Приливы и отливы с точки зрения физики

В главе, посвященной специальной теории относительности, мы видели, что конкретный вид электромагнитного поля зависит от системы отсчета, в которой это поле описывается. В одной системе отсчета поле имеет один вид, в другой — иной. Однако для электромагнитного поля характерна одна существенная черта: если электромагнитное поле имеется в некоторой заданной системе отсчета, то невозможно найти другую систему отсчета, в которой бы это поле отсутствовало. Электромагнитное поле нельзя устранить с помощью движения. Гравитационное поле отличается от электромагнитного главным образом именно этим свойством. Величина напряженности гравитационного поля зависит от системы отсчета, в которой мы описываем поле. Однако в противоположность электромагнитному полю здесь всегда можно найти такую систему отсчета, в которой гравитационное поле в данной точке пространства равно нулю. Именно это и подразумевается в принципе эквивалентности, когда говорится об эквивалентности гравитационного поля и поля относительного ускорения. О принципе эквивалентности всегда говорится в связи с общей теорией относительности. В действительности принцип эквивалентности следует уже из закона свободного падения, открытого Галилеем, и относится по своему содержанию к классической физике. Значение принципа эквивалентности состоит не только в том, что он позволяет лучше понять сущность гравитационного поля, но у него есть и определенное методическое значение. Использование этого принципа позволяет уяснить некоторые вопросы и логически просто объяснить ряд явлений природы. Примерами могут служить уже рассмотренные проблемы, связанные с поведением силы тяжести в космическом полете. Поясним теперь, как использовать принцип эквивалентности для объяснения возникновения приливов и отливов.

Напомним закон движения в гравитационном поле: свободное тело в гравитационном поле движется естественно, т. е. так, что в месте его нахождения постороннее гравитационное поле отсутствует. Движение тела уничтожает постороннее гравитационное поле. Однако в точном соответствии с этим законом могут двигаться маленькие, практически «точечные» тела. Для больших тел положение сложнее.

Пусть в гравитационном поле движется тело больших размеров, т. е. такое тело, в объеме которого гравитационное поле заметно меняется. Вообще говоря, в этом случае напряженность постороннего гравитационного поля в каждой точке тела будет различной, если само тело твердое и движется как единое целое (и не вращается), т. е. все точки тела будут двигаться с одним и тем же ускорением. Поэтому движение тела уничтожает повсюду одинаковую часть внешнего поля. Полностью уничтожить внешнее поле во всех точках тела невозможно. Тело больших размеров в гравитационном поле может двигаться лишь так, что поле можно полностью аннулировать только в одной его точке. Во всех остальных точках будет оставаться часть постороннего поля или же ускоренное движение будет порождать там дополнительное гравитационное поле.

Вычисления показывают, что такой точкой тела, в которой можно полностью аннулировать постороннее гравитационное поле, является центр масс. Таким образом, закон движения большого тела в гравитационном поле можно сформулировать следующим образом: большое тело движется в гравитационном поле так, что уничтожается постороннее гравитационное поле в его центре масс.

К примеру, Земля движется в гравитационном поле Луны так, что в центре Земли это поле равно нулю. Ускоренное движение Земли уничтожает гравитационное поле Луны (а также и все другие посторонние гравитационные поля) в центре Земли.

Рис. 49. Гравитационное поле Луны в системе отсчета, связанной с Землей

В той части земного шара (рис. 49), которая обращена к Луне (точка А),лунное гравитационное поле сильнее, чем в центре земного шара О. На противоположной стороне земного шара (точка В) гравитационное поле Луны слабее, чем в центре О. Поэтому в то время, как движение Земли уничтожает гравитационное поле в центре Земли, на ее стороне, обращенной к Луне, остается некомпенсированным слабое поле. Под действием этого поля в океане образуется прилив. На поверхности же, обращенной в противоположную сторону, движение Земли не только компенсирует лунное гравитационное поле, но и создает избыток в виде силы, направленной от Луны. Под влиянием этой си`лы также образуется приливная волна.

На рисунке изображена стрелками та часть гравитационного поля Луны, которое обнаруживает находящийся на Земле наблюдатель. Это гравитационное поле Луны в системе отсчета, связанной с Землей. В системе же отсчета Луны ее собственное гравитационное поле определяется обычным законом гравитации, т. е. оно сильнее всего в непосредственной окрестности Л.уны и уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Это еще раз показывает, как сильно зависит вид поля от системы отсчета, в которой оно описывается. Если нас интересует воздействие гравитационного поля Луны на земные тела, мы всегда должны рассматривать это поле таким, каким оно является в системе отсчета Земли. И возникновение приливов и отливов также следует описывать в этой системе отсчета. Объяснять возникновение приливов и отливов на Земле гравитационным полем Луны в том виде, какой оно имеет в системе отсчета, связанной с Луной, как это, к сожалению, часто делают в учебниках для средней школы, нельзя.

Как видим, принцип эквивалентности позволяет дать очень простое и ясное описание приливных явлений. Из приведенного объяснения вытекает несколько простых следствий.

Напряженность поля, обусловливающего приливы и отливы, не зависит от напряженности постороннего гравитационного поля в месте, где находится планета. Оно зависит только от того, насколько изменяется напряженность постороннего гравитационного поля в объеме планеты. Например, гравитационное поле Солнца в окрестности Земли в 180 раз сильнее поля Луны. Несмотря на это, как известно, солнечные приливы значительно слабее лунных. Причина состоит в том, что изменение гравитационного поля Солнца в объеме Земли в 2,2 раза меньше изменения гравитационного поля Луны.

Из предыдущего также следует, что гравитационная сила, порождающая приливы и отливы, тем больше, чем больше поперечник планеты. Если при сохранении всех прочих условий поперечник Земли стал бы больше, то и приливная волна была бы выше.

Приливы и отливы, периодические 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 однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана.

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.

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. прилив отлив гравитационный

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 ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.

Физическая сущность явления приливов и отливов

Периодические колебания уровня моря, возникающие в результате совокупного действия сил притяжения Луны и Солнца на водные массы, называются приливами(процесс повышения уровня воды) и отливами (процесс понижения уровня воды).

Впервые теория приливов была разработана английским физиком, астрономом и математиком Исааком Ньютоном (04.01.1643¸31.03.1727) в его труде «Математические начала натуральной философии» (изд. 1687 г.).

Теория Ньютона была дополнена французским астрономом, математиком и физиком Пьером Симоном Лапласом (28.03.1749¸05.03.1827) в его пятитомном труде «Трактат о небесной механике» (1798¸1825).

В соответствии с законом всемирного тяготения Луна и Солнце притягивают к себе каждую частицу Земли с силой (F) пропорциональной их массам (М) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между Луной (Солнцем) и данной частицей Земли.

(34.1)

где М – масса Луны (7,35 × 10 25 г) или Солнца (1,989 × 10 33 г);

d – расстояние от частицы Земли до центра Луны (384.404,377 км) или Солнца (149.597.807 км);

k – коэффициент тяготения.

Приливообразующая сила Солнца примерно в 2,17 раза меньше, чем приливообразующая сила Луны.

Под влиянием приливообразующих сил только Луны водная оболочка Земли теряет свою сферическую форму и принимает вид приливного эллипсоида, который своей большой осью всегда располагается в сторону Луны.

Из рис. 34.1. следует, что наибольшие приливы в течении лунных суток (24 ч 50 м) – при условии нахождения Луны в плоскости экватора Земли – будут наблюдаться именно на экваторе и уменьшаются по направлению к полюсам.

Но на явление приливов и отливов влияет и Солнце с приливообразующей силой в

2,17 раза меньшей, чем у Луны, в течении солнечных суток (24 ч 00 м).

Рис. 34.1. Приливообразующая сила Луны

Таким образом, приливы на Земле являются совокупными лунно-солнечными и периодически изменяются в зависимости от взаимного расположения в пространстве Луны, Солнца и Земли.

В полнолуние и новолуние (рис. 34.2), когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной линии, приливные эллипсоиды Луны и Солнца складываются и вызывают наибольшие приливы, которые называются сизигийными.

Рис. 34.2. Приливообразующая сила Луны и Солнца

Когда Луна будет в I-й или III-й (последней) четверти приливные эллипсоиды Луны и Солнца направлены под углом 90° один к другому и величина прилива будет наименьшей. Такие приливы называются квадратурными.

В промежутках между сизигиями и квадратурами приливы имеют промежуточныезначения.

На приливно-отливные явления оказывают влияние:

1.Ž взаимное расположение Земли, Луны и Солнца;

2.Ž изменение склонения Луны;

3.Ž изменение расстояния между Землей и Луной;

4.Ž физико-географические условия (глубина моря, очертания берега и пр.).

Наибольшие приливы наблюдаются: в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады) – до 18 м; в Пенжинской губе (Охотское море) – до 12 м. Для Черного моря суммарная величина прилива составляет около 12 см, а для Балтийского всего 5 см.

По своей периодичности приливы подразделяются на:

1. Полусуточные® в каждые лунные сутки бывает 2 полные и 2 малые воды. Такие приливы преобладают в морях и океанах; хорошо выражены в Атлантическом океане и вдоль Мурманского берега Баренцева моря;

2. Суточные ® в течении лунных суток бывает 1 полная и 1 малая вода. Такие приливы встречаются редко и, главным образом, в морях Тихого океана.

3. Смешанные ® характеризуются более сложными приливо-отливными явлениями. Распространены в Индийском и Тихом океанах.

По характеру изменения уровня воды приливы делятся на:

1. Правильные® при которых время роста (Т_Р) и время падения (Т_П) высоты последующих полных и малых вод одинаковы или почти одинаковы;

2. Неправильные ® при которых указанные элементы прилива могут значительно отличаться.

Вернуться на главную страницу. или ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Приливы и отливы

Уровень поверхности океанов и морей периодически, приблизительно два раза в течение суток, изменяется. Эти колебания называются приливами и отливами. Во время прилива уровень воды в океане постепенно повышается и становится наивысшим. При отливе уровень воды постепенно понижается и становится наинизшим. При приливе вода течёт к берегам, а при отливе — от берегов.

Приливы и отливы образуются вследствие влияния на Землю таких космических тел, как Луна и Солнце. В соответствии с законом всемирного тяготения Луна и Земля притягиваются друг к другу. Это притяжение настолько велико, что поверхность океана стремится приблизиться к Луне, происходит прилив. При движении Луны вокруг Земли приливная волна как бы движется за ней. При достаточном удалении Луны от того места, где был прилив, волна отойдет от берега, и будет наблюдаться отлив.

Притяжение Земли Солнцем также приводит к образованию приливов и отливов. Однако поскольку расстояние от Земли до Солнца значительно больше расстояния от Земли до Луны, то воздействие Солнца на водную поверхность Земли существенно меньше.

Приливы отличаются друг от друга продолжительностью и высотой (величиной прилива).

Величина приливов достаточно разнообразна. Теоретически один лунный прилив равен 0,53 м, солнечный — 0,24 м, поэтому самый большой прилив должен быть равен 0,77 м. В открытом океане, около островов, величина приливов близка к этому значению. У материков величина приливов колеблется от 1,5 м до 2 м. Во внутренних морях приливы очень незначительны: в Чёрном море — 13 см, в Балтийском — 4,8 см.

Значение приливов очень велико для морского судоходства, для устройства портов. Каждая приливная волна несёт большую энергию, которая может быть использована.

Как следует из текста приливы образуются вследствие притяжения Земли Луной и Солнцем.

Вообще говоря, приливы образуются вследствие притяжения воды в океанах Луной и Солнцем. Но составители считают верным ответ 3.

ПРИЛИ́ВЫ И ОТЛИ́ВЫ

В книжной версии

Том 27. Москва, 2015, стр. 489-491

Скопировать библиографическую ссылку:

• 
• 
• 
• 
• 

ПРИЛИ́ВЫ И ОТЛИ́ВЫ, пе­рио­дич. ко­ле­ба­ния уров­ня океа­на (мо­ря), а так­же са­мо­го не­бес­но­го те­ла, вы­зван­ные влия­ни­ем внеш­них (т. н. при­ли­во­об­ра­зую­щих) тел. Пе­рио­ды ко­ле­ба­ний оп­ре­де­ля­ют­ся пе­рио­да­ми об­ра­ще­ния при­ли­во­об­ра­зую­щих тел от­но­си­тель­но рас­смат­ри­вае­мо­го не­бес­но­го те­ла.

Приливы и отливы

Приблизительно дважды в сутки (каждые 12 часов и 25 минут) на берегу океана наблюдается повышение уровня воды — приливы. В промежутке между ними вода отступает (отливы). Причина этих явлений явно связана с видимым движением Луны, которая восходит на небе каждые 24 часа 50 минут. Приливы образуются и под влиянием Солнца.

Однако, если период вращения Земли равен 24 часам, то почему приливы бывают в два раза чаще? Объяснение легче всего дать, рассмотрев силы инерции во вращающейся системе координат. На воду в любой точке океана действуют силы притяжения к Луне и к Солнцу, которые находятся по формуле

Мы замечаем, что при переходе к вращающейся системе координат происходит замена динамической задачи на статическую. В первом случае на тело действует центростремительная сила F„_c, которая изменяет направление его скорости, т. е. сообщает центростремительное ускорение. Во втором случае на тело действуют разные силы, в том числе сила инерции F„, и все они уравновешивают друг друга, так что оно в этой системе покоится или движется равномерно.

где М — масса Солнца или Луны, т_в — масса некоторой части воды в океане, а г — расстояние между рассматриваемой час-

тью воды и центрами этих тел. Кроме того, на воду, как и на все тела во вращающейся системе координат, действует сила инерции F„ = m„co 2 R, где R — расстояние от оси вращения. Приливы — результат совместного действия этих сил.

Притяжение воды к Земле можно не рассматривать, так как оно на всех участках океана одинаковое. Не влияет на образование приливов и центробежная сила инерции, обусловленная суточным вращением Земли. Эта сила приподнимает воду во всех точках экватора одинаково независимо от положения Луны и Солнца. Рассмотрим только те силы, которые ведут к образованию двух горбов на поверхности воды в двух противоположных точках океана (рис. 2.52).

Проще объяснить сначала солнечные приливы (рис. 2.52, а, масштаб на рисунке не соблюден). Будем рассматривать задачу в системе координат, скрепленной с Солнцем и Землей. Масса Солнца много больше массы Земли, и можно считать, что ось вращения системы Земля — Солнце проходит через центр Солнца (кружок со стрелкой на рисунке). В точке 1 сила притяжения к Солнцу больше, чем в точке 2, так как г меньше. Сила же инерции больше в точке 2, так как здесь R больше. Это и есть причина образования двух горбов, поскольку в обеих точках равнодействующая приподнимает воду.

Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, а горбы привязаны к линии Земля — Солнце, они смещаются относительно поверхности Земли, и в данной местности вода поднимается два раза в сутки.

Схема, объясняющая лунные приливы, чуть сложнее (рис. 2.52, б). Массы Земли и Луны сравнимы по величине. Поэтому нельзя считать, что Луна вращается вокруг Земли. Система Луна — Земля вращается вокруг общего центра масс ЦМ, который находится, как показано на рисунке, значительно ближе к центру Земли, чем к Луне (масса Земли существенно больше массы Луны).

Рис. 2.52, б

Ось вращения системы показана кружком со стрелкой. Притяжение воды к Луне в точке 1 больше, чем в точке 2, так как для точки 2 расстояние г больше. Силы же инерции, во-первых, направлены всегда от оси вращения и, следовательно, в разные стороны, во-вторых, они тем больше, чем больше расстояние до оси вращения R. В точке 2 центробежная сила инерции больше, чем в точке 1. Опять равнодействующие и в точке 1, и в точке 2 приподнимают воду.

Лунные приливы сильнее, чем солнечные, и когда Солнце с Луной оказываются на одной линии (новолуние или полнолуние), то приливы получаются выше.

Прилив в данной точке случается не в тот момент, когда Луна выше всего расположена над горизонтом, а с некоторым запаздыванием. Поэтому при расчете времени прилива учитывается так называемый прикладной час. Запаздывание связано с ограниченной скоростью распространения приливной волны вдоль поверхности океана.

В открытом океане приливная волна не очень высока (около 1 м), но когда такая волна входит в узкий пролив, фиорд или устье реки, то высота прилива увеличивается и может достигать 20 метров.

Существуют приливы и в атмосфере Земли. Они влияют на атмосферное давление, погоду и на жизнь обитателей планеты. Биологи отмечают суточные и месячные периодичности в процессах, происходящих в живых организмах.

Приливные силы действуют и на твердые космические тела. Так, существуют приливы земной коры. А в определенных астрономических условиях крупные спутники планет разрываются приливными силами, образуя много мелких осколков (кольцо Сатурна).

Рассмотрите приливы и отливы на Земле: причины, влияние Луны и Солнца на планету, приливные силы, энергия приливов, гравитация центра масс Луны и Земли.

Приливы – подъем и падение уровня моря из-за воздействия гравитации, создаваемой Солнцем, Луной и земным вращением.

Задача обучения

• Изучить факторы, влияющие на время и амплитуду приливов.

Основные пункты

• Приливная сила зависит не от силы гравитационного поля ЛУны, а от его градиента, падающего в виде дистанции обратного куба к исходному гравитационному телу. Дело в том, что приливная сила выступает дифференциальной.
• Время и амплитуда приливов зависят от различных факторов, среди которых выравнивание Солнца и Луны, общая картина океанических приливов, форма береговой линии и т.д.
• Энергию приливов можно добыть двумя способами: установка водяной турбины в приливной ток или постройка прудов, пропускающих воду сквозь турбину.

• Градиент – скорость, с которой уменьшается или увеличивается физическая величина относительно изменения переменной.
• Инерциальная система отсчета описывает время и пространство однородно, изотропно и не зависит от времени.
• Сутки – ежедневный цикл, охватывающий 24 часа.

Прилив – подъем и падение уровня моря из-за воздействия гравитации, создаваемой Солнцем, Луной и вращением Земли вокруг оси. Они отличаются по степени и частоте и зависят от расположения. Береговые линии с двумя практически одинаковыми ежедневными приливами и отливами обладают полудневными приливом. Если он один, тогда это суточный прилив. Смешанный вид проявляет себя как два неровных прилива (один высокий). Время и амплитуда зависят от выравнивания Солнца и Луны, глубины океана, формы береговой линии и т.д.

Схема лунной части прилива, демонстрирующая прилив в подлунной и диаметрально противоположной точках для гипотетического океана с постоянной глубиной без земли. Можно заметить крупные выпуклости, отвернутые от Солнца

Приливные силы

Важно начать с того, что Земля не выступает инерциальной системой отсчета, потому что пребывает в свободном падении относительно Луны. Поэтому, чтобы вычислить наблюдаемую силу, необходимо рассчитать ускорение земной системы отсчета. Приливная сила, создаваемая спутником, отображает собою векторную разницу между лунной гравитацией и гравитационной силой в центре масс Земли.

Это напоминает вычитание красного вектора из черных. Можете проследить пример на нижнем рисунке. Снизу видно, что это приводит к дифференциальной силе. Поэтому приливная сила зависит не от силы лунного гравитационного поля, а от градиента.

Сверху отображена сила тяжести, созданная спутником в разных местах F_r на Земле. Снизу – дифференциальная сила: F_r – F_центр. Это ускорение ощущается земным наблюдателем

Солнечная сила гравитации на планете в 179 раз превосходит лунную. Но звезда в 389 раз дальше, поэтому градиент поля слабее. Солнечная приливная сила больше лунной на 46%. Поэтому ускорение лунного прилива достигает 1.1 х 10_-7 g, а солнечное – 0.52 х 10 -7 g (g – гравитационное ускорение на земной поверхности).

Энергия приливов

Энергию приливов можно добыть двумя методами: установка водяной турбины в приливной ток или постройка прудов, пропускающих воду сквозь турбину. В первом примере количество энергии зависит от величины времени и приливного тока. Но турбины могут создавать препятствия судам. Во втором возникает проблема с дороговизной. Но если создать несколько прудов, то в правильно выбранное время можно сгенерировать мощность. Сейчас есть всего лишь несколько активных системы генерации приливной энергии. Но они вызывают не только экологические проблемы, но и технические.

Генератор приливной энергии функционирует как ветряная турбина, но энергия поступает от океанических течений. Круг в центре – турбина. Устройство перемещается вверх и вниз, напоминая движение лифта. Во время использования опускается на дно

Многие поддерживают идею использования приливной энергии, так как событие можно предсказать. Однако специалисты говорят о потерях эффективности при низких эксплуатационных расходах.

Приливы и отливы в морях и во Вселенной

Продолжим разговор о силах, действующих на небесные тела и вызываемых при этом эффектах. Сегодня я расскажу о приливах и негравитационных возмущениях.

Что это значит – «негравитационные возмущения»? Возмущениями обычно называют малые поправки к большой, главной силе. Т. е. речь пойдет о каких-то силах, влияние которых на объект значительно меньше гравитационных

Какие ещё в природе бывают силы кроме гравитации? Сильные и слабые ядерные взаимодействия оставим в стороне, они имеют локальный характер (действуют на крайне малых расстояниях). А вот электромагнетизм, как известно, намного сильнее гравитации и распространяется так же далеко – беспредельно. Но поскольку электрические заряды противоположных знаков обычно уравновешены, а гравитационный «заряд» (роль которого выполняет масса) всегда одного знака, то при достаточно больших массах, конечно же, гравитация выходит на первый план. Так что реально мы будем говорить о возмущениях движения небесных тел под действием электромагнитного поля. Больше вариантов нет, хотя есть ещё тёмная энергия, но о ней – позже, когда речь пойдет о космологии.

Как я рассказывал на одной из предыдущих лекций, простой ньютонов закон тяготения F = G∙M∙m/R² очень удобно использовать в астрономии, потому что большинство тел имеют близкую к сферической форму и достаточно удалены друг от друга, так что при расчёте их можно заменить точками – точечными объектами, содержащими всю их массу. Но тело конечного размера, сравнимого с расстоянием между соседними телами, всё-таки, испытывает силовое влияние разное в разных своих частях, потому что эти части по-разному удалены от источников гравитации, и это нужно учитывать.

Притяжение плющит и раздирает

Чтобы ощутить приливный эффект, проделаем популярный у физиков мысленный эксперимент: представим себя в свободно падающем лифте. Отрезаем удерживающую кабину верёвочку и начинаем падать. Пока не упали, можем смотреть, что вокруг нас происходит. Подвешиваем свободные массы и наблюдаем, как они себя поведут. Сначала они падают синхронно, и мы говорим – это невесомость, потому что все объекты в этой кабине и она сама ощущают примерно одинаковое ускорение свободного падения.

Но со временем наши материальные точки начнут менять свою конфигурацию. Почему? Потому что нижняя из них в начале была чуть ближе к центру притяжения, чем верхняя, поэтому нижняя, притягиваясь сильнее, начинает опережать верхнюю. А боковые точки всегда остаются на одинаковом расстоянии от центра тяготения, но по мере приближения к нему они начинают сближаться друг с другом, потому что равные по модулю ускорения не параллельны. В результате система несвязанных объектов деформируется. Это и называют приливным эффектом.

С точки зрения наблюдателя, который рассыпал вокруг себя крупу и смотрит, как отдельные крупинки перемещаются, пока вся эта система падает на массивный объект, можно ввести такое понятие как поле приливных сил. Определим эти силы в каждой точке как векторную разницу гравитационного ускорения в этой точке и ускорения наблюдателя или центра масс, и если брать только первый член разложения в ряд Тейлора по относительному расстоянию, то получится симметричная картина: ближние крупинки будут опережать наблюдателя, дальние – отставать от него, т.е. система будет растягиваться вдоль оси, направленной на тяготеющий объект, а вдоль перпендикулярных ей направлений частицы будут прижиматься к наблюдателю.

Как вы думаете, что будет происходить при затягивании планеты в чёрную дыру? Кто не слушал лекций по астрономии, тем обычно кажется, что чёрная дыра только с обращённой к себе поверхности будет срывать вещество. Они не знают, что почти столь же сильный эффект проявляется на обратной стороне свободно падающего тела. Т.е. оно разрывается в двух диаметрально противоположных направлениях, отнюдь не в одном.

Опасности открытого космоса

Чтобы показать, насколько важно учитывать приливной эффект, возьмём Международную космическую станцию. Она, как и все спутники Земли, свободно падает в гравитационном поле (если не включены двигатели). И поле приливных сил вокруг неё – это вполне ощутимая вещь, поэтому космонавт, когда работает на внешней стороне станции, обязательно себя к ней привязывает, причём, как правило, двумя тросиками – на всякий случай, мало ли что может произойти. А окажись он непривязанным в тех условиях, где приливные силы его оттягивают от центра станции, он запросто может потерять с ней контакт. Такое часто бывает с инструментами, ведь все их не привяжешь. Если у космонавта что-то выпало из рук, то этот предмет уходит вдаль и становится самостоятельным спутником Земли.

План работ на МКС включает испытания в открытом космосе индивидуального реактивного ранца. И когда его двигатель отказывает, приливные силы уносят космонавта, и мы его теряем. Имена пропавших без вести засекречиваются.

Это, конечно, шутка: подобного происшествия пока ещё, к счастью, не было. Но такое вполне могло бы произойти! И, возможно, когда-нибудь случится.

Планета-океан

Вернёмся к Земле. Это самый интересный для нас объект, и действующие на него приливные силы ощущаются вполне заметно. Со стороны каких небесных тел они действуют? Главный из них – это Луна, потому что она близко. Следующее по масштабу воздействия – Солнце, потому что оно массивное. Остальные планеты тоже оказывают некоторое влияние на Землю, но оно едва ощутимо.

Чтобы анализировать внешнее гравитационное воздействия на Землю, её обычно представляют в виде твёрдого шара, покрытого жидкой оболочкой. Это неплохая модель, поскольку у нашей планеты действительно есть подвижная оболочка в виде океана и атмосферы, а всё остальное довольно твёрдое. Хотя земная кора и внутренние слои имеют ограниченную жёсткость и немного поддаются приливному влиянию, их упругой деформацией можно пренебречь при расчётах эффекта, производимого на океан.

Если в системе центра масс Земли нарисовать векторы приливных сил, то получим такую картину: поле приливных сил вытягивает океан вдоль оси «Земля – Луна», а в перпендикулярной ей плоскости прижимает его к центру Земли. Таким образом, планета (во всяком случае, её подвижная оболочка) стремится принять форму эллипсоида. При этом возникают две выпуклости (их называют приливными горбами) на противоположных сторонах земного шара: одна обращена к Луне, другая – от Луны, а в полосе между ними возникает, соответственно, «впуклость» (точнее, поверхность океана там имеет меньшую кривизну).

Более интересная вещь происходит в промежутке – там, где вектор приливной силы пытается сместить жидкую оболочку вдоль земной поверхности. И это естественно: если в одном месте вы хотите приподнять море, а в другом месте – опустить, то вам надо переместить воду оттуда сюда. И между ними приливные силы перегоняют воду в «подлунную точку» и в «анти-лунную точку».

Количественно рассчитать приливный эффект очень просто. Гравитация Земли старается сделать океан шарообразным, а приливная часть лунного и солнечного влияния – вытянуть его вдоль оси. Если оставить Землю в покое и дать ей возможность свободно падать на Луну, то высота выпуклости достигла бы примерно полуметра, т.е. всего-то на 50 см океан приподнимается над своим средним уровнем. Если Вы плывёте на пароходе по открытому морю или океану, полметра – это не ощутимо. Это называют статическим приливом.

Почти на каждом экзамене мне попадается студент, который уверенно утверждает, что прилив происходит только на одной стороне Земли – на той, которая обращена к Луне. Как правило, такое говорит девушка. Но бывает, хотя и реже, что и юноши в этом вопросе заблуждаются. При этом в целом знания астрономии более глубокие у девушек. Любопытно было бы выяснить причину этой «приливно-гендерной» асимметрии.

Но чтобы создать в подлунной точке полуметровую выпуклость, нужно сюда большое количество воды перегнать. А ведь поверхность Земли не остаётся неподвижной, она по отношению к направлению на Луну и на Солнце быстро вращается, делая полный оборот за сутки (а Луна по орбите медленно идёт – один оборот вокруг Земли почти за месяц). Поэтому приливный горб постоянно бегает по поверхности океана, так что твёрдая поверхность Земли за сутки 2 раза оказывается под приливной выпуклостью и 2 раза – под отливным понижением уровня океана. Прикинем: 40 тысяч километров (длина земного экватора) в сутки, это 463 метра в секунду. Значит, эта полуметровая волна, типа мини-цунами набегает на восточные побережья континентов в районе экватора со сверхзвуковой скоростью. На наших широтах скорость достигает 250—300 м/с – тоже довольно много: хоть волна и не очень высокая, за счёт инерции она может создать большой эффект.

Второй объект по масштабу влияния на Землю – это Солнце. Оно в 400 раз дальше от нас, чем Луна, но в 27 млн раз массивнее. Поэтому эффекты от Луны и от Солнца получаются сравнимыми по величине, хотя Луна все же действует чуть сильнее: гравитационный приливный эффект от Солнца примерно вполовину слабее, чем от Луны. Иногда их влияние складывается: это происходит в новолуние, когда Луна проходит на фоне Солнца, и в полнолуние – когда Луна с противоположной от Солнца стороны. В эти дни – когда Земля, Луна и Солнце выстраиваются в линию, а происходит это каждые две недели – суммарный приливный эффект получается в полтора раза больше, чем только от Луны. А через неделю Луна проходит четверть своей орбиты и оказывается с Солнцем в квадратуре (прямой угол между направлениями на них), и тогда их влияние ослабляет друг друга. В среднем высота приливов в открытом море меняется от четверти метра до 75 сантиметров.

Морякам приливы известны давно. Что делает капитан, когда корабль сел на мель? Если вы читали морские приключенческие романы, то знаете, что он сразу смотрит, в какой фазе Луна, и ждёт, когда будет ближайшее полнолуние либо новолуние. Тогда максимальный прилив может поднять корабль и снять с мели.

Береговые проблемы и особенности

Приливы особенно важны для портовых работников и для моряков, которые собираются ввести свой корабль в порт либо вывести из порта. Как правило, проблема мелководья возникает вблизи берегов, и чтобы она не мешала движению судов, для входа в бухту прорывают подводные каналы – искусственные фарватеры. Их глубина должна учитывать высоту максимального отлива.

Если мы посмотрим в какой-то момент времени на высоту приливов и проведём на карте линии равной высоты воды, то получатся концентрические окружности с центрами в двух точках (в подлунной и анти-лунной), в которых прилив максимальный. Если бы орбитальная плоскость Луны совпадала с плоскостью земного экватора, то эти точки всегда бы перемещались по экватору и за сутки (точнее – за 24ʰ 50ᵐ 28ˢ) делали бы полный оборот. Однако Луна ходит не в этой плоскости, а близ плоскости эклиптики, по отношению к которой экватор наклонен на 23,5 градуса. Поэтому подлунная точка «гуляет» также и по широте. Таким образом, в одном и том же порту (т. е. на одной и той же широте) высота максимального прилива, повторяющегося через каждые 12,5 часов, в течение суток меняется в зависимости от ориентации Луны относительно земного экватора.

Эта «мелочь» важна для теории приливов. Посмотрим еще раз: Земля вращается вокруг своей оси, а плоскость лунной орбиты наклонена к ней. Поэтому каждый морской порт в течение суток «обегает» вокруг полюса Земли, один раз попадая в область максимально высокого прилива, а через 12,5 часов – опять в область прилива, но менее высокого. Т.е. два прилива в течение суток не равноценны по высоте. Один всегда больше другого, потому что плоскость лунной орбиты не лежит в плоскости земного экватора.

Для жителей побережья приливный эффект жизненно важен. Например, во Франции есть интересный остров, который соединен с материком асфальтовой дорогой, проложенной по дну пролива. На острове живёт много людей, но они не могут пользоваться этой дорогой, пока уровень моря высокий. По этой дороге можно проехать только два раза в сутки. Люди подъезжают и ждут отлива, когда уровень воды понизится и дорога станет доступной. Люди ездят на побережье на работу и с работы, пользуясь специальной таблицей приливов, которая публикуется для каждого населённого пункта побережья. Если не учитывать это явление, вода по пути может захлестнуть пешехода. Туристы просто приезжают туда и гуляют, чтобы посмотреть на дно моря, когда нет воды. А местные жители что-то при этом со дна собирают, иногда даже для пропитания, т.е. по сути этот эффект кормит людей.

Жизнь вышла из океана благодаря именно приливам и отливам. Некоторые прибрежные животные в результате отлива оказывались на песке и вынуждены были научиться дышать кислородом непосредственно из атмосферы. Если бы не было Луны, то жизнь, может быть, не так активно выходила бы из океана, потому что там во всех отношениях хорошо – термостатированная среда, невесомость. Но если ты вдруг попал на берег, то надо было как-то выживать.

Побережье, особенно если оно плоское, во время отлива сильно обнажается. И на некоторое время люди теряют возможность пользоваться своими плавсредствами, беспомощно лежащими как киты на берегу. Но в этом есть кое-что полезное, потому что период отлива можно использовать для ремонта судов, особенно в какой-нибудь бухточке: кораблики приплыли, потом вода ушла, и их можно в это время подремонтировать.

Например, есть такой залив Фанди на восточном побережье Канады, в котором, говорят, самые высокие в мире приливы: перепад уровня воды может достигать 16 метров, что считается рекордом для морского прилива на Земле. Моряки к этому свойству приспособились: они во время прилива подводят судно к берегу, укрепляют его, а когда вода уходит, судно повисает, и ему можно подконопатить дно.

Люди издавна стали следить и регулярно записывать моменты и характеристики высоких приливов, чтобы научиться прогнозировать это явление. Вскоре изобрели мареограф – прибор, в котором поплавок вверх-вниз ходит в зависимости от уровня моря, а показания автоматически вычерчиваются на бумаге в виде графика. Кстати, средства измерения почти не изменились с момента первых наблюдений и до наших дней.

На основе большого количества записей гидрографов математики стараются создать теорию приливов. Если у вас есть многолетняя запись периодического процесса, вы можете разложить его на элементарные гармоники – разной амплитуды синусоиды с кратными периодами. И потом, определив параметры гармоник, продлить суммарную кривую в будущее и на этой основе сделать таблицы приливов. Сейчас такие таблицы опубликованы для каждого порта на Земле, и любой капитан, собирающийся войти в порт, берёт для него таблицу и смотрит, когда там будет достаточный для его корабля уровень воды.

Самая известная история, связанная с прогностическими расчётами, произошла во Вторую мировую войну: в 1944-м году наши союзники – англичане и американцы – собирались открыть второй фронт против гитлеровской Германии, для этого надо было высадиться на французское побережье. Северное побережье Франции в этом отношении очень неприятное: берег обрывистый, высотой 25—30 метров, а дно океана довольно мелкое, так что корабли могут подойти к берегу только в моменты максимальных приливов. Если бы они сели на мель, их бы просто расстреляли из пушек. Чтобы этого избежать, была создана специальная механическая (электронных тогда еще не было) вычислительная машина. Она выполняла Фурье-анализ временных рядов морского уровня с помощью вращающихся каждый со своей скоростью барабанов, через которые проходил металлический трос, который суммировал все члены ряда Фурье, а связанное с тросом пёрышко выписывало график высоты прилива в зависимости от времени. Это была совершенно секретная работа, которая сильно продвинула теорию приливов, потому что оказалось возможным с достаточной точностью предсказать момент наиболее высокого прилива, благодаря чему тяжёлые военные транспортные корабли переплыли Ла-Манш и высадили десант на берег. Так математики и геофизики сохранили жизнь многим людям.

Некоторые математики стараются обобщить данные в масштабе всей планеты, стараясь создать единую теорию приливов, но сравнивать записи, сделанные в разных местах, трудно, потому что Земля очень неправильная. Это лишь в нулевом приближении единый океан всю поверхность планеты покрывает, а на самом деле есть материки и несколько слабо связанных океанов, и у каждого океана своя частота собственных колебаний.

Предыдущие рассуждения о колебаниях уровня моря под действием Луны и Солнца касались открытых океанских просторов, где от одного берега к другому приливное ускорение очень сильно меняется. А в локальных водоёмах – например, озёрах – может ли прилив создать заметный эффект?

Казалось бы, не должно быть, ведь во всех точках озера приливное ускорение примерно одинаково, разница маленькая. Например, в центре Европы есть Женевское озеро, оно всего около 70 км в длину и никак не связано с океанами, но люди давно заметили, что там есть существенные суточные колебания воды. Почему они возникают?

Да, приливная сила чрезвычайно мала. Но главное – она регулярна, т.е. действует периодически. Все физики знают эффект, который при периодическом действии силы иногда вызывает увеличенную амплитуду колебаний. Например, вы берёте в столовой на раздаче тарелку супа и спокойно идёте к своему столу, но вдруг суп начинает из тарелки выпрыгивать. Это значит, что частота Ваших шагов попала в резонанс с собственными колебаниями жидкости в тарелке. Заметив это, мы резко меняем темп ходьбы – и суп «успокаивается». Своя базовая резонансная частота есть у каждого водоёма. И чем больше размер водоёма, тем ниже частота собственных колебаний жидкости в нём. Так вот, у Женевского озера собственная резонансная частота оказалось кратной частоте приливов, и малое приливное влияние «разбалтывает» Женевское озеро так, что на его берегах уровень меняется вполне ощутимо. Эти стоячие волны большого периода, возникающие в замкнутых водоемах, называются сейши.

Энергия приливов

В наше время пытаются один из альтернативных источников энергии связать с приливным эффектом. Как я уже говорил, главный эффект приливов не в том, что вода поднимается и опускается. Главный эффект – это приливное течение, которое за сутки перегоняет воду вокруг всей планеты.

В неглубоких местах этот эффект очень важен. В районе Новой Зеландии через некоторые проливы капитаны даже не рискуют проводить корабли. Парусникам там вообще никогда не удавалось пройти, да и современные корабли проходят с трудом, потому что дно мелкое и приливные течения имеют колоссальную скорость.

Но раз вода течёт, эту кинетическую энергию можно использовать. И уже построены электростанции, на которых турбины туда-сюда вращаются за счёт приливного и отливного течения. Они вполне работоспособны. Первая приливная электростанция (ПЭС) была сделана во Франции, она до сих пор самая крупная в мире, мощностью 240 МВт. По сравнению с ГЭС не ахти, конечно, но ближайшие сельские районы она обслуживает.

Чем ближе к полюсу, тем скорость приливной волны меньше, поэтому в России побережий, у которых были бы очень мощные приливы, нет. У нас вообще выходов к морю немного, а побережье Северного ледовитого океана для использования приливной энергии не особенно выгодно ещё и потому, что прилив гонит воду с востока на запад. Но всё-таки подходящие для ПЭС места есть, например, губа Кислая.

Дело в том, что в заливах прилив создаёт всегда больший эффект: волна набегает, устремляется в залив, а он сужается, сужается – и амплитуда нарастает. Похожий процесс происходит, как если бы щёлкнули кнутом: сначала длинная волна идёт медленно по кнуту, но потом масса вовлечённой в движение части кнута уменьшается, поэтому скорость увеличивается (импульс mv сохраняется!) и к узкому концу достигает сверхзвуковой, в результате чего мы слышим щелчок.

Создавая экспериментальную Кислогубскую ПЭС небольшой мощности, энергетики пытались понять, насколько эффективно можно использовать приливы на околополярных широтах для производства электроэнергии. Особого экономического смысла она не имеет. Однако сейчас есть проект очень мощной российской ПЭС (Мезенской) – на 8 гигаватт. Для того чтобы достичь этой колоссальной мощности, нужно перегородить большой залив, отделив дамбой Белое море от Баренцева. Правда, весьма сомнительно, что это будет сделано, пока у нас есть нефть и газ.

Прошлое и будущее приливов

Кстати говоря, из чего черпается энергия приливов? Турбина крутится, электроэнергия вырабатывается, а какой объект теряет при этом энергию?

Поскольку источником энергии прилива служит вращение Земли, то раз мы черпаем из него, значит, вращение должно замедляться. Казалось бы, у Земли есть внутренние источники энергии (тепло из недр идёт благодаря геохимическим процессам и распаду радиоактивных элементов), есть чем компенсировать потери кинетической энергии. Это так, но энергетический поток, распространяясь в среднем практически равномерно по всем направлениям, едва ли может существенно повлиять на момент импульса и изменить вращение.

Если бы Земля не вращалась, приливные горбы смотрели бы точно в направлении Луны и ему противоположном. Но, вращаясь, тело Земли сносит их вперёд по направлению своего вращения – и возникает постоянное расхождение приливного пика и подлунной точки в 3-4 градуса. К чему это приводит? Горб, который ближе к Луне, притягивается к ней сильнее. Эта сила притяжения стремится затормозить вращение Земли. А противоположный горб дальше от Луны, он старается ускорить вращение, но притягивается слабее, поэтому равнодействующий момент сил оказывает на вращение Земли тормозящее действие.

Итак, наша планета всё время уменьшает скорость своего вращения (правда, не совсем регулярно, скачками, что связано с особенностями массопереноса в океанах и атмосфере). А какое влияние оказывают земные приливы на Луну? Ближняя приливная выпуклость тянет Луну за собой, дальняя – напротив, замедляет. Первая сила больше, в результате Луна ускоряется. Теперь вспомните из предыдущей лекции, что происходит со спутником, который принудительно тянут вперёд по движению? Поскольку его энергия увеличивается, он отдаляется от планеты и его угловая скорость при этом падает, потому что растёт радиус орбиты. Кстати, увеличение периода обращения Луны вокруг Земли было замечено ещё во времена Ньютона.

Если говорить в цифрах, то Луна отдаляется от нас примерно на 3,5 см в год, а длительность земных суток каждые сто лет возрастает на сотую доли секунды. Вроде бы ерунда, но вспомните, что Земля существует миллиарды лет. Легко подсчитать, что во времена динозавров в сутках было около 18 часов (нынешних часов, разумеется).

Поскольку Луна отдаляется, приливные силы становятся меньше. Но ведь она всегда удалялась, и если мы обратим взгляд в прошлое, то увидим, что раньше Луна была ближе к Земле, а значит, и приливы были выше. Можете оценить, например, что в архейскую эру, 3 млрд лет назад приливы были километровой высоты.

Приливные явления на других планетах

Разумеется, в системах других планет со спутниками происходят такие же явления. Юпитер, например, – очень массивная планета, у которой большое число спутников. Четыре его крупнейших спутника (их называют галилеевыми, потому что Галилей их обнаружил) подвергаются влиянию со стороны Юпитера вполне ощутимо. Ближайший из них, Ио, весь покрыт вулканами, среди которых более полусотни действующих, причём они выбрасывают «лишнее» вещество на 250—300 км вверх. Это открытие было весьма неожиданным: на Земле таких мощных вулканов нет, а тут маленькое тело размером с Луну, которое должно бы остыть уже давно, а вместо этого оно пышет жаром во все стороны. Где источник этой энергии?

Вулканическая активность Ио была сюрпризом не для всех: за полгода до того, как первый зонд подлетел к Юпитеру, два американских геофизика опубликовали работу, в которой они рассчитали приливное влияние Юпитера на этот спутник. Оно оказалось настолько велико, что способно деформировать тело спутника. А при деформации всегда выделяется тепло. Когда мы берём кусок холодного пластилина и начинаем мять его в руках, он становится после нескольких сжатий мягким, податливым. Это происходит не потому, что рука нагрела его своим теплом (точно так же получится, если его плющить в холодных тисках), а потому что деформация вложила в него механическую энергию, которая преобразовалась в тепловую.

Но с какой стати форма спутника меняется под действием приливов со стороны Юпитера? Казалось бы, двигаясь по круговой орбите и синхронно вращаясь, как наша Луна, стал один раз эллипсоидом – и нет повода для последующих искажений формы? Однако рядом с Ио ещё и другие спутники есть; все они заставляют немножко смещаться туда-сюда его (Ио) орбиту: она то приближается к Юпитеру, то удаляется. Значит, приливное влияние то ослабевает, то усиливается, и форма тела всё время меняется. Кстати, я ещё не говорил про приливы в твёрдом теле Земли: они, конечно, тоже есть, они не такие высокие, порядка дециметра. Если вы посидите часов шесть на своих местах, то благодаря приливам сантиметров на двадцать «погуляете» относительно центра Земли. Это колебание для человека неощутимо, конечно, но геофизические приборы его регистрируют.

В отличие от земной тверди, поверхность Ио за каждый орбитальный период колеблется с многокилометровой амплитудой. Большое количество энергии деформации рассеивается в виде тепла и нагревает недра. На ней, кстати, не видно метеоритных кратеров, потому что вулканы постоянно забрасывают всю поверхность свежим веществом. Стоит ударному кратеру образоваться, как лет через сто его засыпают продукты извержения соседних вулканов. Работают они непрерывно и очень мощно, к этому добавляются разломы в коре планеты, через которые из недр вытекает расплав разных минералов, в основном сера. При высокой температуре она темнеет, поэтому струя из кратера выглядит чёрной. А светлый ободок вулкана – остывшее вещество, которое опадает вокруг вулкана. На нашей планете выброшенное из вулкана вещество обычно тормозится воздухом и падает близко к жерлу, образуя конус, а на Ио атмосферы нет, и оно летит по баллистической траектории далеко во все стороны. Пожалуй, это пример самого мощного приливного эффекта в Солнечной системе.

Второй спутник Юпитера, Европа вся выглядит, как наша Антарктида, она покрыта сплошной ледяной коркой, кое-где потрескавшейся, поскольку её тоже что-то постоянно деформирует. Поскольку этот спутник подальше от Юпитера, приливный эффект здесь не так силён, но тоже вполне ощутим. Под этой ледяной корой жидкий океан: на снимках видно, как из некоторых разошедшихся трещин бьют фонтаны. Под действием приливных сил океан бурлит, а на его поверхности плавают и сталкиваются ледяные поля, почти как у нас в Северном ледовитом океане и у берегов Антарктиды. Измеренная электропроводность жидкости океана Европы свидетельствует о том, что это солёная вода. Почему бы там не быть жизни? Заманчиво было бы опустить в одну из трещин прибор и посмотреть, кто там живёт.

На самом деле не для всех планет концы с концами сходятся. Например, у Энцелада, спутника Сатурна, тоже есть ледяная кора и океан под ней. Но расчёты показывают, что энергии приливов недостаточно, чтобы поддерживать подлёдный океан в жидком состоянии. Конечно, кроме приливов у любого небесного тела есть и другие источники энергии – например, распадающиеся радиоактивные элементы (уран, торий, калий), но на малых планетах они едва ли могут играть значимую роль. Значит, чего-то мы пока не понимаем.

Приливный эффект чрезвычайно важен для звёзд. Почему – об этом на следующей лекции.