Известны случаи, когда воздействие внутренних волн ощущали надводные и подводные суда. Например, корабль «Фрам» Нансена при подходе к кромке льда вдруг резко замедлил ход, хотя машина работала на полных оборотах, никаких видимых препятствий не было. Как выяснилось, причиной этого была «мертвая вода», т.е. сильно развитые здесь внутренние волны. Эффект «мертвой воды» объясняется затратой энергии машины судна на преодоление внутренних волн, вследствие чего скорость движения корабля снижается.
Во время подводного плавания на мезоскафе «Бен Франклин» в Гольфстриме руководитель экспедиции Жак Пикар отметил, что внутренние волны периодически поднимали «Бен Франклин» вверх на 30 м и за несколько минут опускали его на 50 м вниз[2].
8. Приливы и отливы
Приливы и отливы этопериодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.
Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня – стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря – условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже – во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) – осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.
Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды – приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправлено, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана[4].
В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».
Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.
Объяснение происхождения приливообразующих сил. Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно большую роль, чем массы тел.
Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.
Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30–60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной – обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.
Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива около 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
Неравенства величин прилива. Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.
Полусуточный эффект. Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе – вращению Земли вокруг своей оси – образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, – против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы, и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.
Полумесячное неравенство. Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 143/4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.