Приливы и отливы: как Луна и Солнце управляют океанами Земли
Каждый день уровень воды в океанах меняется по строгому расписанию: береговая линия смещается то в сторону суши, то в сторону моря. Это явление настолько привычно, что легко забыть: за ним стоят не погода и не ветры, а движение небесных тел и фундаментальные законы гравитации.
В этом материале разбираемся, что такое приливы и отливы, почему они возникают, как Луна и Солнце формируют их ритм, почему в одних местах они едва заметны, а в других меняют ландшафт, и как человечество пытается использовать эту энергию — на Земле и за ее пределами.
Что такое приливы и отливы
Приливы и отливы — это периодические изменения уровня воды в океанах и морях, вызванные гравитационным воздействием Луны и Солнца, а также вращением Земли. Это результат того, что наша планета постоянно находится под действием космических сил, которые мягко, но неотвратимо перераспределяют воду на ее поверхности.
В большинстве районов Земли приливы следуют полусуточному ритму: за одни сутки происходит два прилива и два отлива. Этот ритм настолько стабилен, что по приливным таблицам можно с высокой точностью предсказывать уровень воды на годы вперед. Однако форма берегов, глубина моря и конфигурация океанических бассейнов могут сильно менять картину, из-за чего в разных местах приливы выглядят совершенно по-разному.
Амплитуда приливов — разница между уровнем воды во время прилива и отлива — тоже сильно варьируется. В открытом океане она обычно составляет всего пару десятков сантиметров. В узких заливах и эстуариях вода может подниматься на несколько метров. В редких местах, вроде залива Фанди в Канаде, разница между отливом и приливом превышает 15 метров.
Все эти различия — внешние проявления одного и того же процесса. Чтобы понять, почему приливы вообще существуют и почему они подчиняются такому строгому ритму, нужно выйти за пределы Земли и посмотреть на нее как на часть динамичной космической системы.
Виды приливов и отливов
Хотя сам механизм приливов универсален для всей планеты, выглядят они в разных местах по-разному. В зависимости от географии, формы океанических бассейнов и широты, на Земле выделяют несколько основных типов приливного режима.
Полусуточные приливыСамый распространенный тип. В течение одних суток в таком режиме происходят два прилива и два отлива, примерно одинаковые по высоте. Именно этот тип характерен для большей части Мирового океана, включая Атлантику и значительную часть Тихого океана. Полусуточные приливы возникают там, где приливные горбы свободно перемещаются вместе с вращением Земли.
Суточные приливыВ этом случае за сутки происходит только один прилив и один отлив. Такой режим встречается реже и только в отдельных районах, например, в некоторых частях Мексиканского залива и Юго-Восточной Азии. Здесь приливные горбы распределяются несимметрично: один из них выражен сильнее, а второй оказывается слишком слабым, чтобы сформировать отдельный прилив. В результате уровень воды заметно поднимается лишь один раз в сутки.
Смешанные приливыПромежуточный и довольно распространенный вариант. За сутки здесь тоже происходят два прилива и два отлива, но они заметно различаются по высоте. Один прилив может быть значительно выше другого, а один отлив — глубже. Такой режим характерен, например, для западного побережья Северной Америки. Смешанные приливы наглядно показывают, что реальная приливная картина редко бывает идеально симметричной.
Помимо суточного ритма, приливы различают и по силе, которая меняется в течение лунного месяца.
Сизигийные приливы (прыжковые)Возникают в периоды новолуния и полнолуния, когда Луна, Земля и Солнце выстраиваются почти в одну линию. В этом случае гравитационное воздействие Луны и Солнца складывается, и приливы становятся особенно высокими, а отливы — особенно глубокими.
Квадратурные приливыНаблюдаются при первой и последней четверти Луны, когда направления гравитационного воздействия Луны и Солнца частично компенсируют друг друга. В такие периоды приливы становятся слабее, а разница между приливом и отливом минимальная.
Почему образуются приливы и отливы
В 1687 году, в работе под названием Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Исаак Ньютон сформулировал законы гравитации и предложил первое гравитационное объяснение приливов. Как Ньютон верно установил, приливы задаются движением небесных тел, и за земные приливы в первую очередь отвечает Луна.
Люди, живущие у побережий, замечали связь между фазами Луны и уровнем воды задолго до Ньютона, но точная природа этой связи оказалась куда сложнее, чем они могли представить.
Гравитационное притяжение ослабевает с расстоянием, поэтому Луна сильнее всего притягивает ту сторону Земли, которая обращена к ней. В этом месте океанская вода приподнимается, формируя так называемый приливной горб.
Однако такой горб формируется не только на стороне планеты, обращенной к Луне, но и на противоположной. Дело в том, что хотя обычно мы представляем Луну вращающейся вокруг Земли, на самом же деле Земля и Луна движутся как единая система, вращаясь вокруг общего центра масс, расположенного примерно в 1700 километрах под поверхностью планеты. Вода в океанах при этом стремится сохранить свое движение и поэтому слегка отстает от твердого тела планеты. В результате океанская вода на стороне, противоположной Луне, смещается и образует второй приливной горб.
В пределах этой орбиты Земля совершает один оборот в сутки, и точки на ее поверхности поочередно входят в зоны этих горбов и выходят из них. В результате в каждом месте наблюдаются два прилива в сутки, когда участок оказывается внутри горбов, и два отлива, когда он находится между ними.
Как Луна влияет на приливы и отливы
Луна — главный фактор, определяющий приливы и отливы на Земле. Именно ее гравитационное притяжение задает ритм подъема и спада уровня океанов, а все остальные влияния только модифицируют эту картину. Без Луны земные приливы были бы значительно слабее и куда менее регулярными.
Гравитация Луны перераспределяет воду Мирового океана, формируя приливные горбы, которые вместе с вращением Земли создают чередование приливов и отливов. Однако в реальности эта схема далека от идеальной: Земля не идеальный шар, океаны имеют разную глубину, а континенты и береговые линии разбивают Мировой океан на отдельные бассейны. Поэтому точное время и высота прилива зависят от местных условий.
Важно учитывать и то, что приливные горбы не совпадают строго с положением Луны. Земля вращается быстрее, чем Луна движется по орбите, поэтому приливы немного опережают ее. Чтобы одна и та же точка на поверхности Земли снова оказалась под Луной, требуется примерно на 50 минут больше, чем обычные сутки.
Из-за этого приливы каждый день происходят немного позже, а момент максимального подъема воды не совпадает строго с тем, когда Луна находится прямо над головой. Поэтому предсказать приливы, просто наблюдая за Луной, нельзя.
Гравитационное взаимодействие между Землей и Луной со временем меняет и саму нашу планету. По мере того как земные океаны догоняют Луну, движение воды создает трение, которое замедляет вращение нашей планеты. И примерно через 50 миллиардов лет этот процесс настолько замедлит Землю, что она окажется приливно запертой по отношению к Луне и всегда будет обращена к ней одной стороной.
Но прежде чем начинать волноваться, можно утешиться мыслью о том, что к тому моменту Солнце уже давно погибнет и унесет и Луну, и Землю с собой — за миллиарды лет до этого.
Это влияние, кстати, работает в обе стороны. Земля, обладая массой в 80 раз большей, чем Луна, тоже деформирует ее. Эти лунные приливы куда менее заметны, чем океанские на Земле, но вполне реальны и измеримы.
Они проявляются, в частности, в виде молодых лопастных уступов — обрывов, возникающих из-за сочетания земного притяжения и постепенного сжатия Луны по мере остывания ее недр. Тысячи таких структур были обнаружены на снимках орбитальных аппаратов.
Даже в экспериментах по лазерной дальнометрии Луны, когда с Земли посылают лазерные импульсы и отражают их от специальных отражателей, установленных астронавтами миссий Apollo, приходится учитывать влияние земных приливов. Под действием гравитации Земли поверхность Луны может подниматься и опускаться на 10–15 сантиметров — достаточно, чтобы это стало заметно в сверхточных измерениях.
Как на приливы и отливы влияет Солнце
Хотя Луна является главным фактором, формирующим приливы и отливы на Земле, она действует не в одиночку. Солнце тоже влияет на земные океаны. Оно значительно дальше, поэтому его приливообразующая сила примерно вдвое слабее лунной, но ею нельзя пренебрегать.
Более того, именно Солнце объясняет, почему сила приливов меняется в зависимости от фаз Луны. Лунные фазы соответствуют различным гравитационным конфигурациям Луны, Солнца и Земли. Когда Солнце и Луна выстраиваются почти в одну линию — во время новолуния и полнолуния — их гравитационное воздействие складывается. В такие периоды возникают сизигийные приливы: самые высокие приливы и самые глубокие отливы.
Когда же Луна находится в первой или последней четверти и направления солнечного и лунного притяжения частично компенсируют друг друга, формируются квадратурные приливы. В этом случае колебания уровня воды становятся заметно слабее, а разница между приливом и отливом уменьшается.
Фазы Луны: сколько их, на что они влияют, календарь на 2025 год
Особенности орбит этих небесных тел вносят еще больше сложностей и разновидностей приливов. Сила всех этих эффектов зависит и от локального рельефа. Плоские замкнутые озера и моря дают самые слабые приливы, тогда как заливы и узкие проливы усиливают их.
Однако даже самые сильные приливы на Земле остаются умеренными по космическим меркам. В других уголках Солнечной системы приливные силы проявляются куда драматичнее. Тысячелетия приливного воздействия Юпитера и Сатурна породили достаточно тепла на их спутниках Энцеладе и Европе, чтобы под их ледяной корой возникли океаны.
Спутник Юпитера Ио испытывает самые сильные приливы и отливы во всей Солнечной системе — но не океанские, а в самой его каменной коре. При сближении с Юпитером Ио слегка растягивается под действием гравитации, а при удалении снова сжимается. Эти постоянные деформации разогревают недра спутника и делают его самым вулканически активным телом среди известных нам миров.
В других планетных системах некоторые планеты обращаются настолько близко к своим звездам, что приливные силы жестко фиксируют их ориентацию в пространстве. Такое приливное запирание приводит к тому, что обращенное к звезде полушарие раскаляется, а противоположное погружается в вечную ночь и холод. В нашей Солнечной системе таких миров нет, однако при достаточном времени приливные силы могли бы запереть и Землю по отношению к Луне.
Как люди используют энергию приливов и отливов
В отличие от ветра или солнечного света, приливная энергия предсказуема: время подъема и спада воды можно рассчитать на годы вперед. Это делает ее привлекательной для энергетики, хотя и накладывает жесткие географические ограничения.
Приливные электростанции
Самый прямой способ использования приливной энергии — приливные электростанции, которые работают по принципу гидроэлектростанций. Во время прилива вода заполняет специальный бассейн, а при отливе проходит обратно через турбины, вырабатывая электричество.
Один из самых известных примеров — приливная электростанция Ла-Ранс во Франции, работающая с 1966 года. Она использует естественные колебания уровня воды в устье реки Ранс и остается одной из крупнейших приливных электростанций в мире. Подобные установки действуют также в Южной Корее, Канаде и Китае, но в целом их число невелико: для строительства нужны большие приливные амплитуды и подходящая форма побережья.
Подводные приливные турбины
Более современный подход — приливные турбины, устанавливаемые на морском дне в районах с сильными приливными течениями. В отличие от плотин, такие системы используют не перепад уровня воды, а ее горизонтальное движение, как подводный ветер.
Пилотные проекты приливных турбин работают, например, у побережья Шотландии и в проливах Канады. Их преимущество — меньший визуальный и экологический эффект по сравнению с плотинами. Недостаток — высокая стоимость установки и обслуживания в агрессивной морской среде.
Историческое использование
Задолго до появления электричества люди уже использовали энергию приливов. В Средние века в Европе существовали приливные мельницы, которые работали за счет заполнения и опорожнения прибрежных водоемов. Такие сооружения можно найти в исторических записях Франции, Англии и Испании. По сути, это были предшественники современных приливных электростанций.
Тем не менее приливная энергетика остается нишевой. Подходящих мест на планете немного, строительство дорогое, а вмешательство в прибрежные экосистемы требует осторожности. Кроме того, приливные электростанции вырабатывают энергию не постоянно, а по расписанию, зависящему от приливного цикла.
Частые вопросы
Какое название носят приливы, которые наблюдаются в дни новолуния и полнолуния?
Такие приливы называют сизигийными. Они возникают, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются почти на одной линии — в новолуние и полнолуние. В этот момент их гравитационное воздействие складывается, из-за чего приливы становятся выше обычного, а отливы — глубже. [1]
Как называются самые слабые приливы?
Самые слабые приливы называются квадратурными. Они происходят в периоды первой и последней четверти Луны, когда Солнце и Луна располагаются под углом около 90° друг к другу и частично «компенсируют» приливное воздействие. [2]
Какой залив известен своими гигантскими приливами?
Мировым рекордсменом считается залив Фанди в Канаде. Амплитуда приливов здесь достигает 15–16 метров. Такой эффект связан с формой залива и его длиной: приливная волна входит в резонанс и многократно усиливается. [3]
Почему приливы есть не только в океанах, но и в земной коре?
Гравитация Луны и Солнца действует не только на воду, но и на твердую Землю. В результате возникают твердые приливы — поверхность планеты поднимается и опускается на пару десятков сантиметров. Эти деформации учитываются, например, в точных спутниковых и геодезических измерениях. [4], [5]
Бывают ли приливы на других планетах?
Да. Приливы возникают везде, где есть массивное тело и тело поменьше, вращающееся в его гравитационном поле. Например, у спутника Юпитера Ио «приливы и отливы» происходят прямо в его коре: когда он приближается к планете, поверхность слегка растягивается, а когда удаляется — сжимается обратно. [6], [7]
Может ли Солнце вызывать приливы сильнее лунных?
Солнце гораздо больше Луны, но находится намного дальше от Земли. В итоге его приливное влияние примерно в два раза слабее лунного. Однако в моменты сизигий, когда воздействия Луны и Солнца складываются, именно Солнце заметно усиливает приливы. [8]
Главное о приливах и отливах
Приливы и отливы — это регулярные колебания уровня воды в океанах и морях.
Основная причина приливов и отливов — гравитационное взаимодействие Земли с Луной, а также вращение нашей планеты.
Луна формирует две области повышенного уровня воды на Земле, из-за чего в большинстве регионов происходит два прилива и два отлива в сутки.
Солнце тоже влияет на приливы, усиливая или ослабляя их в зависимости от взаимного расположения Земли, Луны и Солнца.
Самые сильные приливы возникают во время новолуния и полнолуния (сизигийные приливы), а самые слабые — при первой и последней четверти Луны (квадратурные приливы).
Реальная высота и время приливов зависят от географии побережья, глубины океана и формы заливов и проливов.
Приливные силы со временем замедляют вращение Земли и приводят к постепенному удалению Луны.
Приливы существуют не только на Земле: на других телах Солнечной системы приливные эффекты могут разогревать недра и вызывать вулканизм, как на спутнике Юпитера Ио.
Энергию приливов и отливов люди используют как возобновляемый и предсказуемый источник энергии, хотя такие технологии применяются лишь в отдельных регионах.
Читайте также:
Что такое суперлуние, как оно выглядит и когда будет в 2026 году
Кротовые норы: существуют ли они в космосе и чем отличаются от черных дыр
Эклиптика: что это простыми словами, какие созвездия пересекает и как влияет на планеты
Фото на обложке Михаила Тихонова
