Самые слабые приливы. Влияние приливов и отливов на организмы, населяющие Землю. Влияние приливов и отливов на окружающую среду и человека

Прилив и отлив

Прили́в и отли́в - периодические вертикальные колебания уровня океана или моря , являющиеся результатом изменения положений Луны и Солнца относительно Земли вкупе с эффектами вращения Земли и особенностями данного рельефа и проявляющееся в периодическом горизонтальном смещении водных масс. Приливы и отливы вызывают изменения в высоте уровня моря, а также периодические течения, известные как прили́вные течения, делающие предсказание приливов важным для прибрежной навигации .

Интенсивность этих явлений зависит от многих факторов, однако наиболее важным из них является степень связи водоёмов с мировым океаном . Чем более замкнут водоём, тем меньше степень проявления приливо-отливных явлений.

Ежегодно повторяющийся приливо-отливной цикл остаётся неизменным вследствие точной компенсации сил притяжения между Солнцем и центром масс планетной пары и силами инерции, приложенными к этому центру.

Поскольку положение Луны и Солнца по отношению к Земле периодически меняется, меняется и интенсивность результирующих приливо-отливных явлений.

Отлив у Сен-Мало

История

Отливы играли заметную роль в снабжении прибрежного населения морепродуктами, позволяя собирать на обнажившемся морском дне годную для еды пищу.

Терминология

Малая вода (Бретань, Франция)

Максимальный уровень поверхности воды во время прилива называется полной водой , а минимальный во время отлива - малой водой . В океане, где дно ровное, а суша далеко, полная вода проявляется как два «вздутия» водной поверхности: одно из них находится со стороны Луны, а другое - в противоположном конце земного шара. Также могут присутствовать ещё два меньших по размеру вздутия со стороны, направленной к Солнцу, и противоположной ему. Объяснение этому эффекту можно найти ниже, в разделе физика прилива .

Так как Луна и Солнце перемещаются относительно Земли, вместе с ними перемещаются и водные горбы, образуя прили́вные волны и прили́вные течения . В открытом море приливные течения имеют вращательный характер, а вблизи берегов и в узких заливах и проливах - возвратно-поступательный.

Если бы вся Земля была покрыта водой, мы бы наблюдали два регулярных прилива и отлива ежедневно. Но так как беспрепятственному распространению приливных волн мешают участки суши: острова и континенты , а также из-за действия силы Кориолиса на движущуюся воду, вместо двух приливных волн наблюдается множество маленьких волн, которые медленно (в большинстве случаев с периодом 12 ч 25,2 мин) обегают вокруг точки, называющейся амфидромической , в которой амплитуда прилива равна нулю. Доминирующая компонента прилива (лунный прилив М2) образует на поверхности Мирового океана около десятка амфидромических точек с движением волны по часовой стрелке и примерно столько же - против часовой (см. карту). Всё это делает невозможным предсказание времени прилива только на основе положений Луны и Солнца относительно Земли. Вместо этого используют «ежегодник приливов» - справочное пособие для вычисления времени наступления приливов и их высоты в различных пунктах земного шара. Также используются таблицы приливов, с данными о моментах и высотах малых и полных вод, вычисленными на год вперёд для основных прили́вных по́ртов .

Составляющая прилива M2

Если соединить на карте точки с одинаковыми фазами прилива, мы получим так называемые котидальные линии , радиально расходящиеся из амфидромической точки. Обычно котидальные линии характеризуют положение гребня приливной волны для каждого часа. Фактически котидальные линии отражают скорость распространения приливной волны за 1 час. Карты, на которых представлены линии равных амплитуд и фаз приливных волн, называются котидальными картами .

Высота прилива - разница между высшим уровнем воды при приливе (полная вода) и низшим её уровнем при отливе (малая вода). Высота прилива - величина непостоянная, однако средний её показатель приводится при характеристике каждого участка побережья.

В зависимости от взаимного расположения Луны и Солнца малая и большая приливные волны могут усиливать друг друга. Для таких приливов исторически сложились специальные названия:

• Квадратурный прилив - наименьший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под прямым углом друг к другу (такое положение светил называется квадратурой).
• Сизигийный прилив - наибольший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления (такое положение светил называется сизигией).

Чем меньше или больше прилив, тем меньше или, соответственно, больше отлив.

Самые высокие приливы в мире

Можно наблюдать в бухте Фанди (15,6-18 м), которая находится на восточном побережье Канады между Нью-Брансуиком и Новой Шотландией.

На Европейском континенте самые высокие приливы (до 13,5 м) наблюдаются в Бретани у города Сен-Мало . Здесь приливная волна фокусируется береговой чертой полуостровов Корнуолл (Англия) и Котантен (Франция).

Физика прилива

Современная формулировка

Применительно к планете Земля причиной приливов является нахождение планеты в гравитационном поле, создаваемом Солнцем и Луной. Поскольку создаваемые ими эффекты независимы, то воздействие этих небесных тел на Землю можно рассматривать по отдельности. В таком случае для каждой пары тел можно считать, что каждое из них обращается вокруг общего центра гравитации. Для пары Земля - Солнце этот центр находится в глубине Солнца на расстоянии 451 км от его центра. Для пары Земля-Луна он находится в глубине Земли на расстоянии 2/3 её радиуса.

Каждое из этих тел испытывает действие приливных сил, источником которых являются сила гравитации и внутренние силы, обеспечивающие целостность небесного тела, в роли которых выступает сила собственного притяжения, далее называемая самогравитацией. Наиболее наглядно возникновение приливных сил прослеживается на примере системы Земля - Солнце.

Приливная сила представляет собой результат конкурирующего взаимодействия силы тяготения, направленной к центру гравитации и убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния от него, и фиктивной центробежной силы инерции, обусловленной обращением небесного тела вокруг этого центра. Эти силы, будучи противоположными по направлению, совпадают по величине только в центре масс каждого из небесных тел. Благодаря действию внутренних сил Земля обращается вокруг центра Солнца как целое с постоянной угловой скоростью для каждого элемента составляющей её массы. Поэтому по мере удаления этого элемента массы от центра гравитации действующая на него центробежная сила растёт пропорционально квадрату расстояния. Более детальное распределение приливных сил в их проекции на плоскость, перпендикулярную плоскости эклиптики , приведены на рис.1.

Рис.1 Схема распределения приливных сил в проекции на плоскость, перпендикулярную Эклиптике. Тяготеющее тело либо справа, либо слева.

Достигаемое в результате действия приливных сил воспроизводство изменений формы подвергаемого их действию тел может, в соответствие с ньютонианской парадигмой, быть достигнуто лишь в том случае, если эти силы полностью скомпенсированы иными силами, в число которых может входить и сила Всемирного тяготения.

Рис.2 Деформация водной оболочки Земли как следствие баланса приливной силы, силы самогравитации и силы реакции воды на усилие сжатия

В результате сложения этих сил и возникают симметрично по обе стороны земного шара приливные силы, направленные в разные стороны от него. Приливная сила, направленная к Солнцу, имеет гравитационную природу, а направленная от Солнца есть следствие фиктивной силы инерции.

Эти силы крайне слабы и не идут ни в какое сравнение с силами самогравитации (создаваемое ими ускорение в 10 миллионов раз меньше ускорения свободного падения ). Однако они вызывают сдвиг частиц воды Мирового океана (сопротивление сдвигу в воде при малых скоростях движения практически равно нулю, в то время как сжатию - чрезвычайно велико), до тех пор, пока касательная к поверхности воды не станет перпендикулярной результирующей силе.

В итоге на поверхности мирового океана возникает волна, занимающая постоянное положение в системах взаимно тяготеющих тел, но бегущая по поверхности океана совместно с суточным движением его дна и берегов. Таким образом (в пренебрежении океаническими течениями) каждая частица воды дважды совершает в течение суток колебательное движение вверх-вниз.

Горизонтальное движение воды наблюдается лишь у берегов как следствие подъёма её уровня. Скорость движения тем больше, чем более полого расположено морское дно.

Приливообразующий потенциал

(концепция акад. Шулейкина )

Пренебрегая размером, строением и формой Луны, запишем удельную силу притяжения пробного тела, находящегося на Земле. Пусть - радиус-вектор, направленный от пробного тела в сторону Луны, - длина этого вектора. В этом случае сила притяжения этого тела Луной будет равна

где - селенометрическая гравитационная постоянная. Пробное тело поместим в точку . Сила притяжения пробного тела, помещённого в центр масс Земли будет равна

Здесь под и понимаются радиус-вектор, соединяющий центры масс Земли и Луны, и их абсолютные величины. Приливной силой мы будем называть разность этих двух сил тяготения

В формулах (1) и (2) Луна считается шаром со сферически-симметричным распределением масс. Силовая функция притяжения пробного тела Луной ничем не отличается от силовой функции притяжения шара и равна Вторая сила приложена к центру масс Земли и является строго постоянной величиной. Для получения силовой функции для этой силы мы введём временную систему координат. Ось проведём из центра Земли и направим в сторону Луны. Направления двух других осей оставим произвольными. Тогда силовая функция силы будет равна . Приливообразующий потенциал будет равен разности этих двух силовых функций. Обозначим его , получим Постоянную определим из условия нормировки, согласно которому приливообразующий потенциал в центре Земли равен нулю. В центре Земли , Отсюда следует, что . Следовательно, мы получаем окончательную формулу приливообразующего потенциала в виде (4)

Поскольку

При малых величинах , , последнее выражение можно представить в следующем виде

Подставив (5) в (4), получим

Деформация поверхности планеты под действием приливов и отливов

Возмущающее воздействие приливного потенциала деформирует уровненную поверхность планеты. Оценим это воздействие, считая, что Земля представляет собой шар со сферически-симметричным распределением массы. Невозмущённый гравитационный потенциал Земли на поверхности будет равен . Для точки . , находящейся на расстоянии от центра сферы, гравитационный потенциал Земли равен . Сократив на гравитационную постоянную, получим . Здесь переменными величинами являются и . Обозначим отношение масс гравитирующего тела к массе планеты греческой буквой и решим полученное выражение относительно :

Так как с той же степенью точности получим

Учитывая малость отношения последние выражения можно записать так

Мы получили, таким образом, уравнение двухосного эллипсоида, у которого ось вращения совпадает с осью , т.е с прямой, соединяющей тяготеющее тело с центром Земли. Полуоси этого эллипсоида, очевидно, равны

Приведём в конце небольшую численную иллюстрацию данного эффекта. Вычислим приливной «горб» на Земле, вызванный притяжением Луны. Радиус Земли равен км, расстояние между центрами Земли и Луны с учётом нестабильности лунной орбиты км, отношение массы Земли к массе Луны равно 81:1. Очевидно, что при подстановке в формулу мы получим величину, примерно равную 36 см.

См. также

Примечания

Литература

• Фриш С. А. и Тиморева А. В. Курс общей физики, Учебник для физико-математических и физико-технических факультетов государственных университетов,Том I. М.: ГИТТЛ,1957
• Щулейкин В. В. Физика моря. М.:Изд-во «Наука»,Отделение наук о Земле АН СССР 1967
• Войт С. С. Что такое приливы. Редколлегия научно-популярной литературы Ан СССР

Ссылки

• WXTide32 - свободно распространяемая программа для составления таблиц приливов

Луна
Особенности

Мировой океан живет по своим правилам, которые гармонично сочетаются с законами мироздания. Уже давно люди заметили, что активно передвигаются, но никак не могли понять, с чем связаны эти колебания уровня моря. Давайте выясним, что такое прилив, отлив?

Приливы и отливы: загадки океана

Моряки отлично знали, что приливы и отливы - явление ежедневное. Но вот природу этих изменений понять не могли ни простые жители, ни ученые умы. Еще в пятом веке до нашей эры философы пытались описать и охарактеризовать, как движется Мировой океан. представлялись чем-то фантастическим и необыкновенным. Даже авторитетные ученые считали приливы дыханием планеты. Эта версия существовала на протяжении нескольких тысячелетий. Только в конце семнадцатого века значение слова "прилив" связали с движением Луны. Но объяснить этот процесс с научной точки зрения так и не удалось. Спустя сотни лет ученые разобрались с этой загадкой и дали точное определение ежедневному изменению уровня воды. Появившаяся в двадцатом веке наука океанология установила, что прилив - это поднятие и опускание уровня вод Мирового океана в связи с гравитационным воздействием Луны.

Везде ли приливы одинаковы?

Влияние Луны на земную кору неодинаково, поэтому нельзя сказать, что по всему миру приливы идентичны. В некоторых уголках планеты ежедневные перепады уровня моря доходят до шестнадцати метров. А жители побережья Черного моря практически вообще не замечают приливов и отливов, так как они являются самыми незначительными в мире.

Обычно изменение происходит дважды в сутки - утром и вечером. Но вот в Южно-Китайском море прилив - это движение водных масс, которое происходит всего лишь один раз за двадцать четыре часа. Более всего перепады уровня моря заметны в проливах или других узких местах. Если понаблюдать, то невооруженным взглядом будет заметно, насколько быстро уходит или приходит вода. Иногда за несколько минут она поднимается на пять метров.

Как мы уже выяснили, изменение уровня моря вызвано воздействием на земную кору ее неизменного спутника Луны. Но как происходит этот процесс? Чтобы понять, что такое прилив, необходимо в подробностях представлять взаимодействие всех планет в Солнечной системе.

Луна и Земля находятся в постоянной зависимости друг от друга. Земля притягивает свой спутник, а тот, в свою очередь, стремится притянуть нашу планету. Это бесконечное соперничество позволяет сохранять между двумя космическими телами нужное расстояние. Луна и Земля движутся по своим орбитам, то отдаляясь, то приближаясь друг к другу.

В тот момент, когда Луна подходит к нашей планете ближе, земная кора выгибается ей навстречу. Это вызывает волнение воды на поверхности земной коры, она будто стремится подняться выше. Отдаление земного спутника вызывает спад уровня Мирового океана.

Интервал приливов и отливов на Земле

Так как прилив - это регулярное явление, то у него должен быть свой определенный интервал движения. Океанологи сумели вычислить точное время лунных суток. Этим термином принято называть оборот Луны вокруг нашей планеты, он чуть длиннее привычных для нас двадцати четырех часов. Каждый день приливы и отливы сдвигаются на пятьдесят минут. Этот временной промежуток необходим волне, чтобы "догнать" Луну, перемещающуюся за земные сутки на тринадцать градусов.

Влияние океанских приливов на реки

Что такое прилив, мы уже выяснили, но мало кто знает о влиянии этих океанских колебаний на нашу планету. Удивительно, но даже реки подвержены влиянию океанских приливов, и порой результат этого вмешательства бывает невероятно пугающим.

Во время обильных приливов волна, зашедшая в устье реки, встречается с потоком пресной воды. В результате смешения водных масс различной плотности образуется мощный вал, который с огромной скоростью начинает продвигаться против течения реки. Этот поток называют бором, и он способен разрушить на своем пути практически все живое. Подобное явление за несколько минут смывает прибрежные поселения и размывает береговую линию. Бор останавливается так же внезапно, как и начался.

Ученые фиксировали случаи, когда мощный бор поворачивал реки вспять или полностью останавливал их. Нетрудно представить, насколько катастрофичны для всех обитателей реки стали эти феноменальные случаи действия приливов.

Как приливы влияют на морских обитателей?

Не удивительно, что приливы оказывают огромное влияние на все организмы, которые живут в глубинах океана. Труднее всего приходится мелким животным, обитающим в прибрежных зонах. Они вынуждены постоянно приспосабливаться к изменению уровня воды. Для многих из них приливы - это способ поменять место обитания. Во время приливов мелкие рачки перебираются ближе к берегу и находят для себя корм, отливная волна утягивает их глубже в океан.

Океанологи доказали, что многие морские обитатели тесно связаны с приливными волнами. К примеру, у некоторых видов китов во время отливов замедляется обмен веществ. У других глубоководных жителей репродуктивная активность зависит от высоты волны и ее амплитуды.

Большинство ученых считает, что исчезновение таких явлений, как колебания уровня Мирового океана, приведет к вымиранию многих живых существ. Ведь в этом случае они лишатся источника питания и не смогут подстраивать свои биологические часы под определенный ритм.

Скорость вращения Земли: велико ли влияние приливов?

Уже долгие десятилетия ученые изучают все, что связано с термином "прилив". Это тот процесс, который с каждым годом приносит все больше загадок. Многие специалисты связывают скорость вращения Земли с действием приливных волн. Согласно этой теории, под влиянием приливов формируются На своем пути они постоянно преодолевают сопротивления земной коры. В итоге практически незаметно для человека скорость вращения планеты замедляется.

Изучая морские кораллы, океанологи выяснили, что несколько миллиардов лет назад земные сутки составляли двадцать два часа. В дальнейшем вращение Земли будет замедляться еще сильнее, и в какой-то момент просто сравняется с амплитудой лунных суток. В этом случае, как прогнозируют ученые, приливы и отливы просто исчезнут.

Жизнедеятельность человека и амплитуда колебаний Мирового океана

Не удивительно, что действию приливов подвержен и человек. Ведь он на 80% состоит из жидкости и не может не откликаться на влияние Луны. Но человек не был бы венцом творения природы, если бы не научился использовать с выгодой для себя практически все природные явления.

Энергия приливной волны невероятно велика, поэтому уже много лет создаются различные проекты по строительству электростанций в районах с большой амплитудой движения водных масс. В России таких электростанций уже несколько. Первая была построена в Белом море и являлась экспериментальным вариантом. Мощность этой станции не превышала восьмиста киловатт. Сейчас эта цифра кажется смешной, и новые электростанции, использующие приливную волну, вырабатывают энергию, питающую многие города.

Ученые видят именно в этих проектах будущее российской энергетики, ведь позволяют бережнее относиться к природе и сотрудничать с ней.

Приливы и отливы - это природные явления, которые не так давно были совсем не изученными. Каждое новое открытие океанологов приводит к еще большим вопросам в этой области. Но возможно, когда-нибудь ученые сумеют разгадать все тайны, которые каждый день преподносит человечеству океанский прилив.

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? 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

• 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.

Чтобы исчерпать основные вопросы, связанные с существованием у Земли ее спутника - Луны, нам необходимо сказать несколько слов и относительно явления приливов. Это необходимо также и для получения ответа на последний вопрос, поднимаемый в этой книге: откуда взялась Луна и каково ее будущее? Что такое прилив?

Во время приливов на берегах открытых морей и океанов происходит наступление воды на берега. Низкие берега буквально захлестываются огромными массами воды. Громадные пространства покрываются водой. Море как бы выступает из берегов и наседает на сушу. Вода морская явно поднимается.

Во время приливов (64) океанские глубокосидящие в воде суда имеют возможность свободно входить в относительно мелководные гавани и в устья рек, впадающих в океаны.

Приливная волна бывает в некоторых местах очень высока, достигая десятка и более метров.

Проходит приблизительно шесть часов с начала подъема воды,- и прилив сменяется отливом (65), вода начинает постепенно

спадать, море у берегов мелеет, и значительные пространства прибрежной полосы освобождаются от воды. Недавно еще в этих местах плавали пароходы, а теперь жители бродят по мокрому песку и гравию и собирают раковины, водоросли и другие «дары» моря.

Чем же объясняются эти постоянные приливы и отливы? Они происходят вследствие притяжения, которое Луна оказывает на Землю.

Не только Земля притягивает к себе Луну, но и Луна притягивает Землю. Притяжение Земли сказывается на движении Луны, заставляя Луну двигаться по криволинейному пути. Но вместе с этим притяжение Земли несколько изменяет форму Луны. Обращенные к Земле ее части притягиваются Землей сильнее других частей. Таким образом Луна должна иметь несколько вытянутую по направлению к Земле форму.

Притяжение Луны сказывается и на форме Земли. В стороне, обращенной в данный момент к Луне, происходит некоторое вспучивание, вытягивание земной поверхности (66).

Частицы воды, как более подвижные и обладающие малым сцеплением, более поддаются этому притяжению Луны, чем частицы твердой суши. В связи с этим и создается весьма заметный подъем воды в океанах.

Если бы Земля, как и Луна, была обращена к Луне всегда одной и той же стороной, форма ее была бы несколько вытянута в направлении к Луне и никаких чередующихся приливов и отливов не существовало бы. Но Земля поворачивается разными сторонами ко всем небесным светилам, в том числе и к Луне (суточное вращение). В связи с этим по Земле как бы б е ж и т приливная волна, бежит вслед за Луной, вздымающей выше воду океанов в частях земной поверхности, обращенных к ней в данный момент. Приливы должны чередоваться с отливами.

За сутки Земля сделает один поворот вокруг своей оси. Следовательно, ровно через сутки к Луне должны быть обращены одни и те же части земной поверхности. Но мы знаем, что Луна за сутки успевает пройти некоторую часть своего пути вокруг Земли, двигаясь в том же направлении, в каком вращается и Земля. Поэтому удлиняется период, по истечении которого к Луне будут обращены одни и те же части Земли. Вследствие этого цикл приливов и отливов происходит не в сутки, а в 24 часа 51 минуту. За этот промежуток времени чередуются на Земле два прилива и два отлива.

Но почему два, а не один? Объяснение этому мы находим, вспоминая еще раз закон всемирного тяготения. Согласно этому закону, сила притяжения уменьшается с увеличением расстояния, и притом обратно пропорционально его квадрату: вдвое увеличивается расстояние - вчетверо уменьшается притяжение.

В стороне Земли, прямо противоположной той, которая обращена к Луне, происходит следующее. Частицы, близкие к поверхности Земли, притягиваются Луной с л а б е е, чем внутренние части Земли. Они менее стремятся к Луне, чем более близкие к ней частицы. Поэтому поверхность морей здесь как бы отстает несколько от твердых внутренних частей земного шара и здесь также получается п о д ъ е м воды, водяной горб, приливный выс т у п, приблизительно такой же, как и на противоположной стороне. Здесь также приливная волна набегает на низкие берега. Следовательно, у берегов океанов будет прилив и тогда, когда эти берега обращены к Луне, и тогда, когда Луна находится в прямо противоположной стороне. Таким образом, на Земле должно быть обязательно два прилива и два отлива за период полного оборота Земли вокруг оси.

Конечно, на величину прилива оказывает влияние также и притяжение Солнца. Но хотя Солнце и колоссально по размерам, оно, однако, и находится намного дальше от Земли, чем Луна. Его приливообразующее влияние меньше влияния Луны в два раза (составляет только 5/11 или 0.45 приливного влияния Луны).

Величина каждого прилива зависит и от высоты, на какой находится в данное время Луна. При этом совершенно безразлично, какую фазу имеет в это время Луна и видна ли она на небе. Луна может оыть в этот момент вовсе не видна, то есть находиться в той же стороне, где и Солнце, и наоборот. Только в первом случае прилив в общем будет более сильным, чем обычно, так как к притяжению Луны добавляется еще и притяжение Солнца.

Вычисление показывает, что приливообразующая сила Луны составляет только одну девятимиллионную часть силы тяжести на Земле, то есть той силы, с какой Землясама притягивает к себе. Конечно, это притягивающее действие Луны ничтожно. Ничтожен и подъем воды на несколько метров в сравнении с экваториальным поперечником земного шара, равным 12 756 776 м. Но приливная волна, даже и такая малая, весьма, как мы знаем, ощутительна для обитателей Земли, находящихся у берегов океанов.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Реферат по «Науки о Земле»

Тема: «Приливы и отливы»

Выполнил:

Студент группы Н-30

Цветков Е.Н.

Проверила:

Петрова И.Ф.

Москва, 2003

Определение.

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.

Сущность явления.

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 большую 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.

Лунное Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 27 1 / 2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 1 1 / 2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.

Суточное неравенство. Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения – вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.

Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.

Полугодовое неравенство. Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.

Солнечное параллактическое неравенство. Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.

Изменение во времени.

Явление как приливы и отливы во времени не изменились, так как движение и Луны, и Солнца, остаются прежними, как и тысячу лет назад – а именно движение этих двух небесных тел оказывают влияние на приливы и отливы на Земле.

Распространение и масштабы проявления.

Величина и характер приливов в различных частях побережья Мирового океана зависят от конфигурации берегов, угла наклона морского дна и от ряда других причин. Наиболее типично они проявляются на открытом побережье океана. Проникновение приливных волн во внутренние моря затруднено, и потому амплитуда приливов в них невелика.

Узкие мелководные Датские проливы надёжно заслоняют от приливов Балтийское море. Теоретические расчёты показывают, что амплитуда колебания высоты уровня воды в Балтике равна приблизительно 10 сантиметрам, но увидеть эти приливы практически невозможно, так как они полностью стираются колебаниями уровня воды под влиянием ветра или изменениями атмосферного давления. Ещё более надёжно защищены от приливной волны наши южные моря – Чёрное и Азовское, сообщающиеся с водами Мирового океана через ряд узких проливов, и внутренние Эгейское и Средиземное моря. Если разница в уровне воды во время прилива и отлива на атлантическом берегу Испании вблизи Гибралтара достигала 3 метров, то в Средиземном море у самого пролива она равна лишь 1,3 метра. В остальных частях моря приливы ещё менее значительны и обычно не превышают 0,5 метра. В Эгейском море и проливах Босфор и Дарданеллы приливная волна ещё сильнее затухает. Поэтому в Чёрном море колебания уровня воды под влиянием приливов менее 10 сантиметров. В Азовском море, соединённом с Чёрным лишь узким Керченским проливом, амплитуда приливов близка к нулю.

По этой же причине очень невелики приливы и в Японском море – здесь они едва достигают 0,5 метра.

Если во внутренних морях величина приливов по сравнению с открытым побережьем океана уменьшена, то в заливах и бухтах, имеющее с океаном широкое сообщение, она возрастает. В такие заливы приливная волна входит свободно. Водные массы устремляются вперёд, но, стеснённые суживающимися берегами и не находя выхода, поднимаются вверх и заливают сушу на значительную высоту.

У входа в Белое море, в так называемой Воронке, приливы почти такие же, как и на побережье Баренцева моря, то есть, равны 4 –5 метрам. На мысе Канин Нос они даже не превышают 3 метров. Однако, входя в постепенно суживающуюся Воронку Белого моря, приливная волна становится всё выше и в Мезенском заливе достигает уже десятиметровой высоты.

Ещё более значителен подъём уровня воды в самой северной части Охотского моря. Так, у входа в залив Шелихова уровень моря в прилив поднимается до 4 –5 метров, в кутовой же (наиболее удалённой от моря) части залива возрастает до 9,5 метра, а в Пенжинской губе достигает почти 13 метров!

Очень велики приливы в Ла-Манше. На английском его побережье в маленьком заливе Лайм вода в сизигий поднимается до 14,4 метра, а на французском, у городка Гранвиль, даже на 15 метров.

Предельных величин приливы достигают на некоторых участках атлантического побережья Канады. В проливе Фробишера (он находится у входа в Гудзонов пролив) – 15,6 метра, а в заливе Фанди (вблизи границы США) – целых 18 метров.

Иногда влияние морских приливов видно и на реках. В устьевую область приливная волна приходит из открытых районов океана или моря. По мере приближения к берегу уровень повышается, а профиль приливной волны под влиянием уменьшения глубины и особенностей конфигурации берега деформируется. На взморье её передний склон становится круче заднего. От устьевого взморья приливная волна проникает в русловую систему реки. Более солёная вода по дну речного русла, подобно клину, стремительно движется против течения. Столкновение двух встречных потоков, морского и речного, вызывает образование крутого вала, получившего название бора. В реке Цаньтанцзян, впадающей в Восточно-Китайское море к югу от Шанхая, бор достигает высоты 7 - 8 метров, а крутизна волны равняется 70 градусам. Эта страшная водяная стена со скоростью 15 – 16 километров в час проносится вверх по реке, размывая берега и грозя потопить любое судно, вовремя не укрывшееся в спокойном затоне. Мощным бором славится и величайшая река Южной Америки – Амазонка. Там волна высотой 5 – 6 метров распространяется вверх по реке на три тысячи километров от океана. На Меконге волны прилива распространяются до 500 км, на Миссисипи - до 400 км, на Северной Двине – до 140 км. Прилив несёт с собой осолонённые воды в реку. При этом на устьевом участке реки происходит либо полное, либо частичное смешение речных и солёных морских вод, либо имеет место стратифицированное состояние, когда наблюдается резкое различие солёности поверхностных и подстилающих их вод. Солёные воды проникают в устье реки тем дальше, чем больше глубина русла и плотность (солёность) морской воды и меньше расход речных вод.

Мифы и легенды.

Долгое время причины, вызывающие приливы, оставались непонятными. В древности их объясняли дыханием живущего в море божества Океана, или следствием дыхания планеты. Высказывались и другие фантастические предположения о природе приливов. (также см. п. История исследования)