Приливы и отливы (1093580), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Явление морских приливов было замечено очень давно. В V веке до нашей эры о нём уже писал древнегреческий историк Геродот. 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. Между тем уже в весьма отдалённые времена простые жители приморских земель не только знали об особенностях приливов, но и связывали их с положением луны. Древние финикийцы – лучшие мореплаватели античного мира – были убеждены, что три движения моря управляются Луной: одно из них можно наблюдать ежедневно, второе – ежемесячно, третье – ежегодно.
На островах Самоа ещё задолго до прихода туда европейцев жители заранее очень точно высчитывали время приливов, руководствуясь положением и фазами Луны. На коралловых рифах у берегов Самоа в огромном количестве живут морские черви палоло – излюбленное лакомство самоанцев. Дважды в год (в октябре и ноябре) черви покидают риф и всплывают к поверхности моря, где их и ловят. Каждый раз палоло "приходят" среди ночи во время прилива на шестые сутки после полнолуния и потом ещё две ночи подряд. На Самоа не было календаря, не велось летосчисления, но наблюдательные самоанцы к долгожданной ночи запасали сети и корзины и никогда не ошибались в сроках лова.
Из европейских учёных первым обратил внимание на связь приливов с движением Луны философ Р. Декарт (1596 – 1650). Он подметил, что время наступления приливов связано с положением нашего естественного спутника над горизонтом, а амплитуда зависит от фазы луны. Связь между Луной и приливами он установил, а вот правильно объяснить её не смог. Согласно теории Декарта Луна, проходя по небосводу, давит на воздух, окружающий Землю, а воздух, в свою очередь, давит на воду, заставляя её понижаться. Теория приливов Декарта была совершенно непохожа на господствовавшие в то время взгляды Галилея на приливы.
Галилей отказался от идеи Кеплера о гравитационном притяжении, которую он считал вызывающей сожаление уступкой средневековью. (Кеплер в своей "Новой астрономии" (1609г.), содержавшей общие рассуждения о силе тяжести, объяснял приливы как результат гравитационного притяжения, с которым Луна действует на поверхность океана.) Сам Галилей верил, что приливы вызываются влиянием вращения Земли на море и что само существование приливов является доказательством того, что Земля движется, и тем самым косвенным подтверждением коперниковской системы. Теория приливов Галилея была изложена им в 1595г., и окончательный её вариант появился в 1632 г. в "Dealogi sopra i due massimi sismi del mondo, Tolecaico e Coperniciano". Галилей предположил, что в каждой точке земной поверхности происходят постоянные изменения в скорости, зависящие от того, совпадают ли направления орбитального и осевого вращения Земли. Под орбитальным здесь понималось движение Земли вокруг Солнца в течение года, а под осевым – вращение каждые 24 часа вокруг своей оси. Изменения скорости каждой отдельной точки Земли вызывают возмущения в морском дне, которые, передаваясь воде, вызывали приливы. Галилей пытался объяснить наблюдаемые времена и высоты приливов, также как и их изменения от места к месту, как результат ограничений, наложенных на первоначальную силу, вызываемую движениями Земли вокруг Солнца и своей оси, конфигурацией морского дна.
Эти три подхода к объяснению происхождения морских приливов – галилеев, декартов и ранние версии гравитационной теории (наиболее полно изложенные у Кеплера) были основным содержанием "теории" морских приливов в середине ХVII века. Ни одна из них ни тогда, ни через некоторое время не смогла занять место другой, и все три имели своих почитателей и последователей, также как и критиков. До настоящего объяснения устройства Вселенной, так же как морских приливов, пришлось, однако, подождать до рождения в Англии Исаака Ньютона. Он сумел в своих "Началах" не только сформулировать основные законы механики, но и показать, как на их основе можно объяснить многие загадочные явления, наблюдаемые на нашей планете. В первую очередь это, пожалуй, относится к объяснению приливов в Мировом океане. Теория приливов Ньютона предполагает, что в поле приливообразующей силы поверхность океана приобретает фигуру равновесия. Если считать, что океан покрывает твёрдую оболочку Земли непрерывным слоем одинаковой глубины, то такой поверхностью будет эллипсоид вращения - эллипсоид прилива, большая ось которого всегда направлена на Луну. Поверхность эллипсоида двумя выпуклостями – "горбами" – поднимается выше среднего уровня покоя океана, а между ними широким поясом, охватывающим весь твёрдый шар, - пояс малых вод – лежит ниже среднего уровня. Эллипсоид, следуя за луной, делает один оборот в течение месяца, а твёрдое тело внутри эллипсоида делает один оборот в сутки, что и создаёт в каждой точке тела периодические колебания уровня приливного типа. В течение суток Луна продвигается в ту же сторону, что и Земля (при её вращении) по своему пути на расстояние, соответствующее 50 минутам (Луна обращается вокруг Земли за 271/3 дня). Поэтому от момента одной полной воды до другой должно проходить не 12 часов, а 12 ч 25 мин.
Так как Луна имеет склонение, периодически изменяющееся в пределах от 23,5° S до 23,5° N, то большая ось эллипсоида переменно наклонена к плоскости экватора. Это и создаёт суточное неравенство прилива в амплитудах и временах. Иногда это приводит к полному изменению картины прилива. На параллели будет уже наблюдаться только одна полная вода в сутки. Прилив из полусуточного (две полные и две малые воды в сутки) становится суточным. Ньютон смог дать вполне законченное объяснение такой трансформации приливов, и это было его первой теорией так называемых неравенств прилива.
Ньютон не упустил из вида, что Солнце, с точки зрения механизма возникновения приливообразующих сил, также должно приводить к аналогичным эффектам, что и действие Луны. В некотором смысле его действие должно быть даже проще. Ведь вращение земли составляет 24 часа ( а не 24ч 50 мин как у Луны), так что солнечный прилив будет иметь период равный точно 12 ч. Правда, он может уступать по мощности лунному и несмотря на то, что масса Солнца больше массы Луны, так что притягивать водные частицы оно должно сильнее. Это было бы так, если бы не огромная разница в расстояниях от Земли до Луны и до Солнца. Расчёт солнечного эллипсоида, сделанный Ньютоном, показал, что величины солнечного прилива в 2,17 раз меньше лунного. Имея теперь два равноправных эллипсоида: солнечный и лунный, Ньютон смог дать вполне наглядное объяснение сизигийным и квадратурным приливам. Когда оба эллипсоида складываются, т.е. когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют в одном направлении (а это бывает в сизигии – при полнолунии или новолунии), то высокая вода максимальна. В квадратуре, наоборот, она минимальна (солнечный эллипсоид "вычитается" из лунного).
Ньютону удалось также заметить, что такие важные астрономические эффекты как изменение расстояния Луны от Земли в течение месяца и расстояния от Земли до Солнца в течение года приведут, естественно, к соответствующему изменению величин приливообразующих сил и к особым долгопериодным аномалиям в ходе приливов. Последние носят названия параллактических неравенств, наличие которых было также объяснено Ньютоном.
Ньютон обнаружил, что в рамках его теории путём учёта изменений в склонениях Луны и Солнца можно объяснить и такой казалось бы малозначительный факт, подмеченный уже к тому времени наблюдателями, что в разных местах вечерний прилив выше, чем утренний в одно время года, и ниже в другое. Поскольку между весенним и осенним равноденствием Солнце имеет северное склонение (лунная орбита почти не меняет своего склонения относительно солнца), то линия из центра Земли к Луне всегда будет на солнечной стороне, т.е. в северных широтах. Эта линия – ось приливного эллипсоида, так что летом дневной прилив выше ночного, а зимой когда склонение Солнца южное – наоборот.
Приходится лишь удивляться, как Ньютон смог в то время объяснить практически все основные особенности приливов. Видимо, хорошее знание астрономии позволило ему сразу уловить причины аномалий приливов, связанные с изменением во времени взаимного расположения Земли, Солнца и Луны.
Теория морских приливов, созданная Ньютоном и известная в настоящее время под названием статическая (потому что предполагалось существование равновесного эллипсоида в каждый момент времени), открыла всем глаза на природу приливов и их особенности. Это было блестящим достижением. Но вот один факт из приливных наблюдений не мог не смущать Ньютона и послужил зародышем дальнейшего развития теории приливов. Факт этот заключался в том, что наблюдаемые приливы могли сильно запаздывать или наоборот опережать статические приливы.
Чтобы объяснить несоответствия, отмеченные в статической теории, динамическая теория прилива рассматривает явление не в статике, а в движении, как волну. Эта теория была выдвинута П. Лапласом (1749 – 1827), развивалась Дж. Эри, Дж. Дарвином, А. Дудсоном и продолжает совершенствоваться.
В 1773 – 1775 гг. в своей знаменитой работе "Небесная механика" Лаплас впервые сформулировал динамические уравнения движения жидкости под действием приливообразующих (периодических) сил. Основное отличие динамической теории от статической заключалось в том, что не требовалась мгновенная реакция жидкости на действие приливообразующих сил Ньютона. Естественно, что как частный случай из динамической теории должна была получаться статическая. Лапласу в своей теории удалось показать то, что ускользнуло от Ньютона, а именно, решающую роль в характере приливов глубины водоёмов, так как период свободных колебаний приливных волн зависит от неё. Лаплас сделал первые попытки применения теории к данным наблюдений над приливами во французском порту Брест, так как ему было ясно, что успехи в предсказании приливов теперь должны зависеть от понимания гидродинамики больше, чем от знания астрономии. В Бресте с 1711 до 1715 г. проводились довольно детальные наблюдения над колебаниями уровня моря. Но они были далеки от совершенства. А новые наблюдения, инициированные Лапласом, начались только в 1806 г. Таким образом, эпоха, когда наблюдения над морскими приливами стали использовать для проверки теории, началась только с ХIХ века.
Для практической деятельности человека, в частности для судовождения, очень важно заранее знать уровень воды в любое время суток и в любом месте. Для этого создаются специальные карты и таблицы приливов. По инициативе англичанина Уэвелла в 1834 г. в течение двух недель были сделаны наблюдения над приливами и отливами по всему побережью Великобритании и Ирландии, а затем они были повторены в июне 1835 г., причём в то же самое время производились наблюдения от м. Нордкап до Гибралтарского пролива и от устья реки Св. Лаврентия до устьев Миссисипи. Такая программа наблюдений являлась следствием того, что Уэвелл решил построить фактически первую карту приливов в Мировом океане. В 1833 г. в "Философских трудах" эта карта была опубликована как приложение к его статье "Опыт построения первой карты котидальных линий". Котидальные линии, как пишет Уэвелл, те, которые соединяют точки, в которых в одно и то же время отмечается высокая вода. Они показывают гребень приливной волны и тем самым дают сведения о прикладном часе (время между прохождением Луны через меридиан и моментом наступления полной воды) в разных местах. Первые таблицы приливов были составлены в 1870 г. английским учёным У. Кельвином. [4]
Экологические последствия.
В зимнее время приливно- отливные явления, перемешивающие водные массы, как правило, задерживают начало льдообразования. Однако в дальнейшем приливо-отливные явления непрестанно взламывают ледяной покров, причём на открывающихся пространствах чистой воды идёт интенсивное льдообразование, вследствие чего общее количество льдов увеличивается. [2]
Влияние на хозяйственную деятельность.
Прежде приливно-отливные явления приводили лишь к разрушениям или создавали известные неудобства. Изучив их природу, человек начал использовать эту пока ещё почти необузданную силу. Так построена полуэкспериментальная Кислогубская приливная электростанция (ПЭС). Существуют проекты строительства ПЭС в Мезенском заливе Белого моря и других местах.
Таким образом, “обуздав” силу приливов и отливов человечество может решить много проблем с энергетикой. [3]
Влияние человека на данный процесс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
