Приливы и отливы — это периодические вертикальные колебания уровня океана или моря. Они возникают дважды в сутки под действием гравитационных сил Луны и Солнца, а также из-за вращения Земли. В статье объясним, почему вода у берега то приходит, то уходит.
Главное о приливах и отливах
- Приливы и отливы возникают из-за гравитационного притяжения Луны и Солнца и вращения Земли вокруг общей с Луной точки.
- Луна создает два приливных «горба» на Земле: один на стороне, обращенной к спутнику, второй — на противоположной.
- Солнце усиливает или ослабляет лунные приливы в зависимости от взаимного положения светил.
- На реальную картину влияют форма береговой линии, рельеф дна и сила Кориолиса.
- Люди используют энергию приливов на электростанциях, а точный расчет времени приливов критически важен для судоходства.
Что такое приливы и отливы
Прилив — это не просто приход воды. Это волна, которая движется по океану. Ее гребень — область повышенного уровня воды, подошва — зона пониженного. Когда гребень достигает вашего берега, вы видите прилив. Когда проходит подошва — отлив.
В открытом океане амплитуда волны редко превышает один метр. Для корабля вдали от берега это изменение незаметно. Основное действие разворачивается на мелководье. Континентальный шельф, сужающиеся заливы и воронкообразные эстуарии рек (устья, где смешиваются пресная и соленая вода) тормозят и сжимают водную массу. Энергия волны, не находя выхода вперед, уходит вверх. Уровень воды начинает расти. В некоторых местах планеты такие изменения особенно заметны.
Рекорд принадлежит заливу Фанди на восточном побережье Канады. Разница между уровнями воды в прилив и отлив там достигает 16 метров. Это высота пятиэтажного дома.
В России максимальные приливы наблюдаются в Пенжинской губе Охотского моря — до 13 метров. Морской порт в Санкт-Петербурге ежедневно имеет дело с подъемом воды до 1,5 метров. Эти показатели непостоянны. Они зависят от дня лунного месяца, времени года и даже от погоды. Но базовая причина всегда одна — гравитационное взаимодействие.
Кто открыл приливы и отливы
До того, как явление обрело математическое описание, люди искали ему объяснение в рамках доступной картины мира. Долгое время физика, астрономия и философия были единой наукой — натурфилософией. Приливы считались проявлением одушевленной природы: дыханием морского чудовища или биением океанского сердца.
Первые шаги к рациональному пониманию сделали в Античности. Наблюдатели выявили связь между фазами Луны и колебаниями воды. Римский полководец и писатель Гай Юлий Цезарь в «Записках о Галльской войне» отметил необычно высокий прилив у берегов Британии, связав его с новолунием. Однако античная наука, даже выдвигая смелые гипотезы, часто не проверяла их экспериментально. Не хватало точных инструментов для измерений.
Инженер и художник Леонардо да Винчи, изучавший движение воды и воздуха, видел в приливах глобальный закон. В записях, известных как «Атлантический кодекс», он сравнивал это явление с дыханием планеты: «уподобление прохождения воздуха через легкие человека морским приливам и отливам». Это была глубокая метафора, но еще не физическая теория.
Прорыв совершил Исаак Ньютон в конце XVII века. Ученый применил закон всемирного тяготения не только к планетам, но и к океанам.
Причины приливов и отливов
Итак, приливы и отливы возникают из-за гравитационного взаимодействия. Ближняя к Луне сторона Земли испытывает большее притяжение, чем дальняя. Это создает градиент силы — растягивающий эффект. Твердая земная кора почти не реагирует на эту разницу, а океан — реагирует. На стороне, обращенной к Луне, вода притягивается, формируя выпуклость — приливной «горб».
Но на противоположной стороне планеты возникает второй такой же «горб». Почему? Земля и Луна вращаются вокруг общего центра масс. Он находится внутри Земли, примерно в 4700 километрах от ее центра. Вращение системы вокруг этой точки создает центробежную силу. Для всей Земли она одинакова по величине и направлена от Луны. Вода на дальней стороне, где лунное притяжение слабее, «отбрасывается» этой силой, образуя второй «горб».
Таким образом, приливных «горба» два, а Земля вращается под ними. За одни сутки точка на поверхности дважды проходит под областью повышенного уровня и дважды под областью пониженного. В идеальной модели это давало бы два равных прилива и два равных отлива каждые 24 часа 50 минут — продолжительность лунных суток. Но в реальности все сложнее.
Солнце тоже создает приливной эффект. Его гравитационное влияние на Землю в 178 раз сильнее лунного. Но из-за огромного расстояния приливообразующая сила Солнца примерно в 2,2 раза слабее.
Когда Солнце, Луна и Земля выстраиваются в линию — в новолуние или полнолуние — их силы складываются. Приливы становятся максимальными по высоте. Это так называемые сизигийные приливы.
Когда направления сил от Солнца и Луны перпендикулярны — в первую и последнюю четверть Луны — они частично гасят друг друга. Приливы минимальны. Это квадратурные приливы.
Однако это упрощенная схема явления. На нее накладываются также вращение Земли, наклон оси, эллиптичность орбит Луны и Земли, форма береговой линии, глубина океана и сила Кориолиса.
Как притяжение Луны влияет на приливы и отливы
Луна — главный, но не единственный участник этой космической «симфонии». Ее гравитация задает основной ритм. Чтобы описать кривую колебаний уровня в конкретном месте, ученые раскладывают ее на простые гармонические составляющие — приливные волны с фиксированными периодами. Основных лунных волн несколько.
Главная полусуточная волна (обозначается M2) имеет период 12 часов 25 минут. Она отвечает за классический двукратный суточный прилив. Лунная суточная волна (O1) имеет период около 24 часов 50 минут. Соотношение этих и десятков других волн в конкретной точке определяет итоговый тип прилива.
В открытом океане система приливных волн вращается вокруг особых точек — амфидромических. В них амплитуда прилива равна нулю. Вокруг таких меток, как стрелка часов, движется гребень приливной волны. На картах линии, соединяющие участки, где прилив наступает одновременно, называются котидальными. Они расходятся от амфидромических точек, подобно годичным кольцам на срезе дерева.
Предсказание приливов для порта — сложная расчетная задача. Современные методы учитывают сотни гармонических составляющих, данные о рельефе дна и спутниковые измерения. Исторически для этого создавались специальные механические вычислительные машины.
Первым таким механизмом стал «приливной предсказатель» Tide-Predicting Machine, сконструированный английским физиком Уильямом Томсоном в 1870-х годах. Это сложное аналоговое устройство, состоящее из системы шестеренок, шкивов и тросов, механически суммировало до десяти гармонических составляющих прилива для автоматического построения графиков и таблиц.
Сегодня аналогичные, но неизмеримо более сложные расчеты выполняются на компьютерах. Результаты публикуют в виде таблиц приливов или вносят в навигационные системы.
Как люди используют энергию приливов
Способы использования человеком энергии приливов — это путь от простейших механизмов до высокотехнологичных решений.
Приливные мельницы
С XI века для помола зерна использовали приливные мельницы. Они работали на побережье Адриатического моря, в Англии и Франции. Конструкция использовала плотину, которая заполнялась во время прилива. Во время отлива вода сливалась, вращая колесо мельницы.
Современная энергетика: приливные электростанции (ПЭС)
Сегодня приливная энергия преобразуется в электричество. Существует два основных типа ПЭС:
- Плотинные ПЭС. Работают по принципу, напоминающему мельницы, но в промышленных масштабах. Самая известная — ПЭС «Ранс» во Франции, запущенная в 1966 году. Ее мощность составляет 240 МВт. Крупнейшая в мире по мощности — Сихвинская ПЭС в Южной Корее (254 МВт), введенная в эксплуатацию в 2011 году. Она использует существующую дамбу, построенную для сельскохозяйственных нужд.
- Бесплотинные (приливно-текущие) турбины. Это перспективное направление представляет собой подводные турбины, похожие на ветрогенераторы. Они используют кинетическую энергию постоянных приливно-отливных течений и менее инвазивны для экосистем. Пример — турбина O2 мощностью 2 МВт, запущенная шотландской компанией Orbital Marine Power в 2021 году.
Энергетический потенциал
По оценкам Международного энергетического агентства, технически доступный ресурс приливной энергии составляет около 1200 ТВт·ч в год. Это примерно 4% от мирового потребления электроэнергии. В настоящее время используются лишь доли процента от этого потенциала.
Критическая важность для судоходства
Для современной логистики прогнозы приливов жизненно необходимы. Крупные контейнеровозы с осадкой более 15 метров могут заходить во многие порты только в период высокой воды. Службы вроде британского UKHO (United Kingdom Hydrographic Office) предоставляют точные прогнозы для безопасной навигации по всему миру.
Влияние на морские экосистемы
Приливы формируют уникальную среду обитания — литоральную (приливно-отливную) зону. Ее обитатели адаптировались к регулярному осушению. Отливы обнажают дно, предоставляя кормовую базу для птиц. Для многих видов рыб прилив — это возможность попасть в устья рек на нерест.
Вопросы и ответы
Почему в Черном и Балтийском морях почти нет приливов?
Эти моря относятся к внутренним. Они соединяются с Атлантическим океаном узкими и мелководными проливами (Дарданеллы, Босфор, Датские проливы). Приливная волна из океана просто не успевает проникнуть в эти бассейны в значительном объеме за 6 часов. Амплитуда приливов там измеряется сантиметрами.
Могут ли приливы влиять на скорость вращения Земли?
Да, и это фиксируют сверхточные атомные часы. Приливное трение воды о дно и берега работает как гигантский тормоз. Из-за этого земные сутки удлиняются примерно на 2,3 миллисекунды за столетие. Энергия вращения Земли переходит в тепловую. В далеком прошлом сутки были короче, а Луна — ближе.
Существуют ли приливы в атмосфере и земной коре?
Атмосферные приливы есть, но их сложнее заметить. Атмосфера также деформируется под действием гравитации. Это влияет на показатели барометров. Кора Земли тоже испытывает приливные деформации. Амплитуда вертикальных смещений поверхности может достигать 40−50 см. Современные GPS-станции фиксируют эти колебания.
Как изменение климата влияет на приливы?
Повышение среднего уровня Мирового океана из-за таяния ледников не меняет амплитуду приливов напрямую. Но оно смещает базовый уровень, от которого отсчитывается высота прилива. В сочетании с экстремальными штормовыми нагонами это увеличивает риски катастрофических затоплений прибрежных территорий.
Риск катастрофических наводнений для прибрежных мегаполисов, таких как Шанхай и Нью-Йорк, к концу века резко возрастет. Исследования показывают, что сочетание повышения уровня моря, оседания грунта и демографических изменений может увеличить частоту и масштаб наводнений в десятки раз.
Почему время прилива каждый день сдвигается?
Потому что лунные сутки длиннее солнечных на 50 минут. Луне требуется больше времени, чтобы вернуться в ту же точку относительно конкретного меридиана. Если сегодня полная вода наступила в 12:00, завтра это случится около 12:50.
