Что такое приливы и отливы
Приливы и отливы — это периодически повторяющиеся колебания уровня воды в акваториях Земли. Максимальное поднятие уровня воды называется приливом, а минимальное — отливом. Колебания воды происходят из-за гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю, из-за чего вода то поднимается, то опускается.
Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах колебания значительно слабее.
Самые сильные на Земле приливы и отливы амплитудой 15,6–18 м наблюдаются в бухте Фанди (залив, омывающий побережье Канады и США) [1]. В России самые высокие приливы случаются в Пенжинской губе Охотского моря — там вода поднимается до 13 м.
За явлением приливов и отливов люди наблюдали с давних времен. Гай Юлий Цезарь в своей книге «Записки о Галльской войне» связывает необычно высокий прилив у берегов Британии с наступившим новолунием. Испанский историк, географ и натуралист Хосе де Акоста в своей «Истории» (1590) также собрал доказательства связи отливов и приливов с фазами Луны и назвал приливы «одной из замечательных тайн природы». Немецкий астроном Иоганн Кеплер выдвинул предположение, что приливы и отливы связаны с притяжением Луны и Земли. Наиболее точную причину приливов и отливов назвал Исаак Ньютон. В 1687 году великий ученый изложил закон всемирного тяготения. Именно он объяснил, почему и лунные, и солнечные приливы происходят по два раза в сутки.
Почему образуются приливы и отливы
Приливы и отливы возникают по двум причинам.
- Луна и Солнце воздействует на Землю силой притяжения.
- Земля вращается вокруг своей оси.
Как Луна влияет на приливы и отливы
Сила притяжения, которую Луна оказывает на Землю, вызывает на поверхности морей и океанов выпуклости воды, похожие на горбы. Они образуются как на стороне, обращенной к Луне, так и на противоположной стороне Земли. Если с первым горбом, близким к Луне, все понятно, то второй возникает из-за того, что Земля и Луна притягиваются друг к другу, образуют систему Земля — Луна и вращаются вокруг их общего центра масс, который сосредоточен в недрах Земли. В результате возникает центробежная сила, которая «вытягивает» еще одну выпуклость с обратной стороны Земли.
В точках, которые в это время равноудалены от Луны и от приливных «горбов», уровень воды снижается — там наступает отлив.
Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси и Луна оставалась неподвижной, то «горбы» так и оставались в своем положении, а Земля вместе со своей водной оболочкой всегда сохраняла бы одну и ту же вытянутую форму. Но Земля вращается, а Луна движется вокруг Земли. Из-за этого выступы воды следуют за Луной и перемещаются по поверхности океанов и морей с востока на запад. Поскольку таких выступов на противоположных сторонах планеты два, над каждым участком в океане дважды в сутки с интервалом около 12 часов 25 минут (лунные сутки длятся 24 часа 50 минут) проходит приливная волна.
Когда приливная волна движется по открытому океану, уровень воды поднимается незначительно — примерно на 1 м и ниже. Для мореплавателей эти изменения практически незаметны. Однако у берегов даже такой подъем уровня воды становится заметным.
Во внутренних морях Земли, которые глубоко вдаются в сушу и сообщаются с океаном по узким проливам, например в Черном море, отливы и приливы почти незаметны, так как передвигающиеся вместе с океаном массы воды не успевают проникнуть в эти водоемы за короткие промежутки. Приливные волны во внутренних морях и озерах обычно не достигают большой высоты и составляют всего около 10 см.
В одной и той же местности высота приливов постоянно меняется, так как расстояние от Луны до Земли также с течением времени меняется из-за эллиптической орбиты спутника. Например, за один месяц расстояние от Земли до Луны составляет от 356 тыс. км до 406 тыс. км. Так как Земля и Луна то отдаляются, то приближаются друг к другу, их гравитационные силы тоже пропорционально то усиливаются, то ослабевают.
Влияние Солнца
На Землю своими силами притяжения воздействует не только Луна, но и Солнце. Несмотря на то что светило во много раз превосходит спутник в массе, а его гравитационное притяжение к Земле примерно в 178 раз сильнее, приливные силы Солнца меньше приливных сил Луны в 2,2 раза. Все дело в том, что ключевую роль в этом явлении играет расстояние, а между Землей и Луной оно значительно меньше. Однако, когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной линии, в новолуние, приливы особенно сильны, как и заметил однажды Гай Юлий Цезарь.
Во время первой и третьей четвертей Луны, когда приливные силы Солнца и Луны как бы противодействуют друг другу, приливы, наоборот, становятся значительно слабее. Во многих странах издаются специальные «Таблицы приливов» [2], где указана высота прилива в различных портах на каждый час в течение всех дней в году.
Разновидности приливов
Наблюдаемые в природе приливы очень сложны по своей структуре, поэтому предсказать их величину и время для любого места и момента — сложная задача. Чтобы проводить вычисления было легче, характеристики приливов сгруппировали и классифицировали.
В зависимости от величины периода прилива — промежутка времени между одинаковыми уровнями — приливы подразделяются на полусуточные, суточные и смешанные.
- Полусуточные. За лунные сутки (24 часа 50 минут) возникают два прилива и два отлива. Каждые 12 часов 25 минут случается один прилив и один отлив. Именно для таких приливов применимо так называемое Правило 12, позволяющее без графика рассчитать высоту прилива на заданное время. Амплитуды колебаний чередуются, но практически не различаются, поэтому похожи на синусоидальную кривую. Хорошо выраженные полусуточные приливы наблюдаются вдоль мурманского берега Баренцева моря, на большей части Белого моря и в пределах почти всего Атлантического океана.
- Суточные. В сутки происходит один прилив и один отлив. Такое встречается редко и в основном в Тихом океане. Величина прилива увеличивается и уменьшается в зависимости от изменения склонения Луны. Если Луна находится на одной линии с экватором, водные массы и вовсе стоят на месте — эти приливы называют экваториальными. Если Луна немного отклонена в сторону, то в зоне экватора появляются незначительные колебания. Если спутник Земли явно склоняется в южную или северную сторону, то в тропических областях наблюдаются сильные подъемы воды, их называют тропическими приливами.
- Смешанные. Также наблюдаются в Тихом океане. Это приливы, в которых проявляются признаки как полусуточных, так и суточных приливов. Смешанные приливы подразделяются на две группы: неправильные полусуточные и неправильные суточные. У неправильных полусуточных приливов есть разница между временем роста и временем падения уровня воды. Неправильные суточные приливы меняются в зависимости от изменения склонения Луны относительно экватора.
- Аномальные. Такие приливы усложняются влиянием мелководья (так называемые мелководные приливы), у которых нарушается симметрия в подъеме и спаде уровня. Иногда в условиях мелководья полусуточные приливы становятся четвертьсуточными с четырьмя полными и четырьмя малыми водами. Такие приливы наблюдаются в некоторых портах пролива Ла-Манш и в Белом море.
Как люди используют энергию приливов и отливов
Человек с давних времен пытался извлечь пользу из силы приливно-отливных процессов. Первые приливные мельницы появились в ХI веке на побережье Адриатического моря, а также в Англии и Франции. К более поздним временам относится сохранившаяся жалованная грамота Ивана Грозного, в которой упоминается о приливных мельницах, построенных Никитой Павловым на берегу Белого моря в Усть-Золотице [3]. Энергия воды быстро стала одним из основных источников энергии для производств и домохозяйств, а эксперименты с ее приливной силой продолжаются по сей день.
Приливные электростанции
Так как высота прилива зависит от формы береговой линии, люди стали замечать, что в узких заливах, проникающих глубоко в сушу, как правило, наблюдаются сильные подъемы воды. Именно в таких местах обычно и возводят приливные электростанции (ПЭС), так как здесь можно наиболее эффективно использовать мощную энергию приливных волн. Строительство ПЭС целесообразно в заливах, где разница между приливами и отливами составляет не менее четырех метров.
Для сооружения приливной электростанции вход в залив или устье реки перегораживают плотиной. Внутри плотины устанавливаются гидроагрегаты, вращение которых приводит к выработке электроэнергии при движении потока воды. При этом энергия вырабатывается и во время прилива, и во время отлива. Этот вид гидроэлектростанций позволяет получать дешевую и экологически чистую энергию.
- Первую морскую ПЭС мощностью 635 кВт построили в 1913 году в бухте Ди недалеко от Ливерпуля [4].
- С 1966 года в устье реки Ранс во Франции работает ПЭС мощностью 240 МВт. Она имеет самую большую в мире плотину длиной 800 м, которая одновременно служит мостом с высокоскоростной автомобильной трассой.
- Крупнейшая в мире (на 2013 год) Сихвинская ПЭС, построенная в 2011 году, мощностью 254 МВт расположена в искусственном заливе Сихва на северо-западе Южной Кореи.
- Самая мощная на сегодня ПЭС — шотландская О2, с совокупной мощностью 2 МВт [5]. Для сравнения, самая мощная ГЭС в мире «Три ущелья» в Китае имеет общую установленную мощностью 22,5 тыс. МВт.
Приливная электростанция есть и в России. Это экспериментальная Кислогубская ПЭС мощностью 12 МВт, которая расположена в узком заливе на побережье Баренцева моря. Кроме этого планируется строительство еще одной ПЭС на Камчатке, в Пенжинской губе [6]. Именно в этой части залива Шелихова в Охотском море наблюдаются самые высокие в стране приливы — 12,9 м.
Теоретически энергетический потенциал ПЭС оценивается в 2500–4000 ГВт, что сопоставимо с технически возможным речным потенциалом (4000 ГВт). Однако пока достичь таких показателей на ПЭС не удается.
Приливные электростанции привлекательны своей экологичностью, так как производят чистую и возобновляемую энергию без парниковых выбросов. Среди минусов — дорогостоящая инфраструктура, негативное влияние на местные морские экосистемы и относительная непредсказуемость приливных процессов: чтобы снабжать энергией производства, необходимы более надежные и устойчивые источники.
Рыбалка и сбор морепродуктов
Рыбаки часто используют знание о приливах и отливах для выбора места для ловли. Например, планктон при полнолунии поднимется в верхние слои воды, чтобы питаться микроорганизмами, а рыба поднимается за ним в поиске пропитания, а значит, в этот период лучше клюет. Кроме того, во время отливов на оголенном морском побережье остаются мидии, устрицы, морские гребешки и ежи, которые можно беспрепятственно собрать.
Навигация судов
Понимание природы приливов и отливов важно для навигации во внутренних водах, особенно в реках и дельтах. Эти места опасны их мелководьем — так, например, отмель возле устья реки может заставить судно «сесть» и повредить его. Лоцман должен хорошо знать, когда в том или ином месте прибывает и убывает вода и когда есть возможность безопасно пересечь эту местность.
Серфинг
Серферам нужны волны. На размер и форму волны влияет глубина водоема, а она, в свою очередь, меняется в соответствии с приливами и отливами. Например, при приливе волны могут быть более высокими и мощными, что делает серфинг более захватывающим, но в то же время и более сложным и опасным, подходящим лишь для профессионалов. Во время отлива воды, наоборот, мало, поэтому волна может быть резкой и «закрываться» по всей длине, что делает катание на серфе невозможным.
Серферы обычно учитывают приливы и отливы при выборе места для серфинга, чтобы получить наилучший опыт. Среди них, как и среди моряков, распространены таблицы приливов и отливов.
