Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Тот факт, что каждый день Луна восходит на 53 минуты позже, а приливы задерживаются на то же время, ещё раз подтверждает связь между ними.

Но почему приливы на Средиземном море практически незаметны? Ответ заключается в географии, а ещё — в морской глубине. По мере вращения Земли два приливных горба смещаются на запад, то есть движутся к Средиземному морю со стороны Индийского океана. Здесь на их пути появляется преграда в виде Ближнего Востока, и океанский горб не попадает в море.

А что происходит в те дни, когда Луна находится прямо над Средиземным морем? В этом случае приливный горб действительно возникнет, но будет небольшим. Причина в том, что разница между силой притяжения Луны на поверхности воды и на дне зависит от глубины. Если водоём мелкий, то и разность невелика, а значит, приливный горб будет низким, и наоборот. Средиземное море не отличается глубиной — в среднем она составляет 1,5 километра против 3,3 километра в Атлантическом океане. Соответственно, приливы на Средиземном море будут более чем в два раза слабее океанских, даже если Луна будет находиться прямо над ним.

В учебниках и научно-популярных книгах два приливных горба в океане описываются как нечто огромное, но на самом деле они до смешного малы. Луна поднимает морскую воду максимум на метр, то есть всего на одну миллионную долю радиуса Земли. Но океан велик, и метровый горб, растянутый на большой территории, содержит огромную массу воды. Поэтому, когда такая вода достигает берега, высота волн увеличивается (как в случае с цунами). В открытом море прибой незаметен, а при приближении к суше может вырасти более чем в десять раз.

Как выяснил Пифей, приливы вызывает не исключительно притяжение Луны, а совместное воздействие Луны и Солнца. Причина понятна — эти два небесных тела оказывают на Землю наибольшее воздействие. Луна весит куда меньше Солнца, но находится существенно ближе к Земле и выигрывает за счёт расстояния. Приливы, вызываемые Луной, в два раза больше вызываемых Солнцем. Из этого мы можем заключить, что Луна в два раза плотнее Солнца. [59] Выяснив, что приливы, вызываемые Луной, примерно в два раза выше, чем вызываемые Солнцем, Ньютон заключил, что средняя плотность Луны примерно в два раза превышает солнечную. Он размышлял так: приливная сила, исходящая от тела, зависит от его массы. Кроме того, приливные силы связаны с разницей в гравитации, а потому изменяются в соответствии не с законом обратных квадратов, а с законом обратных кубов. Соответственно, приливная сила, исходящая от массы m на расстоянии r , равна ~ m / r 3 . Но m ~ ρ d 3 , где ρ — это средняя плотность, а d — диаметр. Он, в свою очередь, определяется как r θ, где θ — это угол, стягиваемый телом в небе. Если собрать всё это воедино, получается, что приливная сила ~ρθ 3 . Но по какому-то космическому совпадению угловой размер Солнца и Луны практически одинаков (вот почему Луна может полностью закрыть Солнце во время полного затмения). Соответственно, приливная сила, исходящая от Луны и Солнца, пропорциональна их плотности . Это неожиданный результат. Поскольку Луна вызывает в два раза более сильные приливы, чем Солнце, её плотность также должна быть в два раза больше.

Самые большие приливы возникают, когда силы гравитации Луны и Солнца увеличивают друг друга. Это происходит весной и осенью. Суть в том, что Земля вращается вокруг своей оси, подобно юле, отклоняясь от вертикали на 23,5 градуса. Следовательно, и орбита Луны тоже наклонена. [60] Плоскость лунной орбиты наклонена к экватору Земли, а наклон к экваториальной плоскости составляет от 18,28 до 28,58 градуса. С точки зрения геометрии это означает, что Луна и Солнце находятся на одной линии и совместно воздействуют на земные океаны с максимальной силой лишь в те моменты, когда Земля находится на своей орбите между зимой и летом, то есть осенью и весной.

Для такого построения Солнце и Луна должны оказаться на одной стороне от Земли (тогда наступает новолуние, потому что Луну закрывает тень) или на противоположных сторонах (тогда Солнце освещает Луну полностью и наступает полнолуние). Вот почему самые сильные приливы и высокие боры на Северне наблюдаются осенью и весной, когда в небе либо сияет полная Луна, либо Луны нет вовсе. [61] Если быть точным, самые высокие боры возникают в течение от одного до трёх дней после новолуния и полнолуния.

Луна и Солнце вызывают приливный эффект не только в океанах, но и на всей планете. Но каменные породы куда более твёрдые, чем вода, поэтому сила притяжения воздействует на них меньше, а увидеть её влияние очень сложно. Примечательно, что такие приливы на Земле были впервые замечены (пускай и не поняты) ещё в античные времена.

Приливы — довольно странное явление. Они происходят дважды за 25 часов, а не за 24, они изменяются в зависимости от времени года и фаз Луны. Кроме того, они зависят от ландшафта. Но есть и ещё одна характеристика приливов, впервые отмеченная греческим философом Посидонием, которая кажется более удивительной, чем все остальные.

Посидоний жил между 135 и 51 годами до нашей эры и наблюдал за приливами в Атлантическом океане на побережье Испании. Кроме того, он обращал внимание и на воду в колодцах и заметил кое-что необычное. Когда вода в океане поднимается, родниковая вода уходит ниже под землю, и наоборот. Оригиналы записей Посидония утрачены, но греческий географ Страбон, живший в начале нашей эры, упоминает о них в своей «Географии»: «В [храме] Геракла в Гадесе [Кадисе] есть источник, к которому можно спуститься по нескольким ступеням (вода в нём хороша для питья). Этот источник действует противоположно движению моря: во время прилива его воды опадают, а во время отлива он вновь наполняется».

Что может заставить воду в небольшом роднике или ручье двигаться в ином направлении, чем в морях и океанах? В то время на этот вопрос невозможно было ответить, потому что причина приливов оставалась загадкой. Ответ нашёлся лишь в 1940 году благодаря американскому геофизику по имени Хаим Лейб Пекерис. [62] Pekeris C. L. Note on Tides in Wells // Travaux de l’Association Internationale de Géodésie. — Paris, 1940. — Vol. 16.

Прилив можно определить не просто как движение воды, но как изменение формы одного тела под влиянием притяжения другого. При формировании приливного горба притяжение Луны воздействует не только на поверхность океана, но и на воду под ней, и на дно. Вот только горб на твёрдой поверхности оказывается гораздо меньше, так как каменные породы куда плотнее. Итак, каждые 25 часов где-то на Земле образуется бугор суши, который через некоторое время разглаживается.