Приливы

Явление морских приливов было замечено очень давно. В V веке до нашей эры о нём уже писал древнегреческий историк Геродот. Долгое время причины, вызывающие приливы, оставались непонятными. В древности их объясняли дыханием живущего в море божества Океана, или следствием дыхания планеты. Высказывались и другие фантастические предположения о природе приливов. Между тем уже в весьма отдалённые времена простые жители приморских земель не только знали об особенностях приливов, но и связывали их с положением луны. Древние финикийцы – лучшие мореплаватели античного мира – были убеждены, что три движения моря управляются Луной: одно из них можно наблюдать ежедневно, второе – ежемесячно, третье – ежегодно.

На островах Самоа ещё задолго до прихода туда европейцев жители заранее очень точно высчитывали время приливов, руководствуясь положением и фазами Луны. На коралловых рифах у берегов Самоа в огромном количестве живут морские черви палоло – излюбленное лакомство самоанцев. Дважды в год (в октябре и ноябре) черви покидают риф и всплывают к поверхности моря, где их и ловят. Каждый раз палоло "приходят" среди ночи во время прилива на шестые сутки после полнолуния и потом ещё две ночи подряд. На Самоа не было календаря, не велось летосчисления, но наблюдательные самоанцы к долгожданной ночи запасали сети и корзины и никогда не ошибались в сроках лова.

Из европейских учёных первым обратил внимание на связь приливов с движением Луны философ Р. Декарт (1596 – 1650). Он подметил, что время наступления приливов связано с положением нашего естественного спутника над горизонтом, а амплитуда зависит от фазы луны. Связь между Луной и приливами он установил, а вот правильно объяснить её не смог. Согласно теории Декарта Луна, проходя по небосводу, давит на воздух, окружающий Землю, а воздух, в свою очередь, давит на воду, заставляя её понижаться. Теория приливов Декарта была совершенно непохожа на господствовавшие в то время взгляды Галилея на приливы.

Галилей отказался от идеи Кеплера о гравитационном притяжении, которую он считал вызывающей сожаление уступкой средневековью. (Кеплер в своей "Новой астрономии" (1609г.), содержавшей общие рассуждения о силе тяжести, объяснял приливы как результат гравитационного притяжения, с которым Луна действует на поверхность океана.) Сам Галилей верил, что приливы вызываются влиянием вращения Земли на море и что само существование приливов является доказательством того, что Земля движется, и тем самым косвенным подтверждением коперниковской системы. Теория приливов Галилея была изложена им в 1595г., и окончательный её вариант появился в 1632 г. в "Dealogi sopra i due massimi sismi del mondo, Tolecaico e Coperniciano". Галилей предположил, что в каждой точке земной поверхности происходят постоянные изменения в скорости, зависящие от того, совпадают ли направления орбитального и осевого вращения Земли. Под орбитальным здесь понималось движение Земли вокруг Солнца в течение года, а под осевым – вращение каждые 24 часа вокруг своей оси. Изменения скорости каждой отдельной точки Земли вызывают возмущения в морском дне, которые, передаваясь воде, вызывали приливы. Галилей пытался объяснить наблюдаемые времена и высоты приливов, также как и их изменения от места к месту, как результат ограничений, наложенных на первоначальную силу, вызываемую движениями Земли вокруг Солнца и своей оси, конфигурацией морского дна.

Эти три подхода к объяснению происхождения морских приливов – галилеев, декартов и ранние версии гравитационной теории (наиболее полно изложенные у Кеплера) были основным содержанием "теории" морских приливов в середине ХVII века. Ни одна из них ни тогда, ни через некоторое время не смогла занять место другой, и все три имели своих почитателей и последователей, также как и критиков. До настоящего объяснения устройства Вселенной, так же как морских приливов, пришлось, однако, подождать до рождения в Англии Исаака Ньютона. Он сумел в своих "Началах" не только сформулировать основные законы механики, но и показать, как на их основе можно объяснить многие загадочные явления, наблюдаемые на нашей планете. В первую очередь это, пожалуй, относится к объяснению приливов в Мировом океане. Теория приливов Ньютона предполагает, что в поле приливообразующей силы поверхность океана приобретает фигуру равновесия. Если считать, что океан покрывает твёрдую оболочку Земли непрерывным слоем одинаковой глубины, то такой поверхностью будет эллипсоид вращения - эллипсоид прилива, большая ось которого всегда направлена на Луну. Поверхность эллипсоида двумя выпуклостями – "горбами" – поднимается выше среднего уровня покоя океана, а между ними широким поясом, охватывающим весь твёрдый шар, - пояс малых вод – лежит ниже среднего уровня. Эллипсоид, следуя за луной, делает один оборот в течение месяца, а твёрдое тело внутри эллипсоида делает один оборот в сутки, что и создаёт в каждой точке тела периодические колебания уровня приливного типа. В течение суток Луна продвигается в ту же сторону, что и Земля (при её вращении) по своему пути на расстояние, соответствующее 50 минутам (Луна обращается вокруг Земли за 271/3 дня). Поэтому от момента одной полной воды до другой должно проходить не 12 часов, а 12 ч 25 мин.

Так как Луна имеет склонение, периодически изменяющееся в пределах от 23,5° S до 23,5° N, то большая ось эллипсоида переменно наклонена к плоскости экватора. Это и создаёт суточное неравенство прилива в амплитудах и временах. Иногда это приводит к полному изменению картины прилива. На параллели будет уже наблюдаться только одна полная вода в сутки. Прилив из полусуточного (две полные и две малые воды в сутки) становится суточным. Ньютон смог дать вполне законченное объяснение такой трансформации приливов, и это было его первой теорией так называемых неравенств прилива.

Ньютон не упустил из вида, что Солнце, с точки зрения механизма возникновения приливообразующих сил, также должно приводить к аналогичным эффектам, что и действие Луны. В некотором смысле его действие должно быть даже проще. Ведь вращение земли составляет 24 часа ( а не 24ч 50 мин как у Луны), так что солнечный прилив будет иметь период равный точно 12 ч. Правда, он может уступать по мощности лунному и несмотря на то, что масса Солнца больше массы Луны, так что притягивать водные частицы оно должно сильнее. Это было бы так, если бы не огромная разница в расстояниях от Земли до Луны и до Солнца. Расчёт солнечного эллипсоида, сделанный Ньютоном, показал, что величины солнечного прилива в 2,17 раз меньше лунного. Имея теперь два равноправных эллипсоида: солнечный и лунный, Ньютон смог дать вполне наглядное объяснение сизигийным и квадратурным приливам. Когда оба эллипсоида складываются, т.е. когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют в одном направлении (а это бывает в сизигии – при полнолунии или новолунии), то высокая вода максимальна. В квадратуре, наоборот, она минимальна (солнечный эллипсоид "вычитается" из лунного).

Ньютону удалось также заметить, что такие важные астрономические эффекты как изменение расстояния Луны от Земли в течение месяца и расстояния от Земли до Солнца в течение года приведут, естественно, к соответствующему изменению величин приливообразующих сил и к особым долгопериодным аномалиям в ходе приливов. Последние носят названия параллактических неравенств, наличие которых было также объяснено Ньютоном.

Ньютон обнаружил, что в рамках его теории путём учёта изменений в склонениях Луны и Солнца можно объяснить и такой казалось бы малозначительный факт, подмеченный уже к тому времени наблюдателями, что в разных местах вечерний прилив выше, чем утренний в одно время года, и ниже в другое. Поскольку между весенним и осенним равноденствием Солнце имеет северное склонение (лунная орбита почти не меняет своего склонения относительно солнца), то линия из центра Земли к Луне всегда будет на солнечной стороне, т.е. в северных широтах. Эта линия – ось приливного эллипсоида, так что летом дневной прилив выше ночного, а зимой когда склонение Солнца южное – наоборот.

Приходится лишь удивляться, как Ньютон смог в то время объяснить практически все основные особенности приливов. Видимо, хорошее знание астрономии позволило ему сразу уловить причины аномалий приливов, связанные с изменением во времени взаимного расположения Земли, Солнца и Луны.

Теория морских приливов, созданная Ньютоном и известная в настоящее время под названием статическая (потому что предполагалось существование равновесного эллипсоида в каждый момент времени), открыла всем глаза на природу приливов и их особенности. Это было блестящим достижением. Но вот один факт из приливных наблюдений не мог не смущать Ньютона и послужил зародышем дальнейшего развития теории приливов. Факт этот заключался в том, что наблюдаемые приливы могли сильно запаздывать или наоборот опережать статические приливы.

Чтобы объяснить несоответствия, отмеченные в статической теории, динамическая теория прилива рассматривает явление не в статике, а в движении, как волну. Эта теория была выдвинута П. Лапласом (1749 – 1827), развивалась Дж. Эри, Дж. Дарвином, А. Дудсоном и продолжает совершенствоваться.

В 1773 – 1775 гг. в своей знаменитой работе "Небесная механика" Лаплас впервые сформулировал динамические уравнения движения жидкости под действием приливообразующих (периодических) сил. Основное отличие динамической теории от статической заключалось в том, что не требовалась мгновенная реакция жидкости на действие приливообразующих сил Ньютона. Естественно, что как частный случай из динамической теории должна была получаться статическая. Лапласу в своей теории удалось показать то, что ускользнуло от Ньютона, а именно, решающую роль в характере приливов глубины водоёмов, так как период свободных колебаний приливных волн зависит от неё. Лаплас сделал первые попытки применения теории к данным наблюдений над приливами