Почему бывают приливы

Приливы возникают потому, что притяжение Луны, а в меньшей степени и Солнца, тянет водную оболочку Земли неравномерно: с той стороны планеты, что ближе к Луне, вода приподнимается заметнее, чем в среднем по Земле, а с противоположной стороны образуется второй, почти такой же по высоте горб - из-за этого уровень моря дважды в сутки поднимается и дважды опускается.

Как притяжение Луны тянет воду

Хотя Луна намного меньше Земли, её гравитация ощутимо действует на всё, что находится на поверхности планеты, включая огромные массы воды в океане. Сила этого притяжения слабеет с расстоянием, а Земля - тело немаленькое, поэтому та сторона планеты, что в данный момент повёрнута к Луне, находится к ней заметно ближе, чем центр Земли, а противоположная сторона - заметно дальше. Из-за этой разницы в расстоянии близкая к Луне вода притягивается сильнее среднего и слегка приподнимается над обычным уровнем, образуя выпуклость - прилив. Твёрдое тело планеты при этом тоже немного деформируется гравитацией Луны, но куда меньше, чем подвижный слой воды, - именно поэтому эффект нагляднее всего заметен по океану.

Почему прилив не один, а два

Второй горб воды, на противоположной от Луны стороне Земли, часто вызывает больше вопросов, чем первый, но объясняется той же логикой различия сил на разных расстояниях. Дело не в том, что дальняя от Луны вода как-то особенно притягивается, а в том, что сама твёрдая Земля целиком притягивается Луной сильнее, чем вода на дальней от неё стороне: то есть относительно центра планеты дальняя вода как бы немного отстаёт, “проседает” назад, и это создаёт выпуклость с противоположной стороны, симметричную первой. Проще говоря, приливная сила устроена не как простое притяжение к Луне, а как растягивающая сила, действующая по оси Земля - Луна сразу в обе стороны: и в сторону Луны, и в противоположную от неё. В результате водная оболочка планеты вытягивается в фигуру, похожую на слегка сплюснутый эллипсоид с двумя выступами, а поскольку Земля за сутки успевает провернуться вокруг своей оси, любая точка побережья за один оборот проходит через оба выступа - отсюда и два прилива с двумя отливами между ними в течение суток.

Есть и другой способ увидеть эту же картину - через общий центр масс системы Земля - Луна. Планета и спутник не просто вращаются одна вокруг другой: они вместе обращаются вокруг общей точки равновесия, которая из-за огромной разницы в массе лежит не посередине между ними, а внутри самой Земли, в нескольких тысячах километров от её центра. Каждая точка планеты при таком совместном вращении описывает свою маленькую окружность вокруг этого общего центра, и возникающая от такого движения центробежная сила у поверхности, обращённой к Луне, чуть слабее гравитационного притяжения Луны, а у противоположной поверхности - чуть сильнее его. В сумме оба взгляда на задачу, и разница расстояний до Луны, и вращение вокруг общего центра масс, дают один и тот же результат - два симметричных выступа воды по разные стороны планеты.

Почему интервал между приливами не ровно двенадцать часов

Если бы Луна неподвижно висела над одной и той же точкой, высокая вода в конкретном месте повторялась бы строго раз в двенадцать часов - ровно половина оборота Земли вокруг оси. Но Луна за то время, пока Земля делает один оборот, успевает и сама заметно сдвинуться по своей орбите вокруг Земли, в ту же сторону, в какую вращается планета, поэтому Земле требуется не двадцать четыре часа, а примерно на пятьдесят минут больше, чтобы конкретная точка побережья снова оказалась точно напротив Луны, - это время называют лунными сутками. Из-за этого сдвига высокая вода в одном и том же месте наступает каждый день примерно на пятьдесят минут позже, чем накануне, а интервал между двумя соседними приливами составляет не ровно двенадцать, а около двенадцати часов двадцати пяти минут.

Ещё один слой сложности добавляет наклон лунной орбиты относительно экватора Земли: Луна редко находится точно над экватором, чаще она смещена к северу или к югу от него, и из-за этого один из двух суточных приливов на конкретном побережье нередко оказывается заметно выше другого - такую картину называют суточным неравенством приливов. В отдельных точках земного шара, особенно ближе к тропикам, это неравенство настолько выражено, что второй, слабый прилив за сутки почти незаметен, и жители такого побережья на практике имеют дело всего с одним заметным приливом в день, хотя формально их по-прежнему два.

Роль Солнца - меньше, чем у Луны, но не пренебрежимо мала

Солнце в миллионы раз массивнее Луны, но оно и в сотни раз дальше, а приливная сила падает с расстоянием намного резче, чем обычная сила притяжения, поэтому итоговый вклад Солнца в приливы заметно меньше лунного - по расчётам, чуть меньше половины от того, что даёт Луна. Тем не менее этот вклад далеко не нулевой, и именно взаимодействие двух приливных сил, лунной и солнечной, определяет, будет ли конкретный прилив особенно высоким или, наоборот, слабым.

Сизигийные и квадратурные приливы

Когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются почти на одной прямой - это происходит дважды за лунный месяц, в новолуние и в полнолуние, - приливные силы Луны и Солнца складываются, действуя в одном направлении, и получается особенно высокий прилив и особенно низкий следующий за ним отлив; такие усиленные приливы называют сизигийными. Когда же Луна и Солнце по отношению к Земле расположены под прямым углом друг к другу - это бывает в фазы первой и последней четверти, - солнечная приливная сила частично гасит лунную, работая ей поперёк, и разница между приливом и отливом получается заметно меньше обычной; такие ослабленные приливы называют квадратурными. Смена сизигийных и квадратурных приливов повторяется с периодичностью примерно в две недели, синхронно со сменой фаз Луны, и именно поэтому самые высокие приливы года и самые эффектные отливы, обнажающие дно на большом расстоянии от берега, обычно совпадают по датам с новолунием или полнолунием.

Почему амплитуда приливов так различается в разных морях

Если бы высота прилива зависела только от притяжения Луны и Солнца, она была бы примерно одинаковой везде на планете, но в реальности разброс огромный: в одних заливах вода поднимается на пятнадцать и более метров, а в соседнем относительно замкнутом море колебание уровня едва заметно на глаз. Причина в том, что приливной горб воды - это не статичный выступ, а гигантская волна, которая непрерывно обходит Землю вслед за кажущимся движением Луны и Солнца по небу, а поведение любой волны сильно зависит от формы того “сосуда”, по которому она движется. Открытый океан достаточно широк и глубок, чтобы эта волна прошла по нему почти незаметно, с перепадом высоты в десятки сантиметров. Но когда та же волна попадает в сужающийся к берегу залив или на мелководный морской шельф воронкообразной формы, происходит то же самое, что происходит с любой волной, идущей на сужение: энергия волны, ранее распределённая по широкому фронту, сжимается в узком пространстве, и высота волны резко нарастает - именно поэтому самые высокие приливы в мире регистрируют в воронкообразных заливах вроде залива Фанди в Канаде, где перепад между приливом и отливом достигает порядка шестнадцати метров. Дополнительно на амплитуду влияет резонанс: у каждого залива или моря есть собственный, зависящий от его размера и глубины период колебаний воды, и если этот собственный период оказывается близок к приливному циклу, колебания взаимно усиливаются, как при раскачивании качелей в такт, - это ещё сильнее увеличивает высоту прилива в одних местах и, наоборот, гасит его в других, где собственный период воды сильно отличается от приливного.

Почему в некоторых морях приливов почти не видно

Есть и обратный полюс - почти замкнутые моря вроде Балтийского, Чёрного или Средиземного, где колебание уровня воды за сутки измеряется единицами сантиметров и человеку без приборов заметить его почти невозможно. Такие моря соединены с открытым океаном узкими и неглубокими проливами, через которые за время одного прилива просто физически не успевает пройти достаточно большой объём воды, чтобы заметно поднять или опустить уровень всего замкнутого водоёма, - пролив работает как узкое горлышко, ограничивающее обмен. Кроме того, размеры и глубина этих морей далеки от тех значений, при которых их собственный резонансный период совпадал бы с приливным циклом, поэтому даже та вода, что всё же успевает обменяться с океаном, не получает дополнительного резонансного усиления. В результате приливные колебания там существуют физически и фиксируются приборами, но полностью теряются на фоне волнения от ветра и разницы атмосферного давления, которые в замкнутом море сдвигают уровень воды куда заметнее, чем притяжение Луны. У Каспийского моря картина ещё проще: оно вообще не связано с Мировым океаном ни одним проливом, и то небольшое колебание уровня воды, которое там иногда фиксируют, вызвано исключительно ветром и перепадами атмосферного давления, а не притяжением Луны или Солнца, - настоящих астрономических приливов там нет в принципе, поскольку нет общей с океаном водной массы, которую Луна могла бы тянуть.

Почему высота прилива меняется в течение года, а не только в течение месяца

Помимо смены сизигийных и квадратурных приливов, есть и более медленный ритм, связанный с тем, что орбиты Луны и Земли не идеально круглые, а слегка вытянутые. Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите и раз в месяц проходит точку наибольшего сближения с планетой, а раз в месяц - точку наибольшего удаления; чем ближе Луна, тем сильнее её приливная сила, поэтому если момент наибольшего сближения совпадает с новолунием или полнолунием, получается особенно мощный, заметно более высокий прилив, чем обычный сизигийный. Похожая, но более растянутая во времени закономерность есть и у самой Земли: расстояние от Земли до Солнца тоже меняется в течение года, и в период, когда планета ближе всего к Солнцу, солнечный вклад в приливные силы становится немного весомее, чем в противоположной точке годового пути. Оба эффекта складываются друг с другом непредсказуемо на первый взгляд, но полностью рассчитываются заранее, поэтому службы, отвечающие за судоходство и портовое хозяйство, публикуют подробные таблицы приливов на годы вперёд с точностью до минут и сантиметров.

Приливы поднимают не только воду, но и сушу

Гравитация Луны и Солнца действует не только на жидкую воду, но и на твёрдое тело самой планеты, просто отклик у горной породы намного слабее и незаметнее для глаза, чем у подвижного океана. Поверхность континентов из-за приливных сил еле уловимо приподнимается и опускается дважды в сутки, и суммарный размах этого движения оценивается величиной порядка нескольких десятков сантиметров - для человека на земле это совершенно неощутимо, но для точных научных приборов, например для сверхчувствительных детекторов на ускорителях частиц или для геодезических измерений со спутников, такое колебание уже заметно и его обязательно учитывают в расчётах, иначе результат окажется смазанным. Есть приливной отклик и у атмосферы: воздушная оболочка планеты тоже слегка “дышит” под действием притяжения Луны и Солнца, хотя этот атмосферный прилив куда сильнее перекрыт обычными погодными колебаниями давления и без специальных приборов совершенно неразличим.

Как люди используют энергию приливов

Регулярность приливов люди подмечали задолго до того, как разобрались в их природе, и научились ставить это движение воды себе на службу. Ещё столетия назад в приморских районах строили приливные мельницы: во время прилива вода заполняла запруду через открытые ворота, а во время отлива её выпускали обратно узким потоком, который и вращал мельничное колесо, - таким способом жернова получали стабильный ход независимо от ветра, в отличие от обычных ветряных мельниц. Современный аналог этой идеи - приливные электростанции: в устье залива с большим перепадом уровня воды строят плотину с турбинами, и вода, устремляясь через неё во время каждого прилива и каждого отлива, вращает турбины и вырабатывает электричество, причём в отличие от солнечной или ветровой энергии выработка получается предсказуемой на годы вперёд, ведь расписание приливов известно заранее с высокой точностью. Отдельное природное явление, которым тоже пользуются, - приливная волна, поднимающаяся вверх по руслу некоторых рек с воронкообразным устьем: она способна проходить десятки километров против течения, и в отдельных реках мира эта волна становится достаточно высокой и крутой, чтобы по ней можно было буквально кататься на сёрфе.