Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Что вызывает приливы и отливы? Почему в некоторых местах бывает два прилива в день, а в других один?

ОТВЕТ •Основная причина приливов и отливов — гравитационное притяжение океанских вод к Луне, хотя эта сила и не настолько велика, чтобы приподнять воду. Поскольку сила притяжения меняется вдоль поверхности Земли (притяжение сильнее на стороне, обращенной к Луне, и слабее на противоположной стороне), она меняет форму свободной поверхности водных массивов, вытягивая ее в направлении линии, соединяющей Землю и Луну. Из-за этого распределение воды меняется и океан как бы вспучивается в двух местах: одно «вздутие» на стороне, обращенной к Луне, а другое — на противоположной. Если бы Земля не вращалась, на участках берега вблизи обоих «вздутий» высокая вода ( высшая точка прилива ) держалась бы круглосуточно. Однако Земля вращается, а это означает, что примерно раз в сутки каждый участок берега проходит мимо одного из вздутий. Этим и объясняется существование двух приливов в день.

Однако не все так просто. Поскольку движение воды зависит еще и от внутреннего трения и трения воды о берег, вздутия расположены не строго на линии, соединяющей Землю и Луну. Из-за трения реакция воды на обязанное Луне растяжение запаздывает. А это означает, что в портовых городах высшая точка прилива может сдвигаться на час, а то и больше, относительно времени, когда Луна будет в зените. Например, в Ла-Манше, где беспрепятственное движение воды сильно затруднено, высшая точка прилива запаздывает на много часов.

Еще одна сложность связана с тем, что притяжение Солнца тоже стремится изменить распределение воды. Однако оказывается, что влияние Солнца примерно вдвое меньше влияния Луны. Хотя Солнце гораздо больше Луны, оно еще и гораздо дальше от Земли. Во время новолуния и полнолуния Солнце, Луна и Земля выстраиваются вдоль одной прямой, и приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления, поэтому приливы максимальны. Их называют сигизийными приливами . Наоборот, квадратурный прилив — это минимальный прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под углом 90° друг к другу. Есть и другие эффекты, влияющие на приливы и отливы. Поэтому в некоторых местах приливы бывают только один раз в день.

Впечатляют приливы в заливе Фанди (Канада). Они происходят каждые несколько часов, причем разница уровней воды при приливах и отливах достигает 18 м. Почему же здесь амплитуда прилива столь велика и почему она не достигает таких значений в других местах?

ОТВЕТ •Воду в ванне можно заставить колебаться (плескаться), если периодически надавливать на нее (накачивать ее) лопаткой. Осцилляции будут самыми сильными, если рассчитать время так, чтобы надавливание происходило каждый раз, когда на одном из концов ванны уровень воды самый высокий. В этом случае говорят о резонансной накачке, а также о том, что выбранный вами временной интервал совпадает с периодом собственных колебаний воды в ванне.

Воду в заливе тоже можно заставить колебаться с большой амплитудой, если имеет место резонансная накачка. Например, в заливах вода обычно плещется под действием приливных сил Луны. Однако, поскольку цикличность приливов не совпадает с периодом собственных колебаний воды в заливе, чаще всего вода лишь слегка колеблется. В заливе Фанди дело обстоит иначе: там период собственных колебаний воды порядка 13,3 ч, что достаточно близко к 12,4 ч — времени между приливами (это время составляет половину лунных суток). Поэтому в заливе Фанди колебания уровня воды значительны.

Согласно многолетним наблюдениям, период собственных колебаний воды в заливе постепенно сдвигается в сторону периода приливных колебаний, поэтому амплитуда прилива в заливе Фанди понемногу растет. Этот сдвиг может быть связан с изменением формы поверхности воды в заливе из-за изменения уровня воды в море.

В августе 1893 года у северных берегов Сибири «Фрам», корабль полярной экспедиции под руководством Фритьофа Нансена, попал в зону так называемой мертвой воды . Скорость судна, обычно достигавшая 6–7 узлов, в мертвой воде не превышала 1,5 узла, хотя и вода была спокойной, и погода тихой. Более того, корабль был почти неуправляем. Видимых отличий воды в этой зоне от остальной воды в океане не было. Что же привело к падению скорости и почему корабль не слушался руля?

ОТВЕТ •Зоны мертвой воды появляются там, где при впадении реки в океан слой относительно пресной воды, не перемешиваясь, растекается по соленой воде. Существенную роль в этом играет наличие двух поверхностей раздела между разными средами: это поверхность раздела воздух — пресная вода и поверхность раздела пресная вода — морская вода. В обычных условиях б о льшая часть энергии корабельного двигателя тратится на создание поверхностных волн на границе раздела воздух — океанская вода. Можно сказать, что потери энергии при создании волн — одна из форм аэродинамического сопротивления, препятствующего движению корабля. В мертвой воде корабль создает две системы волн на обеих поверхностях, а это означает, что аэродинамическое сопротивление существенно увеличивается. Чем быстрее корабль пытается двигаться, тем быстрее его энергия передается так называемым внутренним волнам на поверхности раздела пресная вода — соленая вода.

Нос корабля располагается выше первого гребня внутренней волны. Вода непосредственно под этим гребнем движется в направлении, противоположном направлению движения корабля, и тормозит его. Форма корпуса «Фрама» оказалась такой, что руль также располагался над гребнем волны и поэтому никак не мог помочь капитану управлять кораблем.

Торнадо случаются во многих местах по всему миру, но в центральной части Соединенных Штатов есть аллея торнадо — большое пространство, где торнадо может возникнуть практически в любой момент. Человек испытывает перед торнадо благоговейный трепет и страх. Каждый, кто видел и пытался спрятаться от торнадо, знает: этот смерч одновременно и прекрасен, и ужасен. Почему же возникают торнадо и почему на аллее торнадо они происходят так часто? Как торнадо разрушает дома: стены вываливаются наружу или падают внутрь? Иногда в популярных книжках рассказывается, что воздушные потоки при торнадо, бывает, впечатывают солому в деревянную стойку бара. Такое и впрямь возможно?

ОТВЕТ •Торнадо — мощный атмосферный вихрь, образующийся при сильной грозе, если теплый, насыщенный паром воздух движется ниже сухого и холодного воздуха и эти два воздушных массива двигаются в противоположных направлениях. Когда теплый воздух, поднимаясь вверх, проходит через холодный воздух, водяной пар конденсируется и образуются водяные капли. Этот процесс сопровождается существенным выделением тепла, благодаря чему нагретый воздух устремляется вверх с еще большей скоростью. Сложное движение воздуха (движение воздушных масс в противоположных направлениях и ускорение поднимающегося вверх теплого воздуха) приводит к так называемому сдвигу ветра , когда скорость соседних воздушных потоков сильно разнится и по величине, и по направлению. По не слишком понятным до сих пор причинам в таких условиях могут образовываться воздушные вихри, а затем и торнадо. Хотя этот процесс можно моделировать на мощных компьютерах, простой ответ, указывающий на причину возникновения торнадо, получить не удается. Неясно и почему торнадо обладают таким большим запасом энергии.