приливная волна, проникая в устье реки, может вызвать появление крутой волны (см. Поророка). При отливах обнажаются огромные территории мелководий с многочисл. обитателями морского дна, объектами промысла местного населения. Энергию П. и о. используют для выработки электроэнергии на приливных электростанциях.
Распределение приливных волн в открытом океане определяется решением гидродинамич. 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 ок., на которых одни изолинии (т. н. котидальные линии) соединяют точки волны с одинаковой фазой, напр. 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 ок. 0,5 м.
В 1863 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. океанич. приливы не должны были бы наблюдаться. Т. о., сам факт существования океанич. 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 ср. глубины океанов к радиусу Земли составляет менее 1/1000 (причём значит. часть объёма Земли приходится на жидкое ядро, вязкость которого сравнима с вязкостью мор. воды), поглощение приливной энергии в теле Земли составляет лишь ок. 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 механич. свойства оболочки мало отличаются от механич. 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 (ок. 4 см в год). Для теоретич. расчёта этих эффектов используются полученные с ИСЗ детальные альтиметрич. данные о высотах океанич. 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 совр. эпоху повёрнуты к Юпитеру одной стороной (подобно тому, как повёрнута Луна к Земле). Вследствие эллиптичности орбит спутников и их гравитац. 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 ок. 2 Вт/м 2 (это в 30 раз больше теплового потока, выделяемого через поверхность Земли). Как показали наблюдения с КА серии «Вояджер» (НАСА), отд. участки поверхности Ио из-за поглощения приливной энергии разогреты до темп-ры порядка 300–600 К. На этих участках зарегистрирована вулканич. активность. Общая площадь таких участков составляет ок. 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 др. планет наблюдаются периодич. изменения атмосферного давления, называемые атмосферными приливами. Однако эти приливы вызываются преим. периодич. колебаниями солнечного теплового излучения (а не гравитац. влиянием др. небесных тел): дневная сторона планеты получает больше энергии, чем ночная. Температурное расширение воздуха приводит к колебаниям атмосферного давления и к циклич. перемещениям возд. масс с периодами, кратными солнечным суткам.