Частота приливов и отливов. Приливы и отливы

Приливами и отливами называют периодические повышения и понижения уровня воды в океанах и морях.

Дважды в течение суток с промежутком около 12 часов 25 минут вода у берега океана или открытого моря поднимается и, если нет преград, заливает иногда большие пространства – это прилив. Затем вода понижается и отступает, обнажая дно – это отлив. Почему это происходит? Об этом задумывались еще древние люди, они-то и заметили, что эти явления связаны с Луной. На основную причину приливов и отливов впервые указал И. Ньютон – это притяжение Земли Луной, а точнее, разность между притяжением Луной всей Земли в целом и водной ее оболочки.

Объяснение приливов и отливов теорией Ньютона

Притяжение Земли Луной складывается из притяжения Луной отдельных частиц Земли. Частицы, находящиеся 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 является абсолютно твердым телом, поэтому разность сил притяжения частиц, находящихся вблизи поверхности Земли и вблизи ее центра (эту разность называют приливообразующей силой), смещает частицы относительно друг друга, и Земля, прежде всего ее водная оболочка, деформируется.

В результате на той стороне, которая обращена к Луне, и на ее противоположной стороне вода поднимается, образуя приливные выступы, и там накапливается излишек воды. За счет этого уровень воды в других противоположных точках Земли в это время снижается – здесь происходит отлив.

Если бы Земля не вращалась, а Луна оставалась неподвижной, то Земля вместе со своей водной оболочкой всегда сохраняла бы одну и ту же вытянутую форму. Но Землявращается, а Луна движется вокруг Земли примерно за 24 часа 50 минут. С этим же периодом и приливные выступы следуют за Луной и перемещаются по поверхности океанов и морей с востока на Запад. Поскольку таких выступов два, то над каждым пунктом в океане дважды в сутки с интервалом около 12 часов 25 минут проходит приливная волна.

Почему высота приливной волны разная

В открытом океане вода поднимается при прохождении приливной волны незначительно: около 1 м и менее, что остается практически незаметным для мореплавателей. Но у берегов даже такой подъем уровня воды заметен. В бухтах и узких заливах уровень воды поднимается во время приливов гораздо выше, так как берег препятствует движению приливной волны и вода накапливается здесь в течение всего времени между отливом и приливом.

Самый большой прилив (около 18 м) наблюдается в одной из бухт на побережье в Канаде. В России наибольшие приливы (13 м) происходят в Гижигинской и Пенжинской губах Охотского моря. Во внутренних морях (например, в Балтийском или Черном) приливы и отливы почти незаметны, потому что в такие моря не успевают проникнуть массы воды, перемещающиеся вместе с океанской приливной волной. Но все равно в каждом море или даже озере возникают самостоятельные приливные волны с небольшой массой воды. Например, высота приливов в Черном море достигает лишь 10 см.

В одной и той же местности высота прилива бывает различной, так как расстояние от Луны до Земли и наибольшая высота Луны над горизонтом с течением времени изменяются, а это приводит к изменению величины приливообразующих сил.

Приливы и Солнце

На приливы также оказывает действие и Солнце. Но приливные силы Солнца в 2,2 раза меньше приливных сил Луны.

Во время новолуния и полнолуния приливные силы Солнца и Луны действуют в одном направлении – тогда получаются наиболее высокие приливы. Но во время первой и третьей четвертейЛуны приливные силы Солнца и Луны противодействуют, поэтому приливы бывают меньшими.

Приливы в воздушной оболочке Земли и в ее твердом теле

Приливные явления происходят не только в водной, но и в воздушной оболочке Земли. Они называются атмосферными приливами и отливами. Приливы происходят также в твердом теле Земли, поскольку Земля не является абсолютно твердой. Вертикальные колебания поверхности Земли вследствие приливов достигают нескольких десятков сантиметров.

Практическое использование приливов и отливов

Приливная электростанция – это особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров.

В 1967 г. во Франции была построена приливная электростанция в устье реки Ранс.

В России c 1968 г. действует экспериментальная ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря.

Существуют ПЭС и за рубежом - во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и других странах.

Влияние Луны на земной мир существует, но оно не ярко выражено. Его практически нельзя увидеть. Единственное явление, которое зримо демонстрирует воздействие притяжения Луны, - это влияние Луны на приливы и отливы. Наши древние предки связывали их именно с Луной. И были абсолютно правы.

Как Луна влияет на приливы и отливы

Приливы и отливы в некоторых местах настолько сильны, что вода отступает от берега на сотни метров, обнажая дно, где народы, живущие на побережье, собирали дары моря. Но с неумолимой точностью отступившая от берега вода снова накатывает. Если не знать, с какой периодичностью происходят приливы и отливы, можно оказаться вдали от берега и даже погибнуть под наступающей водной массой. Прибрежные народы превосходно знали расписание прихода и ухода вод.

Происходит это явление два раза в сутки. Причем приливы и отливы существуют не только в морях и океанах. Все водные источники испытывают влияние Луны. Но вдали от морей это почти незаметно: то вода немного поднимается, то немного опускается.

Влияние Луны на жидкости

Жидкость - это единственная природная стихия, которая движется за Луной, совершая колебания. Камень или дом не могут притянуться к Луне, потому что имеют твердую структуру. Податливая и пластичная вода наглядно демонстрирует воздействие лунной массы.

Что же происходит во время прилива или отлива? Каким образом Луна подымает воду?

Влияние Луны на приливы и отливы. Наиболее сильно Луна воздействует на воды морей и океанов с той стороны Земли, которая в данный момент обращена непосредственно к ней.

Если посмотреть на Землю в этот момент, то можно заметить, как Луна оттягивает к себе воды мирового океана, приподымает их, и толща вод вспучивается, образуя «горб», а точнее, появляются два «горба» - высокий со стороны, где находится Луна, и менее выраженный с противоположной стороны.

«Горбы» точно следуют за движением Луны вокруг Земли. Поскольку мировой океан является единым целым и воды в нем сообщаются, то горбы двигаются то от берега, то к берегу. Поскольку Луна проходит два раза через точки, расположенные друг от друга на расстоянии 180 градусов, то мы наблюдаем два прилива и два отлива.

Приливы и отливы в соответствии с фазами Луны

Влияние Луны на приливы и отливы. Наибольшие отливы и приливы бывают на океанских берегах. В нашей стране - на берегах Северного Ледовитого и Тихого океанов. Менее значительные приливы и отливы характерны для внутренних морей.

Еще слабее это явление наблюдается в озерах или реках. Но даже на берегах океанов в одно время года приливы бывают мощнее, а в другое - слабее. Это уже связано с удаленностью Луны от Земли. Чем ближе Луна к поверхности нашей планеты, тем сильнее будут отливы и приливы. Чем дальше - тем, естественно, слабее.

На водные массы оказывает влияние не только Луна, но и Солнце. Только расстояние от Земли до Солнца значительно больше, поэтому мы не замечаем его гравитационной активности. Зато давно известно, что иногда приливы и отливы становятся очень сильными. Это случается всякий раз, когда бывает новолуние или полнолуние.

Вот тут как раз и включается в действие сила Солнца. В этот момент все три планеты - Луна, Земля и Солнце - выстраиваются по прямой. На Землю уже действуют две силы притяжения - и Луна, и Солнце.

Естественно, высота подъема и спада вод увеличивается. Наиболее сильным будет совместное влияние Луны и Солнца, когда обе планеты оказываются по одну сторону от Земли, то есть когда Луна стоит между Землей и Солнцем. И сильнее вода будет подыматься со стороны Земли, обращенной к Луне.

Это удивительное свойство Луны используется людьми для получения бесплатной энергии. На берегах морей и океанов теперь строят приливные гидроэлектростанции, которые вырабатывают электричество благодаря «работе» Луны. Приливные гидроэлектростанции считаются наиболее экологически чистыми. Они действуют согласно природным ритмам и не загрязняют окружающую среду.

ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ, периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны , моря и озера , в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.

Самый высокий уровень воды , наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива - малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня - стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря - условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже - во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) - осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.

Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды - приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана.

В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».

Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Объяснение происхождения приливообразующих сил.

Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона . Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно бóльшую роль, чем массы тел.

Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.

Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30-60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.

За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной - обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.

Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.

Неравенства величин прилива.

Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.

Полусуточный эффект.

Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе - вращению Земли вокруг своей оси - образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, - против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.

Полумесячное неравенство.

Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 14 3 / 4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.

Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы - не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.

Что такое отлив и прилив

На многих морских побережьях можно наблюдать, как уровень воды с определённой периодичностью равномерно опускается и остается лишь вязкая почва. Этот процесс называется отливом. Однако через несколько часов уровень воды вновь поднимается и почва на берегу опять покрывается водой. Этот процесс называется приливом. Уровень воды изменяется регулярно дважды в день.

Когда приливы сменяются отливами

Отлив и прилив регулярно сменяют друг друга: за отливом следует прилив, вслед за ним — следующий отлив. Наивысший уровень воды в море или океане во время прилива называют полной водой, а минимальный во время отлива — соответственно, малой водой. Цикл «полная вода — отлив — малая вода — прилив — полная вода» составляет 12 часов 25 минут. А это значит, что приливы и отливы можно наблюдать дважды в день.

Как происходят приливы и отливы

Сила притяжения Луны обусловливает образование в море первого приливного гребня на обращённой к ней стороне Земли. В силу законов физики, связанных с вращением Земли и возникновением центробежной силы, на противоположной стороне Земли формируется второй приливной гребень, ещё более мощный, чем первый. Поэтому и здесь уровень воды повышается.

Между двумя этими гребнями он опускается, и происходит отлив! И Солнце силой своего притяжения оказывает влияние на Землю, а также на приливы и отливы. Но сила воздействия Солнца гораздо меньше, чем Луны, хотя масса Солнца в 30 миллионов раз превышает массу Луны. Причина этого кроется в том, что Солнце от Земли в 390 раз дальше, чем Луна от Земли.

Первая приливная гидроэлектростанция

Благодаря приливам и отливам, то есть поднятию и падению уровня моря, вырабатывается много энергии. Её можно использовать для производства электричества. Первая и наибольшая в настоящее время приливная гидроэлектростанция в мире была построена в эстуарии (узком заливе устья) реки Ране (Сен-Мало, Франция) и в 1966 году введена в эксплуатацию. Там разница между отливом и приливом очень велика (амплитуда 8,5 метра).

Какие еще факторы влияют на приливы и отливы

Помимо сил притяжения, космических тел, Луны и Солнца, на приливы и отливы воздействуют другие факторы: вращение Земли замедляет приливы, берега не дают воде подниматься. Кроме того, на приливы и отливы влияют сильные шторма, при которых с побережья затрудняется отток морской воды. Поэтому её уровень в таких местах значительно выше, чем при обычном приливе. На приливы и отливы также воздействует сила ветра: если он дует с берега, уровень воды падает значительно ниже нормы.

Всегда ли видны приливы и отливы

Говорят, что в некоторых морях, например в Средиземном или Балтийском, приливов и отливов нет. Конечно же, это не так, потому что они бывают во всех морях. Однако в Средиземном и Балтийском морях разница между полной и малой водой (амплитуда прилива и отлива) настолько незначительна, что практически незаметна. В Северном же море, напротив, очень чётко различаются приливы и отливы.

Приливные волны возникают в океанах и переходят в окраинные моря. Если окраинное море соединено с океаном только узким проливом, как, например, Средиземное море, приливные волны либо не достигают его, либо очень ослабевают. Северное море сообщается с Атлантическим океаном широким проливом, поэтому приливные волны легко достигают побережья и прилив в этом месте прекрасно виден.

Что такое сизигийный прилив

Особенно сильные приливы и отливы можно наблюдать на протяжении 14 дней, когда Луна и Солнце во время полнолуния и новолуния (сизигий) находятся на одной линии с Землёй. В это время приливообразующие силы обоих небесных тел, действующие в одном направлении, суммируются и усиливают прилив. Начинается так называемый сизигийный прилив, когда полная вода поднимается наиболее высоко. Соответственно, при отливе вода опускается на самый минимальный уровень.

Что такое амплитуда прилива и отлива

Разница между полной и малой водой во время прилива и отлива называется амплитудой. При этом свою роль играют силы притяжения Солнца и Луны: когда они усиливают друг друга, амплитуда увеличивается (сизигийный прилив), а когда силы притяжения ослабевают — амплитуда, наоборот, уменьшается (квадратурный прилив). В открытом море амплитуда прилива не превышает 50 сантиметров. На берегах же она, напротив, намного больше.

Так, на побережье Северного моря Германии она, например, составляет 2-3 метра, на английском побережье Северного моря — до 8 метров, а в бухте Сен-Мало (Франция) в проливе Ла-Манш — доходит до 11 метров. Это можно объяснить тем, что в мелких водах приливные волны, как и все остальные, теряют скорость и замедляют свой ход, в результате чего уровень воды поднимается.

Что такое квадратурный прилив

На протяжении семи дней после полнолуния и новолуния Солнце, Земля и Луна уже не находятся на одной прямой. Когда приливообразующие силы Луны и Солнца взаимодействуют под прямым углом друг к другу, начинается квадратурный прилив: полная вода поднимается незначительно, а уровень малой воды практически не падает.

Что такое приливные течения

Приливы не только являются причиной поднятия и падения уровня воды. В то время как море поднимается и опускается, вода движется вперед и назад. В открытом море это едва ли заметно, но в проливах и бухтах, где движение воды ограничено, можно наблюдать приливные и отливные течения. В первом случае (приливное течение) оно направлено к берегу, во втором (отливное течение) — в противоположную сторону. Смену приливных течений специалисты обычно называют поворотом. В момент поворота вода пребывает в спокойном состоянии, и это явление называется «мёртвой точкой» прилива.

Где наблюдаются наибольшие амплитуды приливов и отливов

В бухте Фанди на восточном побережье Канады можно наблюдать самые большие амплитуды приливов и отливов на нашей планете. Это значит, что разница между полной и малой водой во время прилива и отлива тут является максимальной. При сизигийном приливе она достигает 21 метра. Раньше рыбаки устанавливали сети при полной воде, а собирали рыбу из них во время малой воды: необычный способ рыбной ловли!

Как возникает штормовой прилив

Штормовым называют прилив, когда вода накатывается на берега особенно высоко. Он возникает вследствие сильных ветров, которые дуют по направлению к суше и приходят вместе с сизигийным приливом. Напомним: во время него полная вода поднимается особенно высоко, а малая вода опускается особенно низко. Это происходит в периоды полнолуния и новолуния.

Сила ветров и их длительность приводят к возникновению штормового прилива, когда вода поднимается более чем на метр над средней точкой прилива. Различают сильный штормовой прилив, при котором вода поднимается на 2,5 метра, и сверхсильный — когда вода поднимается более чем на 3 метра.

Какой скорости могут достигать приливные течения

В глубине океанов приливные течения достигают скорости около километра в час. В узких проливах она может составлять от 15 до 20 километров в час.

Приливы в океанах и морях относятся к природным явлениям, которые привлекали внимание с незапамятных времен. На большинстве морских побережий местные жители наблюдали удивительно регулярные подъёмы и опускания уровня моря, происходящие независимо от погодных условий. При этом разность высот наивысшего и наинизшего уровней нередко составляет несколько метров (рис. 1). Рекорд принадлежит заливу Фанди на атлантическом побережье Северной Америки (граница США и Канады) – до 15–16 м. В то же время на некоторых участках морских побережий (например, в Балтийском море) приливные колебания очень малы и иногда совершенно не заметны на фоне колебаний уровня, вызываемых ветром и другими нерегулярными причинами. Приливные колебания уровня сопровождаются течениями, которые изменяют свои направление и скорость с той же регулярностью, что и колебания уровня.

Рис. 1. Гавань Аплдор в Бристольском заливе (Англия) в моменты полной и малой воды (величина прилива изменяется от 3,5 до 7,1 м)

Именно регулярность приливных колебаний всегда привлекала внимание и любопытство прибрежных жителей. Наиболее высокое положение уровня воды в ходе одного цикла таких колебаний называют полной водой , а наиболее низкое положение – малой водой . Разность этих высот называется величиной прилива, а половина величины прилива – его амплитудой. В большинстве случаев удавалось подметить, что каждый новый подъём уровня (хотя и не всегда) происходит примерно через половину суток, но не солнечных , с которыми связан весь ритм нашей жизни, а лунных , каждые из которых длиннее солнечных примерно на 48 мин. Кроме того, было замечено, что величина прилива изменяется «в такт» с фазами Луны, увеличиваясь при новолуниях и полнолуниях и уменьшаясь во время первой и последней четвертей (см. таблицы «Фазы Луны» в конце ежемесячных статей проф. В.М.Чаругина «Звёздное небо в...» в газете «Физика», нечётные номера). Всё это наводило на мысль, что именно Луна каким-то образом «управляет» явлением прилива и по всей вероятности является его причиной. Связь приливов с Луной более или менее умозрительно отмечалась многими античными авторами, начиная с Пифея (IV в. до н.э.), а также и средневековыми и более поздними – вплоть до Кеплера, пока наконец Ньютоном в 1687 г. не была создана первая подлинно научная теория этого явления. Описание истории изучения приливов могло бы послужить темой отдельной статьи. Здесь же мы сосредоточим внимание на физической стороне этого природного явления.

1. Приливообразующие силы

Приливы в Мировом океане представляют собой реакцию водной оболочки нашей планеты на действие так называемых приливообразующих сил , которые возникают в результате гравитационного взаимодействия Земли с Луной и Солнцем при их совместном орбитальном движении. Для наглядного объяснения характера приливообразующих сил обычно рассматривают взаимодействие между Землёй и Луной (которое является более сильным), для простоты предполагая Землю и Луну однородными по плотности сферическими телами и считая, что их совместное орбитальное движение вокруг общего центра масс совершается по круговым орбитам. Такое движение устойчиво, поскольку взаимное гравитационное притяжение Земли и Луны уравновешивается их взаимным отталкиванием, которое обусловлено центробежной силой, возникающей при совместном обращении вокруг общего центра масс. (Центробежные силы возникают как элемент описания движения тел в неинерциальных системах отсчёта. – Ред. ) Важно отметить, что это обращение происходит без вращения Земли, т.е. все точки Земли описывают одинаковые круговые орбиты и поэтому испытывают действие одинаковых по величине и направлению центробежных сил. Таким образом, поле отталкивающих сил однородно (чем дальше от оси вращения, тем центробежные силы больше. – Ред .) по интенсивности, его силовые линии параллельны. В то же время поле силы притяжения Земли к Луне усиливается (обратно пропорционально квадрату расстояния) с приближением к притягивающему телу, а его силовые линии направлены к центру этого тела, в результате чего силы притяжения различны по величине и не параллельны . Таким образом, равновесие между притяжением и отталкиванием, справедливое для системы Земля–Луна в целом, не выдерживается для отдельных точек указанных тел из-за различной пространственной структуры взаимодействующих силовых полей. Приливообразующая сила представляет собой именно равнодействующую силы притяжения и силы отталкивания. Её распределение на поверхности Земли показано на рис. 2. Можно сказать, что на обращённой к Луне («освещённой») стороне Земли притяжение преобладает над отталкиванием, а на противоположной («теневой») стороне – наоборот.

Рис. 2. Приливообразующие силы и равновесный прилив: а ) приливообразующие силы (жирные стрелки) как равнодействующие сил притяжения (тонкие стрелки) и центробежных сил (пунктирные стрелки); б ) горизонтальные составляющие приливообразующих сил при северном склонении Луны; в ) равновесный приливной эллипсоид при нулевом склонении Луны (в разрезе по меридиану). Пунктирная окружность – невозмущённая поверхность сплошного океана; г ) равновесный приливной эллипсоид при северном склонении Луны

Из рис. 2, а видно, что приливообразующая сила в общем случае наклонена к горизонту, т.е. её можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие. Вертикальная составляющая пренебрежимо мала по сравнению с действующей по вертикали силой тяжести, поэтому для океанической водной оболочки Земли практическое значение имеет только горизонтальная составляющая приливообразующей силы, поскольку она вполне сравнима с другими горизонтальными силами в океане. Поле горизонтальных составляющих приливообразующих сил показано на рис. 2, б . В процессе своего суточного вращения Земля «проворачивается» внутри данного поля (которое сравнительно медленно изменяет свою ориентацию, «следя» за положением Луны на небесной сфере), так что в каждой точке земной поверхности приливообразующая сила периодически меняет свою величину и направление.

Указанное медленное изменение ориентации силового поля происходит вслед за движением Луны по своей орбите, плоскость которой наклонена к плоскости экватора. При этом «подлунная» точка Z попеременно оказывается то в Северном, то в Южном полушарии. С учётом эллиптичности лунной орбиты (непостоянства расстояния между Землёй и Луной) силовое поле изменяет не только свою ориентацию, но и величину, усиливаясь при сближении Земли с Луной и ослабевая при удалении. Таким образом, изменчивость приливообразующей силы в каждой точке земной поверхности оказывается весьма сложной.

2. Равновесный прилив

Простейшей реакцией на действие приливообразующей силы* Т является равновесный , или статический прилив , возникающий при условии, что в любой момент поверхность океана приобретает форму с такими уклонами свободной поверхности, которые создают силу горизонтального градиента давления G , в любой момент уравновешивающую силу Т . Это условие кратко записывается соотношением Т + G = 0. Для гипотетического случая океана, сплошь покрывающего Землю, такая поверх-ность образует приливной эллипсоид , показанный (в разрезе по меридиану) на рис. 2, в (большая ось эллипсоида лежит в плоскости экватора) и 2, г (большая ось наклонена к плоскости экватора). Первый случай соответствует нулевому склонению** Луны, а второй – максимальному (28°). Нетрудно видеть, что при «проворачивании» Земли (вместе с океаном) внутри эллипсоида, показанного на рис. 2, в , наблюдатель, находящийся на определённой географической широте, будет фиксировать за один полный оборот два одинаковых подъёма и два падения уровня океана. Таким образом, период колебаний уровня будет равен половине лунных суток (12 лунным часам, каждый из которых равен примерно 62 минутам) – такой прилив называют полусуточным . Однако в случае, показанном на рис. 2, г , полусуточный период колебаний сохраняется только вблизи экватора. С приближением к полюсам один из двух последовательных подъёмов уровня становится всё меньше другого, а начиная с некоторой широты, фиксируется только один подъём за сутки – такой прилив называют суточным, и его период равен 24 лунным часам.

Если вспомнить, что при гравитационном взаимодействии Земли с Солнцем также создаётся поле приливообразующих сил, то соответствующий солнечный равновесный прилив можно представить в виде дополнительного приливного эллипсоида, «нацеленного» не на Луну, а на Солнце. Полный лунно-солнечный равновесный прилив представляет собой результат суммирования поднятий и понижений, создаваемых обоими эллипсоидами. Солнечный эллипсоид даёт несколько меньший, чем лунный, вклад в полный прилив из-за того, что расстояние от Земли до Солнца во много раз больше, чем до Луны, и солнечное поле приливообразующих сил в 2,17 раза слабее лунного. Период суточной и полусуточной компонент солнечного прилива составляет соответственно 24 и 12 солнечных часов, в каждом из которых 60 минут. Взаимное расположение солнечного и лунного эллипсоидов всё время изменяется. В течение одного лунного месяца (около 28 суток) они дважды, в моменты новолуний и полнолуний (называемых моментами сизигии ), оказываются «в фазе», приводя к усилению суммарного равновесного прилива, и дважды, в моменты первой и последней четвертей (называемых моментами квадратуры ), оказываются «в противофазе», что приводит к ослаблению суммарного прилива.

Описанный равновесный прилив часто используется в популярной литературе для объяснения этого природного явления. Однако надо иметь в виду, что при реальном приливе форма поверхности океана сильно отличается от приливного эллипсоида, она гораздо сложнее и описывается целой системой разнообразных волновых колебаний, распространяющихся в самых различных направлениях. Это происходит оттого, что допущения равновесной (или статической) теории чрезмерно велики. Главное из них состоит в предположении, что вода океана, обладая гравитационными свойствами, в то же время лишена инерции и мгновенно «приспосабливается» к изменяющемуся полю приливообразующих сил без участия инерционных сил. Другими словами, считается, что движения, которые должны совершить водные частицы при «проворачивании» океана вместе с Землёй внутри приливного эллипсоида, не сопровождаются сколько-нибудь заметными ускорениями , и поэтому возникающая при этом сила инерции пренебрежимо мала по сравнению с силами Т и G . В действительности это не так, поскольку при движениях, возбуждаемых приливообразующей силой, ускорения в большинстве случаев достаточно велики, и связанные с ними инерционные силы придают всему явлению прилива динамический характер, при котором существенное значение имеет явление резонанса . Помимо того, отличие реальной конфигурации Мирового океана от полностью покрывающего Землю сферического слоя делает невозможной существование сплошного приливного эллипсоида даже в случае статического равновесия.

Надо отметить, что, хотя реальный прилив совершенно не похож на равновесный по пространственным свойствам (т.е. по форме водной поверхности), он сохраняет многие свойства временной изменчивости последнего. В реальном приливе чётко проявляются характерные для равновесного прилива колебания с полусуточными и суточными периодами, а также регулярные изменения интенсивности колебаний, связанные с фазами Луны, изменением склонения Луны и Солнца и их расстояний до Земли. Подобным же образом в реальных приливах находят отражение и другие изменения астрономических условий. Можно показать, что и равновесный, и реальный приливы представляют собой сумму синусоидальных во времени составляющих, называемых приливными гармониками , среди которых наряду с суточными и полусуточными имеются составляющие с другими, гораздо более длинными периодами. Реальный прилив, являясь динамической реакцией на действие приливообразующих сил, фактически содержит в своём спектре все периоды (или частоты), которые присутствуют в этих силах и соответствующем им равновесном приливе. Однако соотношения между амплитудамигармоник, имеющих различные периоды, в реальном приливе могут существенно отличаться от тех, которые имеют место в приливообразующих силах, из-за резонансных эффектов .

3. Динамический прилив

Нарушение статического равновесия в реальном приливе означает, что приливообразующая сила и сила горизонтального градиента давления не уравновешивают друг друга, поэтому баланс сил становится динамическим и, согласно второму закону Ньютона, должен записываться в виде Т + G = I , где I – произведение массы водной частицы на её ускорение (т.е. –I – это сила инерции ). При применении этого закона для описания движений жидкости его называют также уравнением движения . Надо отметить, что для некоторых приливных составляющих с очень большими периодами инерционный член I может оказаться очень малым (из-за медленности процесса), и такие компоненты реального прилива могут соответствовать равновесной теории. Однако в случае наиболее важных с практической точки зрения суточных и полусуточных приливов ускорения обычно велики, и эти приливы, как правило, описываются динамической теорией.

Соответствующие динамической теории движения имеют вид волн, распространяющихся в океане от районов, где происходит генерация приливной энергии (энергетические источники), к районам, где энергия теряется (энергетические стоки). Движение водных частиц в таких волнах происходит по орбитальным траекториям, представляющим собой вытянутые в горизонтальном направлении эллипсы, причём вертикальные компоненты такого движения воспринимаются нами, как приливные колебания уровня, а горизонтальные – как приливные и отливные течения. В масштабе Мирового океана энергетическими источниками являются зоны, где приливообразующие силы действуют синфазно с приливными движениями (где эти силы раскачивают воду), а стоками – те зоны, где эти силы действуют в противофазе с приливными движениями (тормозят воду). В масштабе отдельных океанов иморей источниками и стоками дополнительно могут служить проливы, через которые приливные волны проникают в данный бассейн (приносят энергию) либо излучаются (уносят энергию). Кроме того, дополнительными стоками энергии могут служить мелководные прибрежные зоны шельфа, где приливные движения становятся особенно интенсивными и энергия диссипирует в тепло за счёт усиливающегося трения воды о дно. В таких относительно мелководных районах сила трения становится настолько заметной, что её тоже надо учитывать в общем балансе сил, который в этом случае принимает вид

Т + G + F = I ,

где F – сила трения.

Необходимо иметь в виду, что при рассмотрении колебательных движений с такими большими периодами, как приливные (12 ч, 24 ч или ещё больше), в ускорении, которому пропорционален инерционный член I , следует учитывать не только изменение скорости приливных течений («обычное» ускорение), но и то ускорение, которое приобретают частицы воды за счёт вращения Земли. Это так называемый эффект Кориолиса , воспринимаемый наблюдателем, находящимся на Земле, как сила , действующая на движущиеся частицы воды. Сила Кориолиса пропорциональна скорости приливного течения и направлена в Северном полушарии вправо, а в Южном полушарии – влево от направления этого течения. В колебаниях с меньшими периодами (например, в ветровых волнах, где периоды имеют порядок нескольких секунд) скорость течения изменяется быстро, поэтому «обычные» ускорения велики, и по сравнению с ними эффектом Кориолиса за счёт вращения Земли можно пренебречь. Однако при гораздо более медленных, полусуточных и суточных, приливных колебаниях этот эффект сравним с «обычными» ускорениями и другими членами уравнения движения, и поэтому силу Кориолиса при изучении приливов надо учитывать.

4. Приливные волны

Приливные волны в открытом океане имеют высоту, как правило, не более нескольких десятков сантиметров, но огромную длину – сотни и тысячи километров. Они распространяются со скоростью где g – ускорение свободного падения, а H – глубина бассейна, что составляет в открытом океане несколько сотен, а в зоне прибрежного мелководья несколько десятков километров в час (см. статью Е.А.Куликова «Физика цунами» в «Физике» № 11/05). В таких бегущих приливных волнах максимальные течения, направленные по ходу волны, всегда совпадают с её вершиной, а максимальные встречные течения совпадают с подошвой
(рис. 3, а ). С приближением к берегу и выходом на мелководье скорость приливных волн падает, их длина уменьшается, в то время как высота волн и скорость приливных течений увеличиваются. На прибрежных участках моря (в заливах и частях шельфа), где период собственных колебаний водных масс бассейнов совпадает с приливным периодом (12 ч, 24 ч и др.), возможно дополнительное усиление приливных колебаний. В результате высота приливных волн может увеличиваться до нескольких метров, а скорость приливных течений – до нескольких метров в секунду.

Рис. 3. Типы приливных волн: а ) бегущая, поле течений перемещается вместе с волной в сторону её распространения; б ) стоячая, поле течений «пульсирует» с переменой знака, не перемещаясь

Подходя к берегу или крутому подводному уступу, приливные волны полностью или частично отражаются от этих препятствий, порождая волны, бегущие в обратном направлении. Поскольку при отражении от берега приливная волна как правилотеряет часть своей энергии на прибрежную диссипацию, отражённая волна обычно слабее прямой. Отражение приливной волны может происходить и от подводного уступа, например, от континентального склона, отделяющего прибрежное мелководье (шельф) от глубокого океана. В этом случае отражение является частичным, поскольку часть энергии приходящей из океана волны уходит на шельф вместе с проходящей волной. Явление отражения является очень распространённым и приводит к тому, что в большинстве случаев наблюдаемая картина приливных колебаний в морях и океанах представляет собой результат интерференции прямых и отражённых приливных волн.

Во многих случаях, например, в бассейнах типа заливов или проливов, прямая и отражённая волны направлены практически навстречу друг другу. Их интерференция приводит к формированию стоячих волн . Для этого типа движения характерно образование перемежающихся зон узлов и пучностей , отстоящих друг от друга на расстояние, равное четверти длины приливной волны. В зоне узла скорости приливных течений максимальны, а колебания уровня минимальны. В зоне пучности, наоборот, колебания уровня максимальны, а приливные течения минимальны (рис. 3, б ). Таким образом, особенности приливных колебаний уровня и приливных течений помогают распознать местоположение и определить ориентацию узлов и пучностей, что даёт возможность производить анализ структуры и механизма формирования приливных явлений в морях и океанах.

5. Приливные карты

В настоящее время характеристики приливных колебаний известны практически для всей площади Мирового океана, включая как прибрежные, так и удалённые от берега районы. Распределение этих характеристик по поверхности океанов и морей изображается с помощью так называемых приливных карт . Основными характеристиками, которые показаны на этих картах, являются амплитуды и фазы приливных колебаний уровня моря длягармоник, преобладающих в данном районе. Так ие колебания поверхности описываются синусоидой с соответствующим периодом, в каждой точке океана имеющей свою амплитуду и фазу. Распределение амплитуд и фаз даётся с помощью изолиний, т.е. линий равных значений, подобно тому, как это делается для характеристики пространственного распределения температуры (изотермы), атмосферного давления (изобары) и др. Линии равных значений амплитуд (0,5 м; 1,0 м; 1,5 м и т.д.) называются изоамплитудами . Линии равных значений фаз носят название котидальных линий , или котидалей (от англ. co-tidal ; tide – прилив ). Можно сказать, что котидали – это линии, на которых одновременно наступает полная вода, они оцифровываются соответствующими моментами времени (1 ч, 2 ч и т.д.). Если прилив в данном районе имеет характер бегущей волны, то можно сказать, что котидальная линия показывает изменяющееся от часа к часу положение гребня приливной волны. При наличии обеих карт (их часто совмещают, см. например рис. 4) для каждой точки моря можно путем интерполяции найти амплитуду и фазу колебаний уровня и по ним построить кривую хода уровня (синусоиду) на весь приливной период. Таким образом, такой пары карт в принципе достаточно, чтобы охарактеризовать и предсказать колебания уровня за счёт данной приливной гармоники в любой точке моря.

Рис. 4. Пример совмещённой карты котидальных линий и изоамплитуд для Северного моря

Несколько более сложно дать достаточно полное, наглядное и удобное для использования изображение характеристик приливных течений, поскольку они представляют собой изменяющиеся векторные величины. В этом случае приходится составлять целые серии карт для разных часов приливного цикла, показывающих поле этих течений в виде стрелок. Иногда составляются карты, на которых в отдельных точках показаны сразу все течения, наблюдаемые в данной точке за приливной цикл. В этом случае течения в каждой точке изображаются в виде пучка стрелок, оцифрованных от часа к часу и имеющих длину, пропорциональную скорости течения. Существуют и другие способы картографического представления и учёта течений.

Вместе с картами изоамплитуд и фаз колебаний уровня карты приливных течений объединяют в «Приливные атласы», которые представляют собой один из видов навигационных пособий, необходимых для мореплавания. В настоящее время разработаны и используются электронные варианты таких пособий. Учёт приливных колебаний уровня и приливных течений особенно важен в районах их сильного развития. Таких районов в Мировом океане и его морях очень много. Среди морей у российского побережья к ним относятся Белое, Охотское, Берингово, Японское и Баренцево, а также ряд морей Северного Ледовитого океана.

Приливные явления представляют значительный интерес для моряков, рыбаков, военных, строителей и вообще всех обитателей прибрежной зоны. В последнее время приобретает значительный интерес проблема промышленного использования энергии приливных явлений. Это одна из областей энергетики, в которой ещё немало нерешённых вопросов, связанных как с техническими проблемами отбора и использования энергии, так и с оценкой возможных, в частности экологических, последствий такого отбора.

– выпускник Ленинградского гидрометеорологического института (ЛГМИ) 1956 г. По распределению работал инженером-океанологом в Камчатском управлении гидрометеослужбы (г. Петропавловск-на-Камчатке), затем вернулся в ЛГМИ и, окончив аспирантуру, прошёл путь от инженера до доцента, был начальником кафедры полярной океанологии в Ленинградском Высшем морском училище им. адмирала С.О.Макарова. В 1963 г. защитил кандидатскую, а в 1977 г. – докторскую диссертации. В 1979 г. удостоен профессорского звания. С 1982-го по 1990 г. – профессор ЛГМИ; с 1990-го по 2001 г. – завкафедрой динамики океана ЛГМИ (сейчас РГГМУ); с 2001 г. по настоящее время – профессор кафедры океанологии РГГМУ. Член Русского географического общества РАН (и член бюро океанографической комиссии РГО), член учёных советов РГГМУ и СПбГУ. Представитель РГГМУ в Балтийской оперативной океанографической системе (BOOS ). Участник морских экспедиций в Тихом и Атлантическом океанах, а также в Баренцевом, Норвежском, Гренландском, Северном, Балтийском, Средиземном, Чёрном, Белом, Охотском, Японском, Беринговом, Чукотском, Восточно-Китайском морях. Последние 14 лет руководит экспедициями в Балтийском море на парусном катамаране. Сфера научных интересов: физическая океанография, морские приливы, приливная энергия, волны цунами, колебания уровня моря, океанография Балтийского моря, Финского залива и их прибрежных зон. Имеет награды: почётную грамоту Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды; нагрудный знак «Почётный работник гидрометеослужбы России», медаль «В память 300-летия Санкт-Петербурга». Двое детей (дочь и сын), внук и внучка. Хобби: хождение под парусом, филателия.

________________________

**Склонением называют угол между плоскостью экватора Земли и линией, соединяющей центры Земли и Луны.