9. Приливообразующие силы и их геофизическая роль.

Приливообразующие силы по своей природе подобны силам земного притяжения, но противоположны им по знаку, т.е. направлены от центра Земли. Они возникают в системах Земля – Луна, Земля – Солнце и во всех связях Земли с другими планетами Солнечной системы. Эти силы несравненно меньше силы тяжести, однако их геофизическая роль велика: они вызывают явления приливов в атмосфере, гидросфере и твердом теле Земли и как результат – изменения величины силы тяжести (ускорения g).

Чтобы понять механизм образования приливообразующих сил и их геофизическую роль, рассмотрим систему Земля-Луна. Эта система представляет собой единое целое, составляющие которого жестко связаны между собой. Вся система вращается вокруг единой неподвижной оси, проходящей на расстоянии 0,73R от центра Земли.

В системе Земля – Луна постоянно действуют две силы: сила взаимного притяжения Земли и Луны F_З,л и сила осевого вращения (центробежная сила) I_З,л. Для системы в целом эти силы равны между собой и противоположно направлены. Однако от каждой отдельно взятой i-той точки на земной поверхности расстояние до Луны неодинаково. Поэтому в отличие от F_З,л сила взаимодействия i-той точки Земли и Луны F_i,л будет переменной величиной. В результате на каждую i-тую точку земной поверхности одновременно действуют две силы. Геометрическую сумму этих сил обозначим через R_i,л:

R_i,л = F_i,л + I_{З,л i}.

Её направление в плоскости экватора Земли показано на рис., из которого видно, что в области зенита (точка З) сила R_i,л направлена на

Рис. 25. Образование приливообразующей силы в системе Земля - Луна. (Сила R_i,л обозначена толстой линией, сила I_{З,л i} - пунктирной, а сила F_i,л – обычной линией).

Луну, так как F_i,л  I_З,л ; здесь R_i,л достигает наибольших значений. В надире (точка Н) эта сила имеет наименьшее значение (F_i,л  I_З,л ) и также направлена по радиусу. В обеих точках (З и Н) она уменьшает силу тяжести. В точках А и В сила R_i,л направлена к центру Земли и увеличивает силу тяжести, в промежуточных точках С, D, E, N – по касательной к земной поверхности.

Если обозначить радиус Земли R=1, а расстояние от Луны до центра Земли через r, то можно рассчитать величину ускорения приливообразующей силы. Для центра Земли (точка Ц)

q_ц = fm/r².

Для областей зенита и надира, соответственно:

q_з = fm/(r-1)² и q_н = fm/(r+1)² .

Откуда q_з - q_ц = fm[1/(r-1)² – 1/r²] = fm[(2r – 1)/r²(r – 1)²], так как r и 2r1, то

q = q_з - q_ц = 2fm/r³ - величина ускорения приливообразующей силы.

Аналогично точка Ц притягивается сильнее точки Н, образуя второй горб-прилив.

Если разложить силу R_i,л на вертикальную и горизонтальную составляющие (R_i,л =R^в _i,л +R^г _i,л ), то станет ясна их геофизическая роль: сила R^в _i,л будет изменять силу тяжести, сила R^г _i,л - вызывать перемещение составных частиц геосфер в горизонтальной плоскости. Так как наиболее заметным для человека проявлением такого перемещения являются морские приливы, то сила R^г_i,л получила название приливообразующей силы.

Приливообразующие силы периодические. Под их воздействием воды Мирового океана на одной половине Земли сгоняются по направлению к точке З, на другой половине – к точке Н. Отсюда следует, что под влиянием притяжения Луны водная оболочка Земли принимает форму эллипсоида, и в точках З и Н образуются приливные выступы (прилив). В этот момент в точках А и В уровень воды Мирового океана понижается (отлив). Высота прилива в океане 1-2 м, в твердой коре – 0,5 м, а высота приливов на Луне больше, чем на Земле, т.к. М_з81М_л.

Вследствие суточного вращения Земли приливные выступы (приливные волны) перемещаются по поверхности океанов и в каждый следующий момент возникают в новых местах. За период лунных суток 24 ч 52 мин приливные волны обходят вокруг всей Земли и в каждом её месте вызывают два прилива и два отлива. Земная кора под действием приливных сил Луны постоянно пульсирует. Так территория г. Москвы в течение 6 часов поднимается на 40 см, а затем за такое же время опускается.

Приливное трение, возникающее при движении жидкой и в меньшей степени твердой волн, приводит к торможению осевого вращения Земли и её спутника – Луны. По этой причине Луна уже давно прекратила своё вращение вокруг оси и постоянно обращена к нашей планете одной стороной. Уменьшение угловой скорости вращения Земли составляет 2 с за 100 тысяч лет.

В системе Земля – Солнце также действует приливообразующая сила. Её ускорение примерно в 2,2 раза меньше ускорения приливообразующей силы Луны. Это означает, что солнечные приливы в 2,2 раза меньше лунных. Но эти приливы отдельно не наблюдаются, они только изменяют величину лунных приливов. Суммарно эти изменения зависят от взаимного расположения центров масс Солнца, Земли и Луны. Во время новолуний и полнолуний лунный и солнечный приливы наступают одновременно и поэтому приливообразующие силы систем Земля – Луна и Земля – Солнце складываются, наступает самый большой прилив. Во время первой и последней четвертей фаз Луны в момент лунного прилива происходит солнечный отлив и потому наблюдается наименьший прилив. Различие между величинами приливов для двух указанных ситуаций достигает 250 – 300%.

Величина прилива в любой точке морского побережья во многом зависит от очертания берегов. В узких бухтах, куда приливная волна входит беспрепятственно, приливы наибольшие. Например, в зал. Фанди уровень воды при приливе повышается более чем на 18 м, в Пенжинской губе – примерно на 13 м. В бухтах, при входе в которые энергия приливной волны гасится узкой горловиной, приливы наименьшие.

Явления приливов происходят также в атмосфере, причем в атмосфере приливы проявляются в периодических изменениях атмосферного давления, наиболее четко – с периодом в 12 ч. Важная геофизическая роль принадлежит приливообразующей силе системы Земля – Луна в образовании и динамике так называемых сегментов прилива в плоскости экватора твердого тела Земли.

Рис. 26. Асимметрично-трехосный приливный эллипсоид.

Эти сегменты были у Земли не всегда. По-видимому, они возникли в тот период истории системы Земля- Луна, когда период осевого вращения Земли Т и период обращения Луны вокруг Земли Т_л совпадали между собой. В эту раннюю историю Земля и Луна находились на очень близком расстоянии l: оно было немного больше двух с половиной радиусов Земли (2,5R). В это время приливообразующая сила Луны должна была составлять около fm_л/(7,81R²). Нынешний период характеризуется асинхронным вращением Земли и Луны (Т_л Т), а l60,3R. Поэтому приливообразующая сила составляет около fm_л/(109629R²). Значит в начальное время существования системы Земля – Луна приливообразующая сила R^г _i,л была более чем в 1410³ раз больше, чем в современный период. Поэтому притяжение Луны во время существования одинаковых периодов Т = Т_л должно было вызвать сильную деформацию Земли в виде приливных горбов (акториальные и тессеральные приливы), или сегментов, прилива – большего в зените и меньшего в надире. В поясе же, центральная линия которого удалена на 90⁰ от зенита и надира и проходит через точки А и В, произошло опускание, или отлив.

Несимметричность тессерального прилива относительно экватора и различная амплитуда его в северном и южном полушариях обусловливают прецессию и нутацию земной оси за счет изменения главного момента инерции Земли.

Возникшие т.о. сегменты прилива в твердом теле Земли в дальнейшем не поддерживались прежней приливообразующей силой, и вытянутость Земли в долготном направлении стала постепенно исчезать. Но этот процесс выравнивания большой и малой осей и асимметрии больших полуосей приливного эллипсоида Земли идет очень медленно и неравномерно.

Сегменты прилива, образовавшись под действием притяжения Луны, в дальнейшем стали оказывать влияние на её орбитальное движение вокруг Земли. Во время, когда Земля обращена к Луне большим (ближним) сегментом прилива, движение Луны по орбите ускоряется; при обращении Земли к Луне малым (дальним) сегментом прилива происходит замедление орбитального движения Луны. В результате под влиянием большого сегмента поступательное движение Луны ускоряется и она удаляется от Земли: её орбита разворачивается в спираль.

Исследования, выполненные с помощью ИСЛ и космических кораблей, показали, что величина силы тяжести на Луне непостоянна. По отклонению ИСЛ от идеальных орбит было изучено аномальное гравитационное поле Луны. В итоге на Луне были обнаружены положительные аномалии, связанные с несколькими круговыми морями (Ясности, Дождей, Влажности и др.) и обусловленные наличием близповерхностных концентраций масс (масконов). Одни планетологи такие образования на Луне связывают с внедрением в её тело крупных астероидов, а другие – плотных интрузий. На Земле масконы отсутствуют, а на Марсе они обнаружены.