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

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.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