Проявление приливных сил в небесных телах, имеющих жидкую оболочку

Жидкости, покрывающие поверхность ряда планет, в том числе и вода, обладающие вязкостью , сопротивляются деформациям, что убедительно доказал Джоуль своим опытом по определению механического эквивалента тепловой энергии. Но практически в жидкой оболочке Земли, как и вообще в любой жидкости, деформации сдвига не приводят к проявлению сколько-нибудь заметного глобального эффекта, что подтверждается тем, что в жидкостях не могут существовать поперечные волны , а распространяющиеся в них звуковые волны носят продольный характер.

Не следует понимать взаимодействие Мирового океана с земной поверхностью упрощённо, то есть как вращение Земного шара внутри ориентированной постоянно на внешний объект тяготения капли Мирового океана. На самом деле вся масса воды вращается вместе с Землёй, которая отнюдь не «проворачивается» внутри этой капли. И каждая частица воды в пренебрежении течениями остаётся на одном и том же месте. Относительно Земли движется именно волна, и современная теория приливов основана именно на теории колебаний . Динамическая теория рассматривает Мировой океан как колебательную систему с периодом собственных колебаний около 30 часов, на которую действует возмущающая сила с периодом, равным половине суток. Этим, в частности, объясняется тот факт, что максимум прилива ещё не наступает при высоком стоянии Луны .

Дальнейшим развитием теории приливов стала «каналовая теория приливов», созданная Эйри с учётом влияния берегов и глубины вод.

Возникающее при относительном движении морского дна трение и удар берегов мирового океана о выступ водяной массы являются дополнительной причиной замедления скорости вращения Земли. Таким образом, приливные силы, тормозя вращение Земли, скорее препятствуют возникновению приливно-отливного эффекта, увеличивая время между его наступлениями.

Через миллиарды лет, если Земля, в силу внутреннего трения, будет повёрнута к Луне только одной стороной, приливы, как периодическое явление, не прекратятся, если сохранится вращение системы Земля - Луна вокруг общего центра вращения (но замедление этого вращения неизбежно вызовет удаление Луны от Земли). В этом случае приливно-отливные явления будут происходить лишь по причине вращения этой двойной системы в поле притяжения Солнца и Земли, хотя выраженность их заметно ослабнет. А периодичность будет определяться временем оборота системы вокруг общего центра вращения .

Большая часть объема космического пространства - это пустота. Но то тут, то там шарообразные сгустки материи - планеты, луны, звезды - проносятся мимо друг друга в исполинском танце.

Проделывая свои космические па, они силой гравитации действуют друг на друга, вызывая вспучивания океанических вод на поверхностях планет. Гравитация – это сила тяготения, действующая между всеми без исключения материальными объектами.

Что такое приливы и отливы?

Океанические приливы – это регулярные подъемы и падения уровня вод Мирового океана в ответ на гравитационные воздействия, то есть на силы притяжения. Когда воды океана поднимаются до самой высокой отметки, а это случается каждый 13 часов, это называется приливом. Когда вода опускается до самой низкой отметки, это называется отливом. Если вы приходите отдохнуть на морской пляж во время прилива, то наблюдаете эффект миров, проносящихся мимо Земли в вечном мраке космоса.

Материалы по теме:

Интересные факты о Луне

Что вызывает приливы?

Солнце, Луна и другие тела Солнечной системы воздействуют на воду и сушу Земли силой своей гравитации. Но практическое влияние оказывают только Луна и Солнце. Солнце, хотя оно очень далеко (149 миллионов километров), настолько массивно, что сила его притяжения велика.

Луна очень мала (ее масса составляет 1 /81 часть от массы Земли), но оказывает выраженное гравитационное действие на Землю в силу своего близ кого от нее расстояния (380000 километров).

Интересный факт: когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной линии, то есть в новолуние, приливы особенно сильны.

Несмотря на сильную гравитацию огромного Солнца, маленькая Луна благодаря своей близости к Земле оказывает на приливы гораздо большее влияние. Кроме того, сила притяжения Луны заметно меняется от участка к участку земной поверхности. Эти изменения обусловлены разным расстоянием различных участков земной поверхности от Луны в каждый данный момент времени.

Гравитационные силы между Землёй и Луной вызывают некоторые интересные эффекты. Наиболее известный из них -- морские приливы и отливы. Гравитационное притяжение Луны более сильное на той стороне Земли, которая повёрнута к Луне, и более слабое на противоположной стороне. Поэтому поверхность Земли, и особенно океаны, вытягиваются по направлению к Луне. Если бы мы взглянули на Землю со стороны, мы увидели бы две выпуклости, и обе они направлены в сторону Луны, но находятся на противоположных сторонах Земли. Этот эффект намного более силён в океанской воде, чем в твёрдой коре, так что выпуклость воды больше. А так как Земля вращается намного быстрее, чем Луна перемещается по своей орбите, перемещение выпуклостей вокруг Земли один раз за день даёт две высших точки прилива.

Гипотезы возникновения

Гипотезы и факты

Любая рассматриваемая модель образования Луны должна не только соответствовать физическим законам, но и объяснять следующие обстоятельства:

Средняя плотность Луны составляет 3,3 г/см3, значительно уступая средней плотности Земли -- 5,5 г/см3. Причина -- у Луны очень маленькое железо-никелевое ядро -- оно составляет всего 2-3% от общей массы спутника (по данным миссии NASA «Lunar Prospector»). Металлическое ядро Земли составляет около 30% массы планеты.

Помимо дефицита железа, Луна имеет весьма низкое, по сравнению с Землей, содержание легколетучих элементов, таких, как водород, азот, фтор, инертные газы. И напротив, на Луне наблюдается некоторый излишек относительно тугоплавких элементов, например, титана, урана и тория.

Породы лунной коры и породы земной коры и мантии практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода 16O, 17O, 18O (это соотношение иногда называют «кислородной подписью»). Для сравнения, метеориты из разных частей Солнечной системы (в том числе и т. н. марсианские метеориты) имеют совершенно другие соотношения изотопов кислорода. Такая идентичность свидетельствует о том, что Земля и Луна (или, как минимум, поверхность Луны) сформировались из одного слоя планетезималей -- на одинаковом расстоянии от Солнца.

Луна имеет мощную прочную кору толщиной в 60-80 километров (в несколько раз толще земной коры), образованную из анортозитовых пород -- продуктов плавления лунной мантии. Поэтому полагают, что Луна когда-то была нагрета до полного расплавления. Земля, как считается, никогда не была полностью расплавленной.

Луна и Земля имеют необычно высокое, соотношение масс спутника и планеты, равное 1/81, в сравнении с остальными спутниками планет Солнечной системы. (Выше -- только у Харона и Плутона, но Плутон, как известно, уже планетой не является);

Система Луна-Земля обладает необычно высоким угловым моментом импульса (уступая, опять же, только системе Харон-Плутон).

Плоскость орбиты Луны (наклон 5° к эклиптике) не совпадает с экваториальной плоскостью Земли (наклон 23,5° к эклиптике).

Итак, были выдвинуты следующие гипотезы:

Гипотеза центробежного разделения: от быстро вращающейся прото-Земли под действием центробежных сил отделился кусок вещества, из которого затем сформировалась Луна. (Эту гипотезу в шутку называют «дочерней»). Гипотеза захвата: Земля и Луна сформировались независимо, в разных частях Солнечной системы. Когда Луна проходила близко к земной орбите, она была захвачена гравитационным полем Земли и стала спутником Земли. (Эту гипотезу в шутку называют «супружеской»).

Гипотеза совместного формирования: Земля и Луна сформировались одновременно, в непосредственной близости друг от друга. (В шутку -- «сестринская» гипотеза). Гипотеза испарения: из расплавленной прото-Земли были выпарены в пространство значительные массы вещества, которое затем остыло, сконденсировалось на орбите и образовало прото-Луну.

Гипотеза многих лун: несколько маленьких лун были захвачены гравитацией Земли, затем они столкнулись друг с другом, разрушились, и из их обломков сформировалась нынешняя Луна.

Гипотеза столкновения: прото-Земля столкнулась с другим небесным телом, а из выброшенного при столкновении вещества сформировалась Луна.

Луна - единственный естественный спутник Земли. Масса Луны составляет 0,0123 массы Земли (приблизительно 1/81) или 7,6 . 10 22 кг. Диаметр Луны чуть больше четверти земного (0,273) или 3 476 км. Луна - это большой спутник. Только Ио, Ганимед, Каллисто (спутники Юпитера) и Титан (спутник Сатурна) имеют бо`льшие размеры и массу. 5-ое место среди 91-го известного естественного спутника в Солнечной системе - неплохое положение дел! Забавно, что и сама Земля - пятая среди планет по массе и размерам. Редкая гармония.

Землю и Луну иногда называют двойной планетой, так как размеры и массы этих тел близки (см. чуть выше). По этому показателю лишь Харон и Плутон опережают Луну и Землю. Диаметр Харона составляет 0,51 диаметра Плутона, а масса - меньше всего в семь с небольшим раз. На третьем месте в этом соревновании в соотношениях масс с большим отставанием от Луны идет Титан: он в 4 207 раз легче и в 23 с лишним раза меньше Сатурна. А вот в соотношении размеров бронзу взялТритон: он в всего 18 раз меньше Нептуна (Сатурн "подвела" его малая плотность). Тритон уступает в массе Нептуну в 4 673 раза.

Спутники Марса, другой планеты земной группы, их имеющей, настолько малы, что больший из них - Фобос - уступает не столь уж внушительному Марсу в массеаж в 59 миллионов раз! Если поместить Фобос на место Луны, мы бы не смогли без оптики разглядеть его диск. Луна - единственный естественный спутник Солнечной системы, который притягивается Солнцем сильнее (в 2 раза!), чем "своей" планетой. Если быть точными, то, скорее, Земля искажает путь Луны вокруг Солнца, чем наоборот.
Восход Земли над лунным горизонтом.
Конечно, Земля, на самом деле, на Луне не восходит, а лишь немного перемещается вверх-вниз, влево-вправо. Читайте страницу дальше и узнайте, почему лунные жители будут лишены удовольствия видеть земные восходы и закаты.

На Луне уже побывали люди, поэтому имеет смысл сказать о силе тяготения на ее поверхности: 0,1653 от земной силы тяжести, то есть в 6 раз меньше. Там вполне доступно обычному человеку перевернуть легковой автомобиль. Автор не помнит, чтобы ему приходилось поднимать что-то тяжелее 50-ти килограмм (ну, не довелось). На Луне этот мешок с сахаром не потянул бы и на "земное" ведро воды.

Фазы Луны. Сидерический и синодический месяцы.

Луна вращается вокруг Земли. При разных положениях относительно друг друга Солнца, Земли и Луны мы по-разному видим освещенную половину нашего спутника. Часть видимого нами диска Луны, которая освещена, называется фазой Луны.

Принято выделять особо фазы новолуния (диск полностью темный), первой четверти (растущий лунный серп выглядит в форме полудиска), полнолуния (диск освещен полностью) и последней четверти (освещено вновь ровно полдиска, только с другой стороны). Вообще, фазу принято выражать в десятых и сотых долях единицы, причем новолунию будет соответствовать фаза 0, полнолунию - 1, первой и последней четвертям - 0,5.

Для начинающих очень трудно бывает отличить растущий от новолуния к полнолунию месяц от убывающего к новолунию от полнолуния. В северном полушарии пользуются известным приемом: если к лунному серпу можно так приставить воображаемую "палочку", чтобы получилась буква "Р" (растущий ), то месяц растет, если же месяц выглядит, как буква "С" (старый ), то он убывает.

Период полной смены всех лунных фаз от новолуния до новолуния называется синодическим периодом обращения Луны илисинодическим месяцем , который равен примерно 29,5 дням. Именно за это время Луна проходит по своей орбите такой путь, что дважды успевает пройти через одну и ту же фазу. Полный оборот Луны вокруг Земли относительно звезд называется сидерическим периодом обращения или сидерическим месяцем , он длится 27,3 дня. Проведем, скажем, в полнолуние (1) воображаемую линию через центры Земли и Луны (красная стрелка справа). В полнолуние эта прямая исходит из центра Солнца. Закрепим это направление (черная стрелка). При движении Луны по по орбите будет меняться и направление линии "Земля-Луна". Повторно эта линия примет начальное направление через 27,3 дня, когда Луна сделает ровно один виток по орбите (2). Но фазе полнолуния попрежнему соответствует красная стрелка в направлении из центра Солнца к Земле. На втором рисунке видно, что Луне надо еще какое-то время пройти по орбите, чтобы на Земле настало полнолуние. Поэтому между двумя полнолуниями (или любыми другими одинаковыми фазами Луны) не 27,3, а 29,5 дней. Причина кроется в том, что за то время, пока Луна обегает один раз вокруг Земли, наша планета сама успевает пройти некоторый путь по своей орбите вокруг Солнца.

Маленькое замечание к предыдущему абзацу. На самом деле, не так уж и часто случается такое совпадение, что Луна, Солнце и Земля выстраиваются в одну линию. Нечасто даже линия "Земля-Луна" каким-то одним образом ориентируется в пространстве. В объяснении было использовано упрощение: орбита Луны считалась круглой и лежащей в одной плоскости с орбитой Земли. Мы столкнемся с этим чуть позднее еще раз..

Луна 22 декабря 1999-го года, это последнее полнолуние, означенное четырехзначным годом, начинающимся с 1... . Луна в тот момент находилась вблизи самой близкой к Земле точке орбиты и была больше обычного по видимым размерам. Снимок получен Робом Гендлером.

Наблюдение Луны.

Луна вращается вокруг Земли. Для нас это проявляется не только в видимой смене фаз. Луна быстро перемещается на фоне звезд, в деньпримерно на 12,5°. Каждый новый день наш спутник появляется над горизонтом на 49 минут позже, чем накануне. Из-за этого Луна, достигая в новолуние верхней кульминации в полдень, в фазе первой четверти добирается до кульминации в 6 вечера, в полнолуние - в полночь, а в последней четверти - в 6 утра. Растущий молодой лунный серп мы видим вскоре после захода дневного светила, на западе. Убывающий старый месяц виден утром, перед восходом Солнца, на востоке. Заметьте при своих наблюдениях, если Вам этого делать не приходилось, что месяц всегда обращен выпуклостью к Солнцу. Потрудитесь сами это объяснить.

Период обращения Луны вокруг Земли (сидерический период) в точности равен периоду обращения спутника вокруг собственной оси, из-за чего Луна повернута к Земле всегда одной стороной. Физическими причинами такого положения вещей являются приливные силы.

Приливы и отливы
Гравитационное воздействие Земли на Луну и наоборот довольно велико. Разные части, скажем, Земли по разному подвергаются притяжению Луны: сторона, повернутая к Луне, - в большей степени, обратная сторона - в меньшей, так как дальше находится от нашего спутника. В результате, разные части Земли стремятся прийти в движение в направлении Луны с разными скоростями. Поверхность, обращенная к Луне, вздувается, центр Земли смещается меньше, а противоположная поверхность вовсе отстает, и с этой стороны тоже образуется вздутие - из-за "отставания". Земная кора деформируется неохотно, на суше приливных сил мы не замечаем. А вот про изменение уровня моря, про приливы и отливы, слышали все. Вода поддается воздействию Луны, образуя приливные горбы на двух проитвоположных сторонах планеты. Вращаясь, Земля "подставляет" Луне разные свои стороны, и приливной горб перемещается по поверхности. Такие деформации земной коры вызывают внутреннее трение, которое тормозит вращение нашей планеты. Раньше она вращалась гораздо быстрее. Луна еще больше подвергнута влиянию приливных сил, ведь Земля гораздо массивнее и больше. Скорость вращения Луны настолько замедлилась, что она покорно повернулась к нашей планете одной стороной, и приливной горб не бежит более по лунной поверхности.

Воздействие этих двух тел друг на друга приведет в отдаленном будущем к тому, что и Земля, в конце концов, повернется к Луне какой-то одной стороной. Кроме того, приливные силы, вызванные близостью Земли, а также влиянием Солнца, тормозят движение Луны и по орбите вокруг Земли. Замедление сопровождается удалением Луны от центра Земли. В итоге, это может привести к потере Луны...

Небольшие части обратной стороны Луны бывают видны из-за так называемых либраций , колебаний видимого лунного диска. Это наблюдаемое явление происходит из-за того, что лунная орбита не круг, а эллипс, двигаясь по нему, Луна нам показывает разные части своей обратной стороны. Всего же с Земли можно наблюдать чутьменьше 60% лунной поверхности. На иллюстрации, демонстрирующей смену лунных фаз (выше, слева), Вы сможете заметить и либрации лунного диска. По тем же причинам с Луны Земля видна не отовсюду, а лишь со стороны, обращенной к планете, и иногда с тех участков, которые с Земли видны только благодаря либрациям. Земля (вообразите) неподвижно весит над горизонтом: ни закатов, ни восходов. Только либрационные, небольшие и медленные, перемещения из стороны в сторону. Для каждой точки поверхности Луны - свое положение Земли на небе. Но вернемся на Землю и посмотрим на Луну.

Уже невооруженным глазом на Луне видны светлые и темные (синие или голубые) области. В прошлом, люди считали, что синие участки - это лунные моря . Это название, по традиции, так за ними и осталось. На самом деле, это твердая поверхность, которую с морями роднит, разве что, то обстоятельство, что раньше здесь были моря извергшейся лавы. Но таких мощных извержений на Луне нет уже несколько миллиардов лет. Об этом говорят образцы лунных горных пород, доставленных на Землю людьми и автоматическими станциями.

Даже в небольшой бинокль на Луне видны кратеры - следы падения метеоритов. Лунная поверхность вся покрыта кратерам разного размера - от сотен километров до миллиметров. Сейчас уже выпущены промышленностью и глобусы, и подробные карты Луны, пользуясь которыми, можно производить наблюдения в телескоп, отыскивая те или иные участки поверхности. Интересующий вас объект будет лучше заметен, если наблюдать его вблизи границы освещенного диска (терминатора ). Тени будут четче вырисовывать неровности рельефа. В районе терминатора на Луне идут заход или восход Солнца. А теперь сами вспомните, когда на Земле Вы отбрасываете самую длинную тень при свете Солнца.

Лунные затмения

Одним из интереснейших видов астрономических явлений, связанных с Луной, являются затмения.

Затмения бывают солнечными и лунными: в первом случае, Луна загораживает собою Солнце, а во втором - земная тень скрывает Луну. Затмения случаются в те моменты, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются в одну линии в своем движении. Нетрудно сообразить, что это бывает либо в полнолуние, либо в новолуние.

Лунные затмения происходили бы каждый раз в полнолуние, а солнечные - в новолуние, если бы не одна особенность движения Луны. Плоскость ее орбиты наклонена к плоскости околосолнечной орбиты Земли под небольшим углом в 5°. Уже этого достаточно, чтобы в новолуние Луна проходила чуть выше или ниже Солнца, а в полнолуние земная тень не попадала на лунный диск. Только тогда, когда полнолуние или новолуние приходится на моменты пересечения Луной плоскости земной орбиты, т.е. когда действительно все три тела, участвующие в явлении, выстраиваются в линию, происходят затмения. Например, в ситуации, изображенной на рисунке, затмения не произойдет. Точки пересечения лунной орбиты с плоскостью орбиты Земли не лежат на одной линии с Солнцем (эти две точки орбиты называются узлами лунной орбиты). В добавление ко всему описанному, ориентация орбиты нашего спутника непостоянна, как сама Луна. Плоскость поворачивается или, как говорят, прецессирует. В результате этого, еще в древности был выявлен далеко не очевидный временной промежуток, через который последовательность всех затмений повторяется. Такой временной интервал называютсаросом . Длительность сароса 18 с небольшим лет (6585,32 суток). Зная об этом, мы можем сказать, что через сарос можно ожидать наблюдаемое, скажем, сегодня полное солнечное затмение, но мы не можем, зная лишь про сарос, утверждать, что оно будет полным, а также не в силах предсказать, где на Земле его можно будет увидеть. В течение сароса происходит 43 солнечных и 28 лунных затмений. В наше время, знания человека о затмениях значительно превосходят умудренность древних. Затмения и условия их протекания высчитываются с высокой точностью на много лет вперед.

Вообще, мы имеем дело с поразительным природным совпадением: Луна в 400 раз меньше Солнца, но во столько же раз ближе него к Земле. Благодаря этому, угловойдиаметр Солнца и Луны почти одинаков. Подробнее о солнечных затмениях смотрите в разделе о Солнце, а здесь мы еще немного остановимся на лунных.

Земная тень вблизи Луны имеет больший, чем у Луны, угловой размер, поэтому пересечение Луною этой тени может длиться десятки минут. Сначала Луны слева (при наблюдении из северного полушария) касается едва видимая полутень Земли (для наблюдателя на Луне, стоящего в полутени, Солнце частично загорожено Землею). Пересечение Луною полутени длится около часа, после чего, Луны касается тень (для того же наблюдателя на Луне, стоящего в тени, Солнце загорожено Землею полностью). Черезминут 30 Луна полностью входит в тень, приобретая темно-красный, бордовый цвет, вызванный тем, что Лучи солнца, преломляясь в земной атмосфере, освещают-таки Луну в тени Земли. Как известно, лучше всего рассеиваются синие лучи, а красные лучи, преломившись, доходят до лунного диска. Полное затмение Луны может длится больше часа. Разные этапы затмения еще называют фазами затмения , например, "фаза полутеневого затмения " и т. п. Иногда, когда линия Солнце-Земля-Луна слишком далека от идеала, фаза полного затмения вообще может не наступить, при большем отклонении от этой идеальности, тень Земли может пройти даже мимо, и будет наблюдаться лишь покрытие Луны полутенью. В зависимости от расположения трех небесных тел, продолжительность той или иной фазы может меняться. По тем же причинам разной бывает яркость диска Луны во время наступления фазы полного затмения. Случается, что Луны не видно вовсе, и наоборот, зарегистрированы случаи, когда сторонние наблюдатели не верили, что имеет место затмение: так ярка была Луна.