Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Приливы и эволюция системы земля — луна

Открытие всемирного тяготения прояснило природу океанских приливов. Явление, столь привычное для жителей побережья океанов или открытых морей, поражает воображение тех, кто видит приливы и отливы впервые. Самые грандиозные приливы происходят в канадском порту Монктон, где разность уровней полной и малой воды достигает 16 м. Им несколько уступают 13,5 - метровые приливы у берегов Бретани (Франция). Но и во время менее значительных приливов, таких, например, какие происходят в устье р. Кулой, впадающей в Мезенский залив Белого моря, приливные волны перемещают 14 млрд. м8 воды за 6 ч 12 мин, а ежесекундный расход оказывается в несколько десятков раз больше среднегодового расхода Волги. На смену приливным мельницам, которые десятки веков назад приводились в движение энергией приливов, уже пришли первые приливные электростанции.

Что же движет гигантскими массами воды? Какое отношение к этому движению имеет всемирное тяготение? Исчерпывающие ответы на эти вопросы пришли не сразу, а среди первых, основанных на догадках, было немало таких, которые упоминаются теперь разве только в очерках по истории науки. Например, Декарт, увлеченный своими вихревыми представлениями, пытался объяснить приливы давлением, которое оказывают на океаны вихри, сопровождающие движение Луны....

Основы современной статической теории приливов созданы Ньютоном. Динамическая теория приливов связана прежде всего с именем Лапласа. Сегодня каждому ясно, что не существует завесы таинственности, скрывающей причину могучего природного явления. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить ускорения, которые приобретают под действием притяжения Луны точки земной поверхности, находящиеся в данный момент ближе всего к Луне и дальше всего от нее, а также ускорение с которым движется к Луне центр Земли. Одинаковость абсолютных величин и стоящие перед ними противоположные знаки как раз и объясняют, почему под действием притяжения Луны на Земле одновременно образуются два горба. Мы уже говорили о приливных явлениях в океанах, а потому имеем представление об энергетических последствиях этой добавки к ускорению свободного падения.

Из других небесных тел наибольшее приливное воздействие на Землю оказывает Солнце, влияние которого, однако, примерно в 2,2 раза меньше лунного. Когда же лунные и солнечные приливы складываются, приливные эффекты на Земле оказываются самыми значительными.

Приливное воздействие испытывает не только гидросфера и атмосфера Земли, но и земная твердь, исследование деформаций которой позволяет получить существенные сведения о внутреннем строении Земли. Земля у нас под ногами колеблется е амплитудой, достигающей 40 — 50 см, поднятия и опускания происходят дважды в сутки, но мы их не замотаем, так как явление протекает медленно и охватывает огромные территории. Гравиметры, чувствительность которых порядка 10 в -10g способны, конечно, непосредственно измерять приливные эффекты в твердой Земле.

На рисунках поясняющих возникновение приливных горбов, их очень часто изображают симметрично относительно прямой, соединяющей центры Земли и Луны. На самом деле это не так. Давно замечено, что приливы опаздывают к моментам кульминации Луны. Величина запаздывания мала в открытых океанах и велика в узких проливах. Рельеф дна и другие местные условия определяют и величину запаздывания и высоту приливов: в открытых океанах амплитуда приливов составляет не метры, а лишь десятки сантиметров.

Реально наблюдаемое запаздывание океанских приливов и приливов в твердой Земле свидетельствует о том, что приливные горбы отклонены от направления Земля — Луна. Но в этом случае воздействие притяжения Луны на приливные горбы должно приводить к появлению вращательного момента. Точнее, даже двух (равных по величине и противоположных по направлению), ибо нужно рассматривать оба приливных горба.

Появление этих вращательных моментов приводит к ряду важных результатов для динамики системы Земля — Луна: замедляется вращение Земли, а Луна по медленно раскручивающейся спирали удаляется от нашей планеты. Конечно, оба явления взаимосвязаны так как момент количества движения системы Земля — Луна должен сохраняться. Не вся энергия, теряемая замедляющейся Землей, идет на приращение энергии движения Луны. Часть кинетической энергии вращения Земли рассеивается, превращаясь в тепло. Это связано с приливным трением, а оно происходит и в океанах (прежде всего трение движущихся масс воды о дно мелководных морей и появление приливных течений), и в твердой Земле (трение в коре и мантии).

Из-за приливного трения большая полуось орбиты Луны в нашу эпоху увеличивается в течение года на 3 см, эксцентриситет орбиты уменьшается на 10-12 и угол наклона ее к плоскости эклиптики — на 10 в -8 — 10 в -9 градуса. Это, в частности, означает, что в прошлом Луна была значительно ближе к Земле, но тогда и приливные эффекты, которые, как мы видим, весьма чувствительны к изменению расстояния, должны были быть значительно более ощутимыми.

Сто лет назад Дж. Дарвин, много занимавшийся проблемами приливной эволюции системы Земля — Луна, выдвинул гипотезу об отделении Луны от быстровращавшейся жидкой Земли. После доставки с Луны образцов пород гипотеза Дарвина, против которой и ранее выдвигался ряд серьезных аргументов, потеряла почти всех приверженцев.

Основанные на приливных изменениях расчеты прошлого и будущего системы Земля — Луна неоднократно производились и после классических работ Дж. Дарвина. Каковы их результаты? В прошлом, когда Луна находилась от Земли на небольшом расстоянии, ее период обращения составлял всего несколько часов. Сейчас Луна движется вокруг Земли на среднем расстоянии, равном 60 радиусам нашей планеты, совершая один оборот вокруг барицентра (центра масс системы Земля — Луна) за 27,3 суток. Приливное воздействие Земли затормозило вращение Луны, чем и объясняется наблюдаемое синхронное движение естественного спутника Земли. В будущем (правда, весьма отдаленном) Луна, продолжая удаляться от Земли (соответственно будет увеличиваться период обращения), достигнет такого положения, при котором Луна и Земля всегда будут обращены друг к другу одними и теми же полушариями.

Е. П. ЛЕВИТАН - "ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ"

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика