Припливи та відливи

Жителі багатьох населених пунктів на узбережжях морів і океанів щодня спостерігають дуже цікаве явище природи - періодичні підвищення й зниження води біля берегів: вода то наступає на берег, заливаючи іноді більші простори, то відступає, оголюючи дно.

Періодичні коливання води в океанах і морях називаються припливами й відливами. Помітніше всього припливи й відливи біля берегів океанів або відкритих морів. Протягом доби, точніше 24 год 50 хв, рівень води біля берегів двічі підвищується й двічі знижується.

Підвищення рівня води відбувається поступово, і спочатку повільно, а потім усе швидше й швидше. Воно триває в середньому близько 6 год 12,5 хв, після чого починається зниження. Зниження рівня води триває в середньому також 6 год 12,5 хв. Один із двох припливів протягом доби в даній місцевості наступає незабаром після того, як Місяць досягає найвищого положення на небі - верхньої кульмінації. Ґрунтуючись на цьому й на збігу подвоєного періоду припливів (24 год 50 хв) з періодом видимого обертання Місяця навколо Землі, ще в древні часи люди зв'язували припливи й відливи з Місяцем. І дійсно, основна причина припливів, як уперше вказав Ньютон, - це притягання Землі Місяцем, точніше кажучи, різниця між притяганням Місяцем всієї Землі в цілому, з одного боку, і водної оболонки її - з іншої.

Загалом теорія Ньютона пояснює припливи й відливи так. Притягання Землі Місяцем складається із притягання Місяцем окремих часток Землі. Частини, які перебувають у цей момент ближче до Місяця, притягаються нею сильніше, а більш далекі - слабкіше. Якби Земля була абсолютно твердою, то це розходження в силі притягання не грало б ніякої ролі. Але Земля не абсолютно тверде тіло. Крім того, океани й моря займають 71% її поверхні. Тому різне притягання частин, що перебувають поблизу поверхні Землі й поблизу її центра (цю різницю називають приливотворною силою), зміщає частки одна відносно іншої, і Земля, насамперед її водна оболонка, деформується.

Частини води, найбільш близькі до Місяця в цей момент (на верхньому малюнку поблизу точки А), притягаються Місяцем сильніше, а частини, найбільш далекі від неї (поблизу точки В), - слабкіше, ніж частини, що перебувають у центрі Землі. Тому частини води поблизу точки А зміщаються в напрямку до Місяця більше, а частини поблизу точки В -менше, ніж частки в центрі Землі, і водна оболонка нашої планети витягається в напрямку Місяця.

Таким чином, на стороні Землі, оберненій до Місяця, і на протилежній її стороні (поблизу точок А і В) вода піднімається й утворяться приливні виступи. Поблизу ж точок С і D рівень води знижується - тут наступає відлив. 

 Схема припливу

 Приливні виступи поблизу А і В прагнуть зберегти стосовно Місяця те саме положення. І якби Земля не оберталася, а Місяць був нерухомий відносно Землі, то Земля разом зі своєю водною оболонкою завжди зберігала б ту саму форму, витягнуту в напрямку до Місяця, і ніяких припливів і відливів не було б. Однак Земля обертається, і земному спостерігачеві представляється, що Місяць за добу робить повний оберт навколо Землі. Тому приливні виступи випливають за Місяцем і переміщаються по поверхні океанів і морів. Утворяться дві приливні хвилі в протилежних точках земної кулі. Приливна хвиля рухається в океанах і морях із заходу на схід назустріч напрямку обертання Землі зі швидкістю близько 1800 км/год. Над кожним пунктом в океані приливна хвиля проходить двічі в добу. 

Для спостерігача в точці А Місяць кульмінує. Гребені приливної хвилі перебувають у цей час на лінії АВ  

У відкритому океані рівень води при проходженні приливної хвилі піднімається незначно, у середньому на кілька десятків сантиметрів, і, природно, це залишається непомітним, наприклад, для пливучих на кораблі людей. Але в берегів навіть такий підйом рівня води помітний. Крім того, у берегів, особливо у вузьких затоках або бухтах, рівень води піднімається набагато вище, ніж у відкритому океані, тому що беріг материка перешкоджає руху приливної хвилі й вода тут накопичується протягом усього часу між відливом і припливом. Тому біля берегів припливи (точніше кажучи, різниця між рівнями води при припливі й відливі) досягають у середньому 4-5 м. Найбільший приплив - близько 18 м - спостерігається в одній з бухт на узбережжя Канади. У колишньому СРСР найбільші припливи - близько 13 м - у Гіжигінській і Пенжинській губах Охотського моря.

Морські припливи й відливи викликаються притяганням Місяця й Сонця. Під час припливу море затопляє берег, а під час відливу відступає й знову оголює його  

У внутрішніх морях, наприклад у Балтійськом і Чорному, припливи й відливи майже непомітні. Справа в тому, що в такі моря за час від відливу до припливу не встигають проникнути скільки-небудь значні маси води, що переміщаються з океанською приливною хвилею. Правда, у кожному закритому морі або навіть озері виникають самостійні приливні хвилі. Але чим менше море або озеро, тим менше води переміщається в ньому від одного берега до іншого й тим менші припливи й відливи. Наприклад, у Середземному морі припливи досягають 1-2 м, а в Чорному - 10 см.

Така загалом картина припливів і відливів. При більш детальному їхньому вивченні спостерігаються дуже цікаві й складні явища. Момент повної води в даній місцевості не збігається з кульмінацією Місяця, а завжди запізнюється. Тертя води об дно океанів і внутрішнє тертя води трохи затримують рух приливної хвилі, вона не встигає за Місяцем і досягає даного пункту в океані лише через деякий проміжок часу після кульмінації Місяця. Тому пряма лінія, проведена через приливні виступи на протилежних сторонах земної кулі, проходить на схід напрямку із центра Землі на Місяць. Величина запізнення припливів у даній місцевості в порівнянні з моментом кульмінації Місяця називається прикладною годиною. У різних місцевостях своя прикладна година. Він залежить від особливостей рельєфу дна й берегів. Наприклад, в Остенді (Бельгія) прикладна година дорівнює в середньому 25 хв, у Гібралтарі - 1 год 47 хв, у Бресті (Франція) - 3 год 46 хв, у деяких затоках Білого моря - 5 год. і т. д.

В одній і тій же місцевості висота припливів щодня міняється, тому що відстань від Місяця до Землі й висота Місяця над обрієм у даній місцевості в момент кульмінації увесь час змінюються. Тому не стала й величина припливоутворюючої сили. Формула припливоутворюючої сили, що діє на одиницю маси на поверхні Землі в момент кульмінації Місяця:  

де f - стала тяжіння, М - маса Місяця, R - радіус Землі, r - відстань від Місяця до Землі, h - висота Місяця над обрієм у момент кульмінації.

Протягом місяця відстань від Місяця до Землі змінюється приблизно від r=356 тис. км до r=406 тис. км, а приливоутворююча сила змінюється приблизно в 1,4 рази. Висота Місяця над обрієм у момент кульмінації змінюється за місяць у середньому на 47°, причому амплітуда змін коливається з періодом близько 19 років від 37 до 57°; це приводить до місячних коливань висоти припливів і відливів і до коливань із періодом близько 19 років. 

Помітна приливна діє  на Землю й Сонце. Хоча Сонце перебуває від Землі значно далі, ніж Місяць (у середньому в 389 разів), але його маса більше маси Місяця в 27 млн. разів, тому й вплив Сонця на створення припливів і відливів також великий.

Під час молодика й повні приливні сили Сонця й Місяця діють спільно й виходять дуже високі, або сизигійні, припливи, а під час першої й третьої чвертей Місяця приливні сили двох тіл діють у протилежних напрямках і виходять низькі, або квадратурні, припливи. Сизигійні припливи приблизно в 2,7 рази вище квадратурних.

Крім зазначених основних причин коливань висоти припливів і відливів існують і більш дрібні. Вони зв'язані головним чином з особливостями руху Місяця навколо Землі й Землі навколо Сонця. Теоретично приливну дію роблять також і планети, але воно занадто мале, щоб його можна було виявити.

Під дією приливоутворюючих сил деформується не тільки водна оболонка, але й все тверде тіло Землі. Спостерігаючи приливні хвилі на твердій поверхні Землі, учені зробили висновок про пружність речовини Землі, що нагадує властивості сталевої кулі. Приливоутворрючі сили деформують повітряну оболонку Землі. Це викликає періодичні коливання атмосферного тиску й зміни властивостей різних шарів атмосфери.

Припливи й відливи переміщають більші маси води, і люди давно стали замислюватися над тим, як змусити ці маси води обертати колеса турбін, що виробляють електроенергію. В останні роки питання це уже практично майже вирішене, і в найближчому майбутньому людина стане широко використовувати енергію припливів і відливів.

Принцип роботи приливної електростанції (ПЕС) простий. У затоці, де спостерігаються більш-менш значні припливи й відливи, будується гребля, що відокремлює частину затоки від океану. Під час припливу або відливу утвориться різниця рівнів води між океаном і відділеною частиною затоки. Вода по каналу спрямовується крізь греблю зверху долілиць і надає руху встановленій там турбіні. На ПЕС використовуються реверсивні турбіни. Вони обертаються то в одну (під час припливу), то в іншу (під час відливу) сторону. 

В 1968 р. у СРСР вступила в дію дослідна ПЕС у Кислій губі біля Мурманська потужністю 800 кВт  

Приливні електростанції проектуються в багатьох країнах світу. В 1967 р. у Франції пущена в експлуатацію ПЕС в усті ріки Ранс. Її розрахункова потужність 240000 кВт. В 1968 р. у СРСР у Кислій губі біля Мурманська вступила в дію дослідна ПЕС потужністю 800 кВт.