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.
Луна движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть против часовой стрелки, если смотреть на орбиту Луны со стороны Северного полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равна среднему расстоянию между центрами Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Вследствие эллиптичности орбиты расстояние до Луны колеблется между 356400 и 406800км. Период обращения Луны вокруг Земли, так называемый звездный месяц подвержен небольшим колебаниям от 27,32166 до 29,53 суток, но и очень малому вековому сокращению. Луна светится только светом, отраженным от Солнца, поэтому одна ее половина, обращенная к Солнцу освещена, а другая погружена во мрак. Какая часть освещенной половины Луны видна нам в данный момент, зависит от положения Луны на ее орбите вокруг Земли. По мере движения Луны по орбите ее форма, постепенно, но непрерывно меняется. Различные видимые формы Луны называются ее фазами.
Приливы и отливы знакомы каждому серферу. Дважды в день уровень океанских вод поднимается и снижается, причем кое-где на весьма значительную величину. Каждый день прилив наступает на 50 минут позднее, чем в предыдущий.
Луна удерживается на своей орбите вокруг Земли по той причине, что между двумя этими небесными телами существуют силы тяготения, притягивающие их друг к другу. Земля все время стремится притянуть к себе Луну, а Луна притягивает к себе Землю. Поскольку океаны представляют собой большие массы жидкости и могут течь, они легко деформируются под влиянием сил притяжения Луны, принимая форму лимона. Шар из твердых горных пород, которым является Земля, остается в середине. В результате на той стороне Земли, что обращена к Луне, возникает водяная выпуклость и другая такая же выпуклость — с противоположной стороны.
Поскольку твердая Земля вращается вокруг своей оси, на берегах океана возникают приливы и отливы, это происходит дважды в течение каждых 24 часов 50 минут, когда берега океанов проходят через водяные бугры. Длина периода больше 24 часов из-за того, что и сама Луна тоже движется по своей орбите.
Из-за океанских приливов и отливов между поверхностью Земли и водами океанов возникает сила трения, замедляющая скорость вращения Земли вокруг своей оси. Наши сутки постепенно становятся все длиннее и длиннее, каждое столетие продолжительность суток увеличивается примерно на две тысячных секунды. Свидетельством этого могут служить некоторые виды кораллов, которые растут таким образом, что каждый день оставляет в теле коралла четкий рубец. Прирост меняется в течение года, так что каждому году соответствует своя полоска, вроде годового кольца на срезе дерева. Изучая ископаемые кораллы, возраст которых насчитывает 400 млн. лет, океанологи обнаружили, что в то время год состоял из 400 суток продолжительностью 22 часа. Окаменевшие остатки еще более древних форм жизни свидетельствуют о том, что около 2 млрд. лет назад сутки длились всего 10 часов. В отдаленном будущем продолжительность суток будет равна нашему месяцу. Луна будет все время стоять на одном и том же месте, поскольку скорость вращения Земли вокруг оси будет в точности совпадать со скоростью движения Луны по орбите. Уже и теперь благодаря приливным силам между Землей и Луной Луна постоянно обращена к Земле одной и той же стороной, если не считать небольших колебаний. Кроме того, скорость движения Луны по своей орбите постоянно возрастает. В результате Луна постепенно удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год.
Земля отбрасывает в пространстве длинную тень, загораживая свет Солнца. Когда Луна попадает в тень Земли, происходит лунное затмение. Если во время лунного затмения находиться на Луне, то можно было бы увидеть, что Земля проходит перед Солнцем, закрывая его. Нередко при этом Луна остается слабо видимой, светясь тусклым красноватым светом. Хотя она и находится в тени, Луна освещается небольшим количеством красного солнечного света, который преломляется земной атмосферой в направлении Луны. Полное лунное затмение может продолжаться до 1 часа 44 минут. В отличие от солнечных, лунные затмения можно наблюдать с любого места на Земле, где Луна находится над горизонтом. Хотя Луна проходит по всей своей орбите вокруг Земли раз в месяц, затмения не могут происходить ежемесячно из-за того, что плоскость орбиты Луны наклонена относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Самое большее, за год может произойти семь затмений, из которых два или три, должны быть лунными. Солнечные затмения происходят только в новолуние, когда Луна находится в точности между Землей и Солнцем. Лунные же затмения всегда бывают в полнолуние, когда Земля находится между Луной и Солнцем.
Прежде чем ученые увидели лунные камни, у них имелись три теории происхождения Луны, но не было возможности доказать правильность какой-либо из них. Одни считали, что новообразованная Земля вращалась настолько быстро, что сбросила с себя часть вещества, ставшего затем Луной. Другие предполагали, что Луна прилетела из глубин космоса и была захвачена силой земного тяготения. Третья теория состояла в том, что Земля и Луна образовались независимо, почти одновременно и примерно на одинаковом расстоянии от Солнца. Различия в химическом составе Земли и Луны указывают на то, что эти небесные тела вряд ли когда-либо составляли одно целое.
Не так давно возникла четвертая теория, которая и принята сейчас как наиболее правдоподобная. Эта гипотеза гигантского столкновения. Основная идея состоит в том, что, когда планеты, которые мы видим теперь, только еще формировались, некое небесное тело величиной с Марс с огромной силой врезалось в молодую Землю под скользящим углом. При этом более легкие вещества наружных слоев Земли должны были бы оторваться от нее и разлететься в пространстве, образовав вокруг Земли кольцо из обломков, в то время как ядро Земли, состоящее из железа, сохранилось бы в целости. В конце концов, это кольцо из обломков слиплось, образовав Луну.
Изучая радиоактивные вещества, содержащиеся в лунных породах, ученые сумели вычислить возраст Луны. Камни на Луне стали твердыми около 4,4 млрд. лет назад. Луна сформировалась, по-видимому, незадолго до этого; ее наиболее вероятный возраст — около 4,65 млрд. лет. Это согласуется с возрастом метеоритов, а также с оценками возраста Солнца.
Наиболее древние камни на Луне находятся в горных районах. Возраст пород, взятых из морей застывшей лавы, значительно меньше. Когда Луна была совсем молодой, ее наружный слой был жидким из-за очень высокой температуры. По мере того как Луна остывала, формировался ее наружный покров, или кора, части которой находятся теперь в горных районах. В последующие полмиллиарда лет лунная кора подвергалась беспрерывной бомбардировке астероидами, то есть маленькими планетами, и гигантскими камнями, возникшими при формировании Солнечной системы. После самых сильных ударов на поверхности оставались громадные вмятины
В промежутках между 4,2 и 3,1 млрд. лет тому назад лава вытекала через отверстия в коре, затопляя круговые бассейны, оставшиеся на поверхности после ударов колоссальной силы. Лава, затопляя обширные плоские территории, создавала лунные моря, в наше время представляющие собой затвердевшие океаны породы.
Фазы Луны это другое и не совсем так это всё связано. Приливы и отливы явление суточной периодичности. Фазы Луны -- явление с периодичностью в лунный месяц -- 29.5 суток.
Фазы Луны, это то, как отбрасывает тень Земля освещаемая Солнцем на Луну. Луна вращается вокруг Земли, взаиморасположение Луны, Земли и Солнца меняется, меняется и тень на Луне от Земли.
Представьте себе два шара. Они соединены штангой. Большой шар вращается вокруг своей оси. И тот малый шар, что на другом конце штанги вращается вокруг большого шара. Штанга -- это образ силы притяжения между Землей и Луной. В месте где закреплена штанга и получаются приливные возмущения.
Если бы Земля НЕ вращалась вокруг своей оси, то горб прилива шел бы по поверхности Земли за Луной, которая обращается вокруг Земли с периодом ~27дней (почему не 29.5 -- отдельный вопрос -- гуглить разницу между сидерическим и синодическим месяцем).
Но у нас есть ещё и вращение Земли вокруг своей оси.
То есть возвращаясь к образу соединительной штанги. В случае Земли и Луны штанга жестко закреплена на Луне, то есть Луна обращена к Земле одной стороной (только чуть "колышется"), а вот на Земле штанга не закреплена, а движется по поверхности. Земля вращается вокруг своей оси с периодом 24 часа.
Т.е. приливной горб бежит уже не с периодом ~27 дней, а с периодом 24 часа.
Но надо уточнить. На самом деле приливы и отливы только для простоты объясняют одной лишь Луной, а на самом деле:
Также одной из причин возникновения приливов и отливов является суточное (собственное) вращение Земли. Массы воды мирового океана, имеющие форму эллипсоида, большая ось которого не совпадает с осью вращения Земли, участвуют в её вращении вокруг этой оси. Это ведёт к тому, что в системе отсчёта, связанной с земной поверхностью, по океану бегут по взаимно противоположным сторонам земного шара две волны, приводящие в каждой точке океанского побережья к периодическим, два раза в сутки повторяющимся явлениям отлива, чередующихся с приливами.
Самое интересное, обратите внимание (последнее предложение), в одном полушарии прилив и противоположно тоже прилив. Т.е. водная оболочка как элипсоид, а не как груша.
Со временем у нас образовался дубль вопрос и в нем можно почитать дополнительно о том, как получается элипсоид вместо груши. Смотрите комментарии к ответу.
Важно еще сказать про влияние солнца на приливы на примере сизигийных и квадратурных приливов. Иногда солнце, луна и земля выстраиваются в одну линию (земля<--луна<--солнце) и силы притяжения солнца и луны - складываются, соответственно самые сильные приливы - сизигийные. Они происходят во время новолуния и полнолуния. Квадратурные приливы - самые слабые,когда силы тяготения луны и солнца находятся под прямым углом и частично нейтрализуют друг друга. Они происходят, когда луна находится в фазе первой четверти и последней четверти. Также можно почитать о приливах здесь astro-site.narod.ru/zemlimsiz.html
Ответить
Прокомментировать
Два года назад я отдыхала на побережье Индийского океана на чудесном острове Цейлон. Мой маленький отель находился всего в 50 метрах от океана. Своими глазами каждый день наблюдала всё мощное движение и бурную жизнь океана. Как-то ранним утром стояла на берегу, глядя на волны и размышляла о том, что даёт силу такому мощному колебанию океана, его каждодневно образующимся приливам и отливам.
Что даёт силу отливам и приливам
Гравитация одинаково влияет на движение всех объектов. Но если гравитация вызывает приливы в океанах, а вода - и в Африке вода, то почему приливов и отливов нет в озёрах? Хм, а что если допустить, что всё, что мы знаем, ошибочно. Многие неглупые люди из научного мира объясняют это так. Притяжение Земли в точке А слабее чем в точке B. Суммарный эффект притяжения Земли растягивает океан. После чего он вздувается на противоположных сторонах.
Да, действительно факты настоящие и разница в силе притяжения Луны в пунктах А и B существует.
Непонимание кроется в объяснении выпуклостей. Может они появляются не из-за разности в притяжении. А причины менее очевидны, и в них путаются. Дело больше в совокупном давлении в разных местах толщи воды. А Луна при этом превращает Землю в гидравлический насос планетарного масштаба, и вода вздувается, прижимаясь к центру. Поэтому достаточно даже малейшего воздействия, чтобы началось волновое движение.
Ещё немного о приливах
Но хотелось бы понять, почему их нет в другом скоплении воды:
- в теле человека (оно же на 80 % состоит из воды);
- в наполненной ванне;
- в озёрах;
- в чашках с кофе и т.п.
Скорее всего, из-за меньшего давления, чем в океане, и плохой гидравлики. В отличие от океана всё это небольшие скопления воды. Площади озера, чашки и остального недостаточно, чтобы минимальное давление на него изменяло уровень воды, создавая волны.
Большие озёра могут создавать давление для мини приливов. Но поскольку ветры и всплески создают большую рябь, мы их просто не замечаем. Приливы и отливы образуются везде, просто они очень микроскопические.
Происхо-дит подъем и спад воды. Это явление морских приливов и отливов. Уже в древности наблюдатели заметили, что прилив наступает че-рез некоторое время после кульминации Луны в месте наблю-дения. Более того, приливы наиболее сильны в дни ново- и полнолуний, когда центры Луны и Солнца располагаются при-мерно на одной прямой.
Учитывая это, И. Ньютон объяснил приливы действием тя-готения со стороны Луны и Солнца, а именно тем, что раз-ные части Земли притягиваются Луной по-разному.
Земля вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем Луна обращается во-круг Земли. В результате приливный горб (взаимное располо-жение Земли и Луны показано на рисунке 38) движется, по Земле бежит приливная волна, возникают приливные течения . При приближении к берегу высота волны увеличивается, поскольку поднимается дно . Во внутренних морях высота приливной волны бывает всего нескольких санти-метров, в открытом океане же достигает около одного метра. В бла-гоприятно расположенных узких заливах высота прилива возраста-ет ещё в несколько раз.
Трение воды о дно, а также де-формации твёрдой оболочки Земли сопровождаются выделением теп-ла, что приводит к рассеянию энергии системы Земля — Луна. Поскольку приливный горб отно-сится к востоку, максимальный прилив происходит после кульминации Луны, притяжение горба вызывает ускорение Луны и замедление вращения Земли. Луна постепенно отодвигается от Земли. Действительно, геологические данные показывают, что в юрском периоде (190-130 млн лет назад) приливы бы-ли намного выше, а сутки — короче. Следует отметить, что при умень-шении расстояния до Луны в 2 раза высота прилива возрас-тает в 8 раз. В настоящее время сутки увеличиваются на 0,00017 с в год . Так что примерно через 1,5 млрд лет их дли-на увеличится до 40 современных суток. Такой же длины будет и месяц. В результате Земля и Луна будут всегда обра-щены друг к другу одной и той же стороной. После этого Лу-на начнёт постепенно приближаться к Земле и ещё через 2-3 млрд лет будет разорвана приливными силами (если, ко-нечно, к тому времени Солнечная система ещё будет сущест-вовать).
Влияние Луны на прилив
Рассмот-рим, следуя Ньютону, более подробно приливы, вызываемые притяжением Луны, так как воздействие Солнца существен-но (в 2,2 раза) меньше.
Запишем выражения для ускорений, вызываемых притя-жением Луны для разных точек Земли, учитывая, что для всех тел в данной точке пространства эти ускорения одинако-вы. В инерциальной системе отсчёта, связанной с центром масс системы, значения ускорений будут:
A A = -GM / (R — r) 2 , a B = GM / (R + r) 2 , a O = -GM / R 2 ,
где a A , a O , a B — ускорения, вызванные притяжением Луны в точках A , O , B (рис. 37); М — масса Луны; r — радиус Зем-ли; R — расстояние между центрами Земли и Луны (для рас-чётов его можно принять равным 60r ); G — гравитационная постоянная.
Но мы живём на Земле и все наблюдения проводим в си-стеме отсчёта, связанной с центром Земли, а не с центром масс Земля — Луна. Чтобы перейти в эту систему, необходимо из всех ускорений вычесть ускорение центра Земли. Тогда
A’ A = -GM ☾ / (R — r) 2 + GM ☾ / R 2 , a’ B = -GM ☾ / (R + r) 2 + GM / R 2 .
Выполним действия в скобках и учтём, что r мало по срав-нению с R и в суммах и разностях им можно пренебречь. Тогда
A’ A = -GM / (R — r) 2 + GM ☾ / R 2 = GM ☾ (-2Rr + r 2) / R 2 (R — r) 2 = -2GM ☾ r / R 3 .
Ускорения a ’ A и a ’ B одинаковы по модулю, противополож-ны по направлению, каждое направлено от центра Земли. Они называются приливными ускорениями . В точках C и D при-ливные ускорения, меньшие по модулю и направлены к цен-тру Земли.
Приливными ускорениями называются ускорения, возни-кающие в системе отсчёта, связанной с телом из-за того, что вследствие конечных размеров этого тела разные его части по-разному притягиваются возмущающим телом. В точках A и B ускорение силы тяжести оказывается меньшим, чем в точках C и D (рис. 37). Следовательно, для того чтобы давление на одинаковой глубине было одинаковым (как у сообщающих-ся сосудов) в этих точках, вода должна подняться, образуя так называемый приливный горб. Подсчёт показывает, что подъем воды или прилив в открытом океане составляет око-ло 40 см. В прибрежных водах он гораздо больше, а рекорд составляет около 18 м. Ньютоновская теория этого объяснить не может.
На побережье многих внешних морей можно увидеть любопытную картину: вдоль берега неда-леко от воды натянуты рыболовные сети. Причём сети эти по-ставлены не для сушки, а для ловли рыбы . Если остаться на берегу и понаблюдать за морем, то всё станет понятно. Вот -вода начинает прибывать, и там, где всего несколько часов назад была песчаная отмель, заплескались волны. Когда вода отступила, показались сети, в которых засверкала чешуёй запу-тавшаяся рыба. Рыбаки, обойдя сети, сняли улов. Материал с сайта
Вот как описывает наступление прилива очевидец: «Мы добрались до моря — сказал мне попутчик. Я в недоумении глядел кругом. Передо мной действительно был берег: следу ряби, полузасыпанный остов тюленя , редкие куски плавника, обломки ракушек. А дальше простиралось ровное пространство... и никакого моря. Но часа через три неподвижная линия горизон-та задышала, заволновалась. И вот уже за ней заискрилась морская зыбь. Вал прилива катился неудержимо вперёд по серой поверхности. Перегоняя друг друга, волны набегали на берег. Одна за другой потонули дальние скалы — и кругом видна толь-ко вода. Она бросает мне в лицо солёные брызги. Вместо мёртвой равнины передо мной живёт и дышит водная гладь».
Когда приливная волна заходит в залив, имеющий в плане воронкообразную форму, берега залива как бы сжимают её, отчего высота прилива увеличивается в несколько раз. Так, в заливе Фанди у восточного берега Северной Америки высота прилива достигает 18 м. В Европе наиболее высокие приливы (до 13,5 метров) бывают в Бретани близ города Сен-Мало.
Очень часто приливная волна заходит в устья
