Приливы

Прили́вы

Периодические колебания уровня моря (морские П.), обусловленные силами притяжения Луны и Солнца. Под действием этих же сил происходят деформации твёрдого тела Земли (земные П.) и колебания атмосферного давления (атмосферные П.).

Под воздействием Луны (Солнца) возникают приливообразующие силы, которые представляют собой разность между силами притяжения Луной частицы (элемента массы воды, земли или воздуха), расположенной в любой точке Земли, например на её поверхности, и притяжением Луной частицы той же массы в центре Земли (см. рис.). Эти силы пропорциональны массе Луны (m), расстоянию от центра Земли (r) и обратно пропорциональны кубу расстояния от Земли до Луны (R), кроме того, они зависят от зенитного расстояния Луны (z).

Вертикальная составляющая приливной силы (на единицу массы) Fв изменяет силу тяжести на величину

,

где G — Гравитационная постоянная. Сила тяжести уменьшается на поверхности Земли, когда Луна находится в Зените или Надире, на 0,1 мгал, или на 1․10-7 своей величины, и увеличивается на половину этой величины в тех местах Земли, где Луна в рассматриваемый момент восходит или заходит.

Горизонтальная составляющая приливных сил равна 0, когда Луна находится в зените, надире или на горизонте, и максимальна, когда зенитное расстояние Луны равно 45° и достигает 0,08 мгал:

Приливообразующая сила, вызванная Солнцем, определяется аналогично, но из-за большего расстояния (несмотря на значительно большую массу Солнца) она в среднем в 2,16 раза меньше.

Вследствие суточного вращения Земли и движения Земли, Луны и Солнца по своим орбитам приливообразующая сила в каждой точке на поверхности Земли непрерывно меняется во времени, никогда точно не повторяясь. Однако приливные силы можно представить как сумму большого числа строго периодических составляющих, определяемых из теории движения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца. Таблицы, составленные английским учёным Д. Картрайтом (1973), содержат около 500 членов. Эти периодические приливные силы разделяются на 4 типа. Долгопериодные П. дают наибольшие колебания уровенной поверхности на полюсах, вдвое меньшие на экваторе и нулевые на широтах ± 35,3°. К ним относятся П. с периодами в 18,6 года, 1 год, 0,5 года, 1 месяц и 2 недели (Mf). Эти П. периодически изменяют сжатие Земли, её полярный момент инерции и угловую скорость вращения Земли. Суточные П. возникают вследствие несовпадения плоскости экватора с плоскостью лунной орбиты и плоскостью эклиптики. Они дают наибольшие поднятия и опускания земных П. на широтах ± 45° и нулевые на полюсах и экваторе. Главные из них — лунная волна O1 с периодом 25,8 ч и лунно-солнечная волна K1с периодом в 23,9 ч. Полусуточные П., дающие максимальные поднятия и опускания для статических П. на экваторе и нулевые на полюсах. Главные полусуточные волны — это лунная волна M2 с периодом в 12,4 ч и приблизительно в 2 раза меньшая солнечная волна S2с периодом в 12 ч. Короткопериодные волны с периодами около 1/3сут и короче.

Н. Н. Парийский.

Морские П. Изменения приливообразующей силы вызывают изменения силы тяжести и величины и направления горизонтальных составляющих приливных сил, а следовательно, и направления отвесной линии. Под действием этих сил поверхность океанов стремится занять положение, перпендикулярное отвесной линии, т. е. изменяющееся со временем в каждой точке Земли. Если бы вся Земля была покрыта океанами и водные массы успевали достичь равновесного состояния, как это вначале предполагалось в статической теории приливов Ньютона, то под влиянием Луны сферическая поверхность океана смещалась и принимала бы форму вытянутого эллипсоида с большой осью, направленной к Луне. К этим смещениям добавлялись бы смещения, соответствующие аналогичным эллипсоидальным деформациям с большой осью, направленной к Солнцу. Максимальные поднятия и опускания уровня моря при этом достигали бы всего 0,5 м.

В действительности океан покрывает не всю Землю, и приливная волна, распространяясь, встречает преграды в виде материков, испытывает трение о дно, возникают обратные течения; в результате всего этого распределения амплитуд и фаз различных приливных волн чрезвычайно сильно отличаются от соответствующих величин, даваемых статической теорией. Т. о., величина и характер П. зависят не только от взаимного положения Земли, Луны и Солнца, но также от географической широты, глубины моря и формы береговой линии. В 1775 П. Лапласом была разработана динамическая теория П., основанная на общих уравнениях гидродинамики, которая дала возможность рассчитывать распространение приливных волн в морях и океанах.

Наибольшее поднятие воды называют полной водой, минимальное — малой водой. В то время как в океане вдали от материков величина П. порядка 1 м, у берегов разность последовательных полной и малой воды может достигать очень большого значения. Так, в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады) наибольшая величина П. достигает 18 м, в заливе Фробишер на о. Баффинова Земля и в некоторых пунктах пролива Ла-Манш — до 15 м, в Пенжинской губе на С.-В. Охотского моря — до 13 м, в Мезенском заливе (Белое море) — до 10 м. Приливная волна, проникая в устье реки, может вызвать появление крутой волны.

Для обеспечения мореплавания в СССР, Великобритании, США, Японии и др. странах издаются «Таблицы приливов», содержащие данные о высоте прилива в нужных портах на каждый час в течение года.

Распределение приливных волн в открытом океане определяется решением на ЭВМ гидродинамических дифференциальных уравнений Лапласа с учётом конфигурации береговой линии, распределения глубин океана и законов трения о дно. В результате решения этих уравнений создаются котидальные карты Мирового океана, на которых кривыми (т. н. котидальными линиями) соединяют точки волны с одинаковой фазой, например положение максимума данной волны через каждый час, а другой системой кривых соединяют точки с одинаковой амплитудой данной волны. Наиболее подробные котидальные карты для четырёх основных волн — M2, S2, K1 и O1 — составлены в СССР К. Т. Богдановым и В. А. Магариком. Океанические П. своим давлением прогибают упругое тело Земли, поэтому знание котидальных карт необходимо при интерпретации наблюдений земных П.

Б. Л. Лагутин.

Земные П. Земля также деформируется под действием приливных сил; эти деформации называются земными или упругими П. При прохождении упругих приливных волн вертикальные смещения земной поверхности могут достигать 50 см (при положениях Луны и Солнца в зените или надире), а горизонтальные — 5 см. Приливные изменения силы тяжести на экваторе достигают 0,25 мгал (см. Вариации силы тяжести), изменения отвесной линии — 0,01’’, а изменения наклонов земной поверхности, т. е. угла между поверхностью земли и отвесом, — 0,02’’, приливные растяжения и сжатия поверхностных слоев Земли — порядка 10-8. Объёмные деформации при земных П. проявляются в периодических изменениях уровня воды в шурфах и колодцах, уровня лавы в вулканах, в дебете воды некоторых источников. Долгопериодные П., деформируя Землю, изменяют скорость её вращения, что обнаруживается при сравнении астрономического времени, определяемого по вращению Земли, с атомным временем (см. Служба времени). Величина всех этих приливных эффектов зависит от внутреннего строения Земли, т. е. распределения плотностей и упругих свойств различных слоев Земли на всех глубинах от поверхности до центра. Т. о., наблюдения за земными П. позволяют изучать внутреннее строение Земли.

Теория, связывающая наблюдаемые явления земных П. с внутренним строением Земли, разработана Г. Такэути (Япония), X. Джефрисом (Великобритания), Р. Висенти (Португалия) и наиболее детально М. С. Молоденским (См. Молоденский). В частности, теоретически было предсказано явление резонанса между некоторыми суточными земными приливными волнами (K1 и др.) и суточной нутацией Земли, вызванное жидким состоянием ядра Земли. Эта теория подтвердилась наблюдениями приливных изменений силы тяжести и наклонов.

Измерения приливных изменений силы тяжести, кроме изучения глобальных характеристик строения Земли, позволяют изучать региональные глубинные неоднородности мантии Земли. Эти данные необходимы при гравиметрической съёмке для геодезических целей, при геофизической разведке полезных ископаемых, а также для изучения временных изменений силы тяжести. Измерения приливных наклонов указывают на зависимость их от локальных особенностей строения земной коры и могут быть использованы для изучения блокового строения земной коры и глубинных разломов.

Н. Н. Парийский.

Атмосферные П. В атмосфере наряду с суточными колебаниями температуры воздуха существуют очень слабые суточные и сравнительно интенсивные полусуточные изменения приземного атмосферного давления. Выделение их затруднительно на фоне довольно интенсивных и беспорядочных погодных изменений. Амплитуда этих вариаций максимальна в тропической зоне (около 1 мбар для полусуточной компоненты) и сильно уменьшается при удалении в область умеренных и высоких широт. Хотя приливные силы Луны в 2 с лишним раза больше приливных сил Солнца, в атмосфере солнечные П. превалируют над лунными, в отличие от П. в море и земле.; Объяснение этому дали новейшие исследования верхней атмосферы. Атмосферные П., период которого равен половине солнечных суток, вызывается в основном не гравитационным, а термическим воздействием Солнца на атмосферу. Ультрафиолетовая солнечная радиация, поглощаясь озоном в стратосфере, ведёт к разогреванию зтих слоев атмосферы, что, в свою очередь, приводит к возбуждению колебаний метеорологических элементов (давления, температуры, плотности, скорости ветра) с периодами — сутки, полусутки и т.д. Основная доля энергии суточной компоненты приходится на волны, которые не распространяются из верхней атмосферы к Земле, что объясняет крайнюю незначительность суточного колебания атмосферного давления у поверхности Земли. Напротив, полусуточные колебания распространяются по направлению к Земле, поэтому их амплитуда у поверхности Земли значительно больше.

Атмосферные П. играют большую роль в динамике верхней атмосферы. Суточные и полусуточные изменения параметров на больших высотах настолько значительны, что без их знания невозможен расчёт движения искусственных объектов в верхней атмосфере.

Е. П. Чунчузов.

Космогоническая роль П. Наличие трения или вязкости в случае земных П., а также сложных материковых границ для морских П. приводит к тому, что приливный горб выносится вперёд, в сторону вращения Земли, и его ось не направлена точно на приливообразующее тело, В этом случае при вращении планеты быстрее, нежели обращение спутника (как это имеет место в системе Земля — Луна), силы, действующие со стороны Луны (спутника) на приливную деформацию Земли (планеты), дают пару сил, тормозящих вращение Земли. С другой стороны, действие приливной деформации на Луну приводит к удалению Луны (спутника) от Земли. Это вековое замедление вращения Земли было предсказано ещё Дж. Дарвином (см. Вращение Земли). Современные расчёты приливного замедления вращения Земли показывают, что главная часть замедления вызвана океаническими приливами. Земные П. также замедляют вращение Земли, но значительно меньше, чем морские. Суммарное приливное замедление вращения Земли должно составлять около 3,5 мсек в столетие, хотя астрономические наблюдения указывают на удлинение суток за последние 2000 лет в среднем на 2,0 мсек в столетие. Т. о., существуют причины, ещё не выясненные, ускоряющие вращение Земли приблизительно на 1,5 мсек в столетие. Луна под действием П. удаляется от Земли на 3 см в год. Влиянием П. объясняется то, что Луна обращена к Земле одной стороной, а также медленность вращения Меркурия. В космогонии изучается влияние П. на изменения орбиты Луны (её положения и размеров) относительно Земли.

Связь между колебаниями уровня моря и фазами Луны была замечена ещё в древности. Первая статическая теория была предложена И. Ньютоном (1688) и развита его последователями Д. Бернулли, К. Маклореном, Л. Эйлером и др. Динамическая теория П. Лапласа (1775) была усовершенствована англ. учёными Дж. Эри (1848), У. Томсоном (Кельвином, 1895) и Дж. Дарвином. Числовые методы предсказания морских П. усовершенствованы англ. учёными А. Дудсоном (1928) и Д. Картрайтом (1973). Методы анализа земных приливов разработаны А. Дудсоном, Р. Леколазе (Франция), Б. П. Перцевым и П. С. Матвеевым (СССР) и А. П. Венедиковым (Болгария). Эволюционно-космогоническое значение П. впервые разработано Дж. Дарвином (1911).

В России первые наблюдения над П. относятся к началу 18 в. В 1848 Ф. П. Литке опубликовал котидальную карту Баренцева м. А. М. Бухтеев и В. С. Стахевич обработали наблюдения над П., собранные до 1907. Изучению морских П. посвящены работы сов. учёных Ю. М. Шокальского, В. В. Шулейкина, Л. Н. Сретенского, Н. Е. Кочина, Н. П. Владимирского, А. И. Дуванина, Б. А. Кочана, К. Р. Богданова и В. А. Магарика. Земные П. в СССР систематически начал наблюдать А. Я. Орлов с помощью наклономеров, а затем гравиметров, создав для этой цели Полтавскую гравиметрическую обсерваторию. В изучение земных П. большой вклад внесли работы сов. учёных М. С. Молоденского, Н. Н. Парийского и др.

Космогоническое значение П. и их влияние на орбиту Луны изучалось амер. учёными Г. Дж. Ф. Макдональдом, П. Гольдрайх и У. Каула, а в СССР — А. С. Мониным и Е. Л. Рускол.

Н. Н. Парийский.

Лит.: Шокальский Ю. М., Океанография, Л., 1959; Дуванин А. И., Приливы в море, Л., 1960; Дарвин Д. Г., Приливы и родственные им явления в солнечной системе, пер. с англ., М. — П., 1923; Ламб Г., Гидродинамика, пер. с англ., М. — Л., 1947, гл. 8; Молоденский М. С., Упругие приливы, свободная нутация и некоторые вопросы строения Земли, «Тр. Геофизического института АН СССР», 1953, № 19; Мельхиор П., Земные приливы, пер. с англ., М., 1968; Парийский Н. Н., Кузнецов М. В. и Кузнецова Л, В., О влиянии океанических приливов на вековое замедление вращения Земли, «Физика земли», 1972, № 2, 12; Siebert М., Atmospheric tides, в кн.: Advances in geophysics, v. 7, N. Y. — L., 1961.

Распределение приливообразующих сил в различных точках (А, В, С, ...) поверхности Земли, вызванных притяжением Луны; тонкие стрелки — силы притяжения, пунктирные — вычитаемая сила притяжения в центре Земли, жирные — приливные силы.