Новый взгляд на природу приливов

Приливы – периодические колебания уровня Мирового океана – происходят на Земле за счёт эксцентричного движения нашей планеты 

вокруг барицентра Земля – Луна, что приводит к возникновению сил, вызывающих вихревое движение водных и воздушных масс тем больших, чем большее пространство они охватывают. В школе нас учили иначе...

И глубиной таинственных изгибов

Качания приливов и отливов

Внутри меня Луной повторены.

Максимилиан Волошин, «Лунариум»

После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютон предположил, что приливы и отливы в океанах вызываются притяжениями водной оболочки Земли Луной и Солнцем. В дальнейшем это интересное явление природы изучалось Д. Бернулли и Л. Эйлером, но наибольший вклад внёс математик П. Лаплас, который ещё в конце XVIII века сформулировал современную постановку задачи о приливах. Геофизик Дж. Дарвин (1898) предложил ряд подходов к практическому решению этой задачи. Уже в наше время эволюцию приливных взаимодействий в системе Земля – Луна рассматривали Г. Макдональд (1964), П. Голдрайх (1966), Е.Л. Рускол (1975), О.Г. Сорохтин и многие другие.

Преподаваемая в школах гипотеза приливного эллипсоида гласит: «Приливы происходят в основном вследствие сил взаимного притяжения между Луной, Землёй и Солнцем и центробежных сил системы вращения… Под действием указанных выше сил водная оболочка Земли деформируется в эллипсоид, большая ось которого направлена на центр Луны. На экваторе приливы будут наибольшими, а на полюсах уровень понижен и всегда постоянный. Такая форма водной оболочки называется лунным приливным эллипсоидом. Под воздействием Солнца также образуется эллипсоид, но меньший по размерам – солнечный приливной эллипсоид».

Предлагаю проверить эту гипотезу математически. Согласно закону всемирного тяготения, гравитационное воздействие Луны на Землю F_лз = G * M_з * Mл/Rзл², а сила притяжения Луной тела массой 1 килограмм, находящегося на поверхности Земли, при расстоянии между Луной и Землёй, равном его среднему значению, равна:

F_лз = (6,67*10^-11*7,35*10²²) / (384405000 - 6378000)² = 0,0000342 [Н], то есть всего 34 микроНьютона.

Сила притяжения тела массой 1 килограмм на поверхности Земли Солнцем (для среднего расстояния): F_сз = (6,67*10-11*1,99*10³⁰) / (1,496*10¹¹- 6378000)² = 0,005931 [Н], то есть 5931 микроНьютона, что в 173 раза больше, чем сила притяжения Луной, но никаких «солнечных» приливов на Земле не наблюдается!

Из-за неравномерности рельефа, масконов (регионов литосферы планеты, вызывающих положительные гравитационные аномалии. – Ред.), а также влияния центробежных сил ускорение свободного падения тела, находящегося на поверхности Земли, изменяется в гораздо более существенных пределах. Так, например, вес тела массой в 1 килограмм на полюсах больше веса на экваторе примерно на 5,3 грамма, причём одна треть этой разницы обусловлена сплюснутостью Земли с полюсов, а две трети – центробежной силой на экваторе, направленной против силы тяжести.

Из расчётов видно, что прямое гравитационное воздействие Луны на тело, находящееся на Земле, является микроскопическим и значительно уступает гравитационному воздействию Солнца и геофизических аномалий.

Скорость вращения Земли на экваторе 465 м/с, и если бы Луна притягивала к себе воды океана, то этот приливной «горб» должен был бы смещаться по поверхности со сверхзвуковой скоростью, сметая в районе экватора всё на своём пути!

Согласно гипотезе «приливного эллипсоида», волна должна приходить синхронно по меридиану два раза в сутки, но этого не наблюдается. Более того, существуют места (например, в Белом море), где бывает четыре прилива в сутки, а в других – всего один. Ещё Лапласа изумлял парадокс: почему в морских портах, находящихся на одном меридиане, полная вода наступает последовательно, хотя по концепции приливного эллипсоида она должна наступать там одновременно?..

Сила притяжения Луной тела на поверхности Земли – три с половиной десятимиллионных от силы притяжения нашей планеты. Даже приборы её не почувствуют! И тем более ею нельзя переместить пылинку, висящую в воздухе (понаблюдайте за ними в момент кульминации Луны).

Сила притяжения Солнцем тела массой 1 килограмм на поверхности Земли – 0,0059 Ньютона. Но эта сила не способна притянуть даже каплю тумана, взвешенную в воздухе, иначе в момент кульминации светил облака и туман рассеивались бы! К тому же притяжение тела на поверхности Земли к Солнцу намного больше, чем к Луне, то есть «горб» океанических вод в сторону Солнца должен был быть во столько же раз больше лунного!

Лунная пыль против приливного эллипсоида

Исходя из гипотезы приливного эллипсоида, поскольку Луна всегда обращена к Земле одной стороной, на ней за многие годы должна была возникнуть стоячая волна из реголита (лунной пыли) с «горбом» в сторону Земли. Ведь каждый лунный день при повышении температуры поверхности до +120°C частички лунной пыли электризуются «солнечным ветром» и поднимаются над поверхностью. Следовательно, они легко могут быть перемещены под действием даже незначительной силы. Но никаких гор реголита ни в ближайшей к Земле точке поверхности Луны (кратер Мёстинг А), ни с противоположной стороны не наблюдается. Яркое свидетельство тому – панорамные изображения «Сервейор-6» из Центрального Залива.

Силу притяжения Землёй тела на поверхности Луны массой 1 килограмм можно вычислить по формуле:

F_зл = GM_з/(R_зл-R_л)² = 0,0162 [Н], что примерно в 101 раз меньше, чем сила притяжения Луной на поверхности тела массой 1 килограмм.

Следовательно, сила притяжения Земли не оказывает заметного влияния на перемещение даже мелких частиц реголита.

Поскольку никаких лунных и солнечных приливных «горбов», несущихся вдоль экваториальной области планеты со сверхзвуковой скоростью, мы не наблюдаем, то сила, вызывающая приливы, имеет иную физическую природу, нежели гравитационное притяжение к Луне и к Солнцу вод океанов.

Движение барицентра системы Земля–Луна

Луна обладает значительной массой (1,23 процента М_з). Поэтому правильно считать, что Земля и Луна образуют двойную планетарную систему, движущуюся вокруг общего центра масс (барицентра З–Л), который смещён относительно центра Земли в среднем на 4670 километров. Вследствие этого Земля, вращаясь вокруг своей оси, одновременно движется вокруг барицентра с периодом, равным сидерическому лунному месяцу (27,32166 солнечных суток).

Орбитальное движение Земли относительно Солнца представляет собой сумму двух движений: годичного движения центра масс системы Земля – Луна вокруг Солнца и месячного движения Земли относительно барицентра З–Л. Эклиптика – плоскость орбитального движения центра масс системы Земля – Луна. Притяжение Солнца динамически уравновешено в барицентре З–Л, а не в центре Земли. При этом центр тяжести нашей планеты движется вокруг Солнца по синусоиде переменной амплитуды из-за периодического изменения расстояния между Землёй и Луной.

В результате на эллиптическую орбиту Земли накладывается переменная, модулирующая с амплитудой 4500–4940 километров. Барицентр З–Л перемещается в земной нижней мантии на расстоянии 1400–1870 километров под её поверхностью.

Из-за этого точка на поверхности Земли меняет свою скорость от +3,8 м/с до -3,8 м/с в зависимости от фазы Луны. Изменение скорости точки на поверхности Земли в связанной с ней системе координат ведёт к образованию сил, вызывающих вихревое движение водных и воздушных масс тем больших, чем большее пространство они охватывают.

В результате такого взаимодействия наблюдаются суточные приливы с периодом в половину лунных суток (12 часов 26,5 минуты) и полумесячные максимумы амплитуд приливов, связанные с взаимным расположением Земли и Луны при движении их общего центра масс по эллиптической орбите вокруг Солнца с периодом, равным сидерическому лунному месяцу (27,32166 солнечных суток; промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот вокруг Земли и занимает исходное положение относительно звёзд. – Ред.).

Вследствие движения вокруг барицентра Земли и Луны наблюдатель с Солнца увидит Землю, например, при первой четверти Луны впереди барицентра, а через половину синодического месяца (14,76 средних солнечных суток; период обращения Луны вокруг Земли между двумя новолуниями. – Ред.), при последней четверти, – позади барицентра. Это так называемое лунное неравенство в движении Земли, период его равен синодическому месяцу. Такую же картину наблюдают с Земли в движении Солнца среди звёзд. Но плоскость орбиты Луны в движении её вокруг Земли не совпадает с плоскостью орбиты барицентра, а наклонена к ней под углом 5°09’. Поэтому центр Земли бывает то выше плоскости орбиты барицентра, то ниже её. Наблюдателю из центра Земли предстаёт обратная картина: центр Солнца то ниже плоскости орбиты барицентра, то выше её. Вследствие этого неравенства геоцентрическая широта Солнца не всегда в точности равна нулю.

Достаточно взглянуть на официальную карту NASA высоты приливной волны, чтобы убедится, что никаких экваториальных, следующих за Луной приливных «горбов» в гидросфере планеты не наблюдается, а вихревое движение ярко выражено, и минимальная высота приливов – в эпицентрах водоворотов (амфидромических точках), а максимальная – у берегов обширных водных поверхностей.

Амфидромические точки соединены двенадцатью котидальными линиями, соответствующими ежечасному положению приливных волн, вращающихся вокруг этих точек. Высота прилива увеличивается с удалением от амфидромической точки.

Собственное движение Луны по своей орбите в течение суток достигает 13,2°. Вследствие этого момент кульминации Луны по отношению к звёздам ежесуточно запаздывает в среднем на 52,71 минуты, а по отношению к Солнцу – на 48,77 минуты. Поэтому лунные (приливные) сутки длиннее календарных суток. Получается, что период между максимумами приливов в среднем составляет 24 часа 52,7 минуты.

Длина приливной волны зависит от расстояния от амфидромической точки до берега водоёма (R) или половинному расстоянию до другой амфидромической точки. А высота приливной волны (из закона сохранения энергии) зависит от R и скорости вращения водоворота (полный оборот происходит за половину лунных суток):

А = 2Пи²k_пр²R²/(gТ²), где A – амплитуда приливной волны; R – расстояние от амфидромической точки до берега водоёма; w – угловая скорость круговорота приливной волны, Т – периодичность прилива (1/2 лунных суток, 12 часов 26,36 минуты), k_пр – эмпирический приливной коэффициент (-0,05).

Помимо расстояния от побережья до центра круговорота, амплитуда приливов также зависит от направления течений, интерференций с другими волнами, рельефа берега, морского дна и множества других факторов.

Кроме того, средние высоты приливов уточняются в зависимости от атмосферного давления (так, повышение давления в 1 миллибар понижает уровень моря на 10 миллиметров – и наоборот) и от силы и направления ветра, формирующего сгонно-нагонные колебания.

Практическое применение новой гипотезы

Два раза в сидерический месяц наш спутник пересекает орбиту Земли, движущейся вокруг Солнца или впереди, или позади неё, и, благодаря центробежным силам, придаёт нашей планете небольшое то положительное, то отрицательное ускорение движения. Поэтому в атмосфере вихревое движение будет максимально скорее в «полулуние», а самые спокойные дни будут приходиться на полнолуние и новолуние. Скорость распространения приливных волн в водной среде значительно медленней, чем в воздухе, поэтому максимальные приливы у берегов наблюдаются через четыре-пять дней после «полулуния», что ассоциируется людьми с полнолунием или новолунием.

Проявление сил, вызванных неравномерным движением Земли, во всех живых организмах выражается в интенсивности циркуляции жидкостей. Это приводит к росту волос и заживлению ран, более на растущей Луне, чем на убывающей.

Люди это заметили ещё тысячелетия назад и учитывают в своей повседневной жизни. Так, например, при заготовке элитных сортов древесины и выращивании растений обязательно учитывается фаза Луны. Но, оказывается, такие «народные приметы» имеют под собой весьма научное объяснение.

Факты о приливах

• Благодаря перемещению барицентра системы Земля – Луна под поверхностью планеты между двумя последовательными приливами в одном месте проходит примерно 12 часов 26 минут. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива – около 6 часов 13 минут. Период продолжительностью 24 часа 53 минуты между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
• Приливы образуются не по всему побережью морей и океанов, а только на тех побережьях, где высокая скорость течений. И чем выше скорость течений вдоль побережья, тем выше амплитуда приливной волны. На тех побережьях, где скорость течений равна 0 км/час, амплитуда приливов также равна 0 метров.
• Благодаря Кориолисовой силе воды озёр, морей и океанов Северного полушария вращаются преимущественно против часовой стрелки, а воды Южного полушария – в основном по часовой стрелке, образуя циклонические круговороты с полупериодом кульминации Луны.
• На сегодняшний день, опираясь на Лунную теорию приливов, можно спрогнозировать время приливов и отливов на многие годы вперёд, особенно там, где вращаются постоянные водовороты. Но невозможно спрогнозировать дальше, чем на неделю, амплитуду приливов и отливов в устьях рек и заливов, которая зависит от параметров водоворотов.
• Точно такой же эффект, только в очень небольшом масштабе, был отмечен при измерении скорости вращения Земли – было замечено очень маленькое, но существенное отклонение оси вращения громадного гироскопа Фуко. Поскольку водовороты диаметром в несколько километров больше и тяжелее экспериментального гироскопа Фуко, то и следствие их намного больше – в частности приливы и отливы.
• Большое количество факторов распространения приливных волн, таких как рельеф местности, интерференция, различная скорость движения, сильно усложняет математическое моделирование процесса. Поэтому до сих пор в каждой местности составляются свои эмпирические таблицы приливов.

Орбитальные и вращательные движения тел в системе Земля – Луна взаимосвязаны. Это следует из анализа уравнений классической динамики. Фактор, управляющий этой взаимосвязью, – приливные силы, воздействие которых на реальное небесное тело проявляется в широком спектре процессов. На первых этапах исследования приливов было важно подчеркнуть их зависимость от закона всемирного тяготения. Из соображений наглядности Исаак Ньютон предложил в качестве первого приближения описание приливной силы, соответствующей кеплеровскому движению. Пьер-Симон Лаплас развил эту идею, придав описанию изящную аналитическую форму, которая вошла в научный обиход и является общепризнанной. На современном этапе целесообразнее рассматривать приливную силу как следствие возмущённого движения Земли вокруг барицентра с Луной по орбите вокруг Солнца.

Притяжение Солнцем и Луной водных и воздушных масс Земли не оказывает существенного влияния на приливы и отливы. Роль Луны косвенная – это изменение орбитальной и угловой скорости точки на поверхности Земли из-за движения вокруг общего центра масс.

Поскольку центры круговорота вод, вызывающие приливы, не перемещаются, можно предложить прокладывать маршруты судов через амфидромические точки, где приливных волн нет, и избегать области между центрами круговоротов, где максимальная вероятность возникновения интерференции волн и образования «волн-убийц».

Более подробно можно ознакомиться на сайте idabahov.ru

Игорь ДАБАХОВ

Источник: НиР № 5, 2023