Океанские приливы

У берегов морей и океанов вода, чаще всего, дважды в сутки поднимается до некоторого максимального уровня и дважды в сутки опускается до минимального уровня. Промежутки времени между следующими друг за другом приливами (или отливами) составляет 12 часов 25 минут. За это время Луна в своем суточном движении совершает половину оборота вокруг Земли. Поэтому уже с давних времен причину приливов и отливов связывали с влиянием Луны. Первое научное объяснение приливов было дано И. Ньютоном. Согласно его теории, приливы и отливы обусловлены неоднородностью поля тяготения Луны и Солнца в разных частях Земного шара. Теория Ньютона, так называемая статическая теория приливов, давала верную теоретическую основу явления, но объясняла его характерных особенностей. Прежде всего, почему прилив начинается не в тот момент, когда Луна находится в зените, а всегда запаздывает? Почему в некоторых местах (Южно-Китайском море, Персидском, Мексиканском и Сиамском заливах) наблюдается один прилив в день, а, например, в Индийском океане, поочередно бывает то один, то два прилива в день. Ответы на эти вопросы дал Лаплас в своей динамической теории приливных сил.

Приливы обусловлены неоднородностью поля тяготения Луны (и Солнца). Благодаря этому Земля в поле тяготения этих небесных тел движется с меньшим ускорением, чем точка океана, над которой эти тела находятся в зените, и большим, чем точка океана, находящаяся на противоположной стороне Земли (в которой Луна

или Солнце находятся в надире). Поэтому с двух сторон Земли океан как бы «вспучивается». В результате своего суточного вращения Земли положение зенита и надира переходят в разные места земного шара (следуя за положением Луны и Солнца на земном небосклоне), и на земном океане возникает приливная волна. Однако в отсутствие приливных сил, сам океан представляет собой «дышащую» систему, обладающую собственными колебаниями, порождающими собственные волны. В результате воздействия приливных сил на собственные колебания океана, время, за которое приливная волна обходит половину земного шара, оказывается больше половины периода вращения Земли вокруг своей оси. Это приводит к запаздыванию приливов.

Разберем процесс возникновения приливных сил более подробно. Эти силы порождаются неоднородностью гравитационного поля Луны, так и Солнца. Величина гравитационного поля Солнца значительно больше, чем поля Луны. Однако Луна находится значительно ближе к Земле, чем Солнце, поэтому неоднородность ее гравитационного поля намного больше, чем неоднородность гравитационного поля Солнца. Вследствие этого лунные приливные силы почти в два раза превосходят солнечные. Однако для понимания природы возникновения приливов удобнее начать именно с Солнечных приливных сил. Причиной тому является то обстоятельство, что, вследствие огромной разности масс Солнца и Земли вращение Солнца по кеплеровой орбите в поле тяготения Земли пренебрежимо мало по сравнению в кеплеровым вращением Земли в поле тяготения Солнца (центр масс системы Солнце-Земля практически совпадает с центром Солнца).

Будем считать Землю шаром, который в гравитационном поле Солнца приобретает ускорение

(19.1)

- где масса Солнца, расстояние от центра Солнца до центра Земли (млн. км). В геоцентрической системе на элемент массы воды земного океана действует сила его притяжения к Солнцу

(19.2)

и поступательная сила инерции, обусловленная орбитальным движением Земли с ускорением (1). При учете неоднородности гравитационного поля () эти силы не уравновешивают друг друга (см. рисунок 1). Суммарная сила имеет разную величину и направление в разных точках земного шара:

(19.3)

Здесь радиус Земного шара (км).

Векторное поле приливных сил растягивает поверхность земного океана по линии центр Землицентр Солнца.

Расчет горизонтальной и вертикальной составляющей приливных сил.

	Потенциальная энергия небольшого объема воды в поле сил притяжения к Солнцу и сил инерции.
	Разложение в ряд Тейлора расстояния от точки расчета высоты прилива до центра Солнца.
	Потенциальная энергия массы воды в поле сил гравитации и сил инерции с учетом компенсации линейных по R членов.

Вертикальная и горизонтальная составляющие приливообразующей силы:

(19.4)

Величина полной приливной силы не зависит от положения на земной поверхности:

(19.5)

Точно такое же действие на поверхность мирового океана оказывает и неоднородность гравитационного поля Луны. В формулах (1)-(3) нужно заменить массу Солнца массой Луныи считать расстоянием между центрами Земли и Луны.

(19.6)

Различие в физической ситуации состоит в том, что в результате гравитационного взаимодействия оба тела – Земля и Луна – движутся вокруг их общего центра масс, причем, поскольку масса луны меньше массы Земли, центра масс этой системы находится внутри Земного шара (на расстоянии ). Однако на возникновение приливных сил это различие не имеет принципиального значения.

Влияние суточного вращения Земли на приливные силы.

Вращение Земли вокруг своей оси порождает в геоцентрической системе центробежную силу. Благодаря ее влиянию форма Земли отличается от шарообразной и имеет форму геоида. На формирование стационарных приливообразующих сил центробежная сила инерции не оказывает влияния. Роль суточного вращения Земли состоит в том, что благодаря ему на поверхности Земли меняется ориентация приливных сил.

Действительно, ось распределения векторов сил ориентирована вдоль линии центр светила- центр Земли. Вращение Земли вокруг своей оси в жестко связанной с ней геоцентрической системе выглядит как движение светила (Луны или Солнца) по небосклону. В результате непрерывно меняется ориентация оси векторного поля приливных сил, и вместе с этим – ориентация приливной силы в данной точке земного океана. Вектор силы совершает два полных оборота при одном обороте вращения Луны (Солнца). Иначе говоря, угловая скорость вращения вектора приливной силы вдвое превосходит угловую скорость видимого движения светила. Векторы приливной силы в диаметрально противоположных точках экватора направлены все время в противоположные стороны, т.е. совершают вращения в противофазе.

Динамическая теория приливов.

Динамическая теория приливов рассматривает мировой океан как «дышащую» динамическую систему, в которой возможны собственные колебания с определенной частотой . Приливные силы выступают как периодически, с частотой меняющиеся внешние силы, действующие на эту систему. Частота собственных колебаний океана примерно в два раза меньше частоты колебаний приливных лунных сил: часов,. В таких условиях вынужденные колебания совершаются почти в противофазе с внешней силой. Этим обстоятельством и объясняется запаздывание лунных приливов по отношению к положению Луны на небосклоне.

Максимальная статическая разность уровней под действием лунные приливообразующих сил составляет м, под действием солнечных сил – примерно м. В соответствие с динамической теорией амплитуды приливов должны быть несколько больше.

Дата добавления: 2013-12-13