Текст книги "Астрономия. Популярные лекции"

Автор книги: Владимир Сурдин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 16 страниц)

Рис.7.17. Южный полюс Весты. Концентрические кольцеобразные структуры могут быть следствием ударного воздействия или результатом внутренних геологических процессов.

На память об этом столкновении осталась и самая заметная деталь на поверхности Весты – огромный ударный кратер Реясильвия диаметром 500 км в районе южного полюса. Размер кратера почти равен диаметру самого астероида. Любопытно, что позже практически туда же пришелся еще один удар, оставивший после себя кратер диаметром около 400 км. Остается загадкой, как Веста смогла пережить столь чудовищные катаклизмы. Спектральный анализ показывает, что эти удары обнажили несколько слоев коры Весты и частично – ее мантию. Кратер Реясильвия – один из самых глубоких в Солнечной системе. По периметру его окружает вал с высотой стенок от 4 до 12 км, а дно кратера лежит на 13 км глубже соседней поверхности. В центральной части кратера возвышается гора высотой от подножия около 22 км и диаметром 180 км; это одна из высочайших вершин в Солнечной системе.

В XX веке изучение астероидов в основном стимулировалось задачами космогонии: их изучали как строительные блоки, оставшиеся невостребованными после формирования планет. В XXI веке стали актуальны два новых направления: защита Земли от столкновения с астероидами и использование вещества астероидов для строительства и производства в космосе. Первое из этих направлений в основном развивается государственными усилиями (хотя свой вклад вносят и любители астрономии), а второе в немалой степени привлекает частный капитал. В целом изучение астероидов считается сейчас очень важной задачей астрономии и космонавтики.

Кометы

Обычно мы представляем себе кометы этакими хвостатыми светилами. Но хвостатыми они бывают редко и недолго. Комета, коротко говоря, – это просто большая ледяная глыба, которая, двигаясь по вытянутой орбите, вдали от Солнца остается холодной и не испаряется, а когда подлетает к источнику тепла, начинает нагреваться и испаряться. Вокруг твердого ядра кометы возникает обширная временная атмосфера — кома, рассеивающая и переизлучающая солнечный свет, поэтому комета становится видна на ночном небе, нередко даже невооруженным глазом. Но, удаляясь от Солнца, она вновь замерзает и становится практически невидимой.

По мере приближения кометы к Солнцу у нее обычно «вырастает хвост». Причина в том, что выброшенные из ядра кометы атомы, молекулы и пылинки ощущают давление солнечного света, т. е. потока квантов, испущенных Солнцем, а также давление солнечного ветра, т. е. замагниченной плазмы, летящей от Солнца.

Пылинки – это мелкие твердые частицы. Давление на них солнечного света отчасти компенсирует гравитационное притяжение к Солнцу, поэтому кривизна орбит пылинок уменьшается, они начинают удаляться от траектории ядра кометы и отставать от него. За кометой образуется пылевой хвост. А заполняющие кому молекулы газа под действием жесткого солнечного излучения – ультрафиолетового и рентгеновского – распадаются на атомы и теряют электроны: происходит диссоциация и ионизация газа. Заряженные частица газа активно взаимодействуют с потоками солнечного ветра, давление которого благодаря «вмороженному» в него магнитному полю намного превосходит гравитацию Солнца. Поэтому газовый, а по сути плазменный хвост кометы всегда направлен в сторону от Солнца. По мере удаления от головы кометы пылевой и плазменный хвосты разделяются. Поэтому обычно у комет два хвоста: голубоватый плазменный и желтовато-белый пылевой. Но бывают и варианты. К тому же структура каждого из хвостов порою весьма сложна и зависит от порывов солнечного ветра и поведения газовых фонтанов на ядре кометы.

Рис.7.18. Комета Хейла—Боппа (C/1995 O1) в марте 1997 г.

Так что хвосты комет, помимо того, что они очень красивы, еще и весьма информативны, ибо рассказывают нам, как ядро кометы вращается и что происходит на его поверхности. Это видно по неоднородности пылевого хвоста. В 2007 г. наблюдалась замечательная комета Макнота (C/2006 P1), или Большая комета 2007 года. Особенно хорошо она была видна на южном небе (рис. 7.19). Неоднородность ее хвоста показывала, что ядро вращается и область на нем, активно выбрасывающая газ, то нагревается Солнцем, то остывает.

Хвосты такого типа, как у кометы Макнота, напоминают сильно изогнутый конус, отклоненный назад. Они образованы пылинками разной величины, выброшенными из ядра. В таких хвостах часто наблюдаются полоски – так называемые синхроны. Они возникают при единовременном (синхронном) выбросе из ядра кометы целого облака частиц, которые затем движутся с различным ускорением, поскольку световое давление действует по-разному на пылевые частицы разного размера.

Рис.7.19. Комета Макнота (C/2006 P1 McNaught), сфотографированная 19 января 2007 г. с горы Сьерро-Паранал (Евопейская южная обсерватория, Чили). В хвосте кометы отчетливо видны синхроны. Фото: ESO.

Внешние слои кометных ядер могут заметно отличаться по своим свойствам от вещества в глубине ядра. Хотя водяной лед составляет значительную долю кометного вещества, наблюдения комет (Галлея, Хартли-2, Чурюмова—Герасименко и др.) показывают, что поверхность ядер очень темная, сухая и богатая нелетучей органикой.

Твердые ядра комет невелики по размеру: диаметры тех, что были изучены космическими зондами с близкого расстояния, составляют от 1 до 10 км. Несмотря на то, что ядро кометы в основном ледяное, его поверхность весьма темная (A ≈ 0,03÷0,05), поэтому с расстояния в несколько астрономических единиц такой объект уже не виден даже в хороший телескоп. Видимость комете придают лишь испаряющиеся с ее поверхности газы и унесенные ими мелкие твердые частицы – пылинки. Хвосты комет достигают видимых размеров во многие миллионы километров, и, хотя они очень прозрачны, рассеянный ими солнечный свет делает комету заметной даже для невооруженного глаза.

Орбиты абсолютного большинства наблюдавшихся комет сильно вытянуты, порой близки к параболическим. Иного и быть не может. На орбите, близкой к круговой, комета вблизи Солнца быстро испарилась бы, а вдали от Солнца не испарялась бы совсем и оставалась невидимой. Поэтому мы наблюдаем только те кометы, которые на короткое время подходят к Солнцу, а затем надолго удаляются от него, сохраняя свое ледяное тело. За всю историю астрономических наблюдений к середине 2018 г. было зарегистрировано немногим более 4000 комет. Текущую статистику можно найти на https://www.minorplanetcenter.net/mpc/summary.

Рис.7.20. Схема формирования хвостов кометы.

Современные модели «новых» комет представляют ядро как очень рыхлое образование, типа гигантского снежного кома. После многократных прохождений близ Солнца «новая» комета стареет, ее ядро уменьшается за счет потери большей части летучих веществ из поверхностного слоя и покрывается темной коркой из нелетучих соединений, как мартовский сугроб в городе.

Сложная структура кометных хвостов и газовые струи, истекавшие с поверхности наблюдавшихся вблизи кометных ядер, указывают на то, что структура поверхности ядра крайне неоднородна. Вероятно, в поверхностной теплоизолирующей корке имеются дыры, трещины или другие обнажения подкоркового вещества с высоким содержанием летучих соединений, из которых происходит интенсивная сублимация этих веществ, вплоть до истечения мощных газовых струй, способных вызывать реактивное ускорение кометного ядра, заметно меняющее его орбиту.

Рис.7.21. Кометы, к которым осуществлялись миссии автоматических зондов. Фотографии ядер комет предоставлены РАН, NASA, ESA.

Сильное впечатление оставляют снимки ядра кометы Чурюмова—Герасименко, переданные орбитальным аппаратом «Розетта» Европейского космического агентства. Мы видим (рис. 7.23), как газы с ее поверхности активно уходят в пустоту со скоростью звука и даже быстрее. Скорость полета частиц около 1 км/с – это сверхзвуковая скорость. Видно, что комета неоднородно извергает вещество. Некоторые области ее поверхности активны, а другие спокойны. Вероятно, выбросы газа и пыли происходят там, где солнечное тепло проникает сквозь темную и довольно прочную кору кометы, нагревает лежащие под ней льды и вызывает их испарение (возгонку). Давление повышается, газ прорывается через кору и выбрасывается наружу вместе с пылью.

Рис.7.22. Ядро кометы Хартли 2 (103P/Hartley) размером 2,2÷0,5 км, имеющее чрезвычайно темную поверхность с альбедо A = 0,028 и форму, напоминающую нечто среднее между кеглей для боулинга и огурцом (фото: космический зонд «Deep Impact», NASA, 4 ноября 2010).

Рис.7.23. Ядро кометы Чурюмова—Герасименко с потоками испаряющегося вещества. Фото зонда «Розетта» (ESA, NASA), 2014 г.

Массы ядер комет, вероятно, лежат в пределах от нескольких тонн (мини-кометы размером в метры) до 10¹¹–10¹² т («айсберги» размером в десятки километров). Измерить массу точно удается лишь в том случае, если космический зонд движется по орбите вокруг ядра, а это до сих пор было лишь однажды – когда зонд «Rosetta» (ESA) в 2014–2016 гг. изучал комету Чурюмова—Герасименко (67P/C-G). При размере ее ядра примерно 5×3 км его масса составила 10¹⁰ т, а средняя плотность – 0,53 г/см³. Пролеты зондов вблизи других ядер комет (1P/Halley, 9P/Tempel, 19P/Borrelly, 81P/Wild, 103P/Hartley) также указывают на их низкую плотность: от 0,3 до 0,6 г/см³. Учитывая, что вещество кометы – это грязный лед с плотностью около 1 г/см³, мы приходим к выводу о высокой пористости этого вещества. Примерно половина объема кометного ядра – это пустота. Но что это: мелкие поры или крупные каверны и пещерные лабиринты, – мы пока не знаем.

Какова продолжительность жизни кометы? Это зависит от ее орбиты. Если перигелий орбиты превышает 10÷15 а. е., комета испаряется очень медленно, а если при этом ее орбитальный период составляет сотни тысяч или миллионы лет, то она вообще практически не меняется и служит «вечным холодильником» протопланетного вещества. Но короткопериодические кометы, подлетающие к Солнцу на 1÷3 а. е., эволюционируют очень быстро и, соответственно, живут недолго. Например, комета 103P/Hartley имеет орбитальный период 6,5 года, афелий около 6 а. е. и перигелий около 1 а. е., то есть «живет» между орбитами Юпитера и Земли. При собственной массе около 300 млн тонн при каждом сближении с Солнцем она теряет около 1 млн тонн вещества, следовательно, ей суждено полностью испариться через несколько сотен оборотов, т. е. примерно через тысячу лет.

Рис.7.24. Ядро кометы Галлея и испаряющееся с него вещество. Фото космического зонда «Джотто», 1986 г.

Еще один пример. Ядро кометы Галлея (1P/Halley) имеет картофелеобразную форму, длину около 15 км и ширину около 8 км. Ее орбитальный период 75,3 года, афелий 35 а. е. и перигелий 0,586 а. е. В момент прохождения перигелия комета каждую секунду теряет около 45 т газообразных соединений и 5÷8 т пыли. Легко подсчитать, что запасов летучего вещества комете Галлея должно хватить на сотню тысяч лет. За это время она может совершить еще около 1300 оборотов вокруг Солнца, а затем полностью «высохнет» и, вероятно, пополнит число вымерших комет. Это бывшие кометные ядра, которые уже не проявляют признаков активности и по наблюдаемым характеристикам ничем не отличаются от астероидов.

В последние десятилетия астрономы много спорили о роли астероидов и комет в обеспечении юной Земли водой и органическими веществами, необходимыми для зарождения и развития жизни. Выяснить, откуда на Земле вода, помогает ее изотопный состав. Среди молекул обычной воды H₂O изредка попадаются молекулы тяжелой воды D₂O и полутяжелой воды HDO, в которых атом легкого водорода (H) заменен полностью или частично его тяжелым изотопом – дейтерием (D). В химическом смысле это та же вода, поэтому никакие реакции не могут изменить соотношение изотопов D/H, которое у земной воды чуть больше, чем 10^–4.

Как показывает анализ изотопного соотношения молекул воды земных океанов, астероидов и комет, скорее всего, вода на Землю была принесена астероидами Главного пояса, а не кометами. Оказалось, что в веществе комет отношение D/H в 2÷3 раза выше, чем в земной воде, зато у астероидов оно почти такое же, как на Земле. Впрочем, не исключено, что именно кометы снабдили нашу планету органическими веществами вплоть до аминокислот – «кирпичиков», из которых состоят белки земных организмов.

Первые намеки на наличие в составе комет глицина – простейшей аминокислоты – были получены в 2006 г., когда на Землю вернулась капсула зонда «Stardust» (NASA) с образцами вещества кометы Wild-2. Но тогда наличие глицина списали на земное загрязнение. Однако «Розетта» обнаружила глицин непосредственно на месте – в коме кометы Чурюмова—Герасименко.

Еще одним важным открытием «Розетты» стал фосфор – элемент, абсолютно необходимый для всех живых организмов Земли. Фосфор входит в состав ДНК, компонентов клеточных мембран, а также аденозинтрифосфата (АТФ) – универсального источника энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Многочисленные органические молекулы, обнаруженные «Розеттой» в веществе кометы, включая глицин и соединения фосфора, подтверждают идею, что кометы могут быть поставщиками ключевых молекул для предбиотической химии.

Подарки от комет и астероидов

Изучение астероидов и комет «на месте» с помощью космических зондов – дело очень интересное, но чрезвычайно дорогое. Особенно сложно доставить их вещество на Землю для детального изучения. За всю историю космонавтики до сих пор (2018 г.) лишь однажды удалось добыть микроскопические частицы с поверхности астероида (25143 Itokawa, зонд «Hayabusa», Япония, 2010) и из хвоста кометы (81P/Wild, зонд «Stardust», NASA, 2006). Поэтому астрономы очень дорожат тем космическим веществом, которое само попадает на Землю, оставляя следы в атмосфере в виде метеоров или падая на поверхность планеты в виде метеоритов.

Рис.7.25. Яркий метеор – болид над пустыней Мохаве (Калифорния). 2009 г.

Пока твердая частица летает в космосе, мы называем ее метеороидом. Когда она с большой скоростью влетела в атмосферу Земли и, раскалившись и испаряясь от ударов молекул воздуха, движется, оставляя за собой светящийся плазменный след, – это метеор. А если она не до конца разрушилась и ее остаток упал на землю – это метеорит.

Вспышки обычных метеоров, по яркости сопоставимые со звездами, производят частицы массой в сотые доли грамма и размером не более миллиметра. Они полностью разрушаются на высотах около 80 км и до поверхности не долетают. Увидеть метеор можно в любое время года, но бывают сезоны, когда частота их вспышек значительно возрастает. Наблюдения показывают, что в эти сезоны метеороиды налетают на Землю в основном с одного направления, а значит, движутся в пространстве почти по одной и той же орбите. Это метеорные потоки. Их вызывают мелкие частицы, потерянные одной из комет. При размерах в доли миллиметров такие частицы почти не поддаются давлению солнечного света и солнечного ветра, поэтому они долго движутся в окрестности кометной орбиты.

Рис.7.26. Теряя твердые частицы, комета постепенно заполняет окрестности своей орбиты мелкими метеороидами, которые, попадая в атмосферу Земли, вызывают метеорные потоки.

Каждый метеорный поток связан с той или иной кометой. Теряя частицы, комета постепенно заполняет ими окрестности своей орбиты. Если земная орбита пересекает в одном, а иногда и в двух местах траекторию кометы, то мы попадаем на несколько дней в область, богатую мелкими метеороидами, и наблюдаем метеорный поток. Например, знакомый многим августовский метеорный поток Персеиды дарит нам комета 109P/Свифта—Тутля. А комета Галлея даже дважды пересекается с земной орбитой, и мы получаем от нее два метеорных потока в разные сезоны года: η-Аквариды в мае и Ориониды в октябре.

Рис.7.27. Схема рассеивания осколков меторита.

Хотя мелкие частицы комет до земли не долетают, изучая спектры их вспышек в атмосфере, т. е. метеоры, можно узнать кое-что о химическом составе твердого вещества кометы. Сами кометы или их крупные фрагменты врезаются в Землю нечасто (что приятно – вспомните о Тунгусском событии 1908 года), поэтому детально изучить эти явления до сих пор не удавалось. В принципе от попадания в Землю небольших комет могут оставаться метеориты, но если они ледяные, то долго не сохранятся. Ну разве что в Антарктиде или в Гренландии…

Влетая в атмосферу Земли и двигаясь вниз, метеороид попадает во все более плотные слои атмосферы. Его скорость велика, плотность воздуха, который на него налетает, растет, и вещество начинает разрушаться, дробиться на осколки разного размера. Крупные фрагменты тормозятся долго, мелкие – быстро, и в результате на Земле образуется «эллипс рассеивания» – зона, «посыпанная» осколками. Эти эллипсы бывают весьма большими – 2–15 км. Так что даже если вы точно вычислили место падения метеорита, не так просто собрать все его осколки.

Долго сохраняются на поверхности Земли каменные и железные метеориты, которые считаются осколками астероидов. Иногда по траектории полета в атмосфере удается восстановить исходную орбиту соответствующего метеороида и понять, из какой области Солнечной системы он пришел. Химический и минеральный состав самого метеорита в некоторых случаях помогает выяснить, от какого астероида он откололся. А некоторые метеориты надежно определяются как осколки лунной и марсианской поверхности. Поэтому метеориты – бесценный дар для исследователей Солнечной системы. Им мы посвятим отдельную главу в будущих изданиях этих Лекций.

8. Приливы и отливы в морях и в Солнечной системе

Продолжим разговор о силах, действующих на небесные тела, и возникающих при этом эффектах. В этой лекции я расскажу о приливах и негравитационных возмущениях. Что это значит – «негравитационные возмущения»? Возмущениями обычно называют малые поправки к большой, главной силе. Таким образом, речь пойдет о каких-то силах, влияние которых на объект значительно меньше гравитационных.

Какие в природе бывают силы, кроме гравитации? Сильные и слабые ядерные взаимодействия оставим в стороне, они имеют локальный характер (действуют на крайне малых расстояниях). А вот электромагнетизм, как известно, намного сильнее гравитации и распространяется так же далеко – беспредельно. Но поскольку электрические заряды противоположных знаков обычно уравновешены, а гравитационный «заряд» (его роль играет масса) всегда одного знака, то при достаточно больших массах, конечно же, гравитация выходит на первый план. Так что реально мы будем говорить о возмущениях движения небесных тел под действием электромагнитного поля. Больше вариантов нет, хотя есть еще темная энергия, но она действует лишь на космологических (т. е. очень больших) расстояниях.

Как я рассказывал в одной из предыдущих лекций, простой ньютонов закон тяготения

очень удобно использовать в астрономии, потому что большинство тел имеют близкую к сферической форму и достаточно удалены друг от друга, так что при расчете их можно заменить точками – точечными объектами, содержащими всю их массу. Но тело конечного размера, сравнимого с расстоянием между соседними телами, все-таки испытывает разное силовое влияние в разных своих частях, потому что эти части по-разному удалены от источников гравитации, и это нужно учитывать.

Притяжение плющит и раздирает

Чтобы ощутить приливный эффект, проделаем популярный у физиков мысленный эксперимент: представим себя в свободно падающем лифте (рис. 8.1). Отрезаем веревочку, удерживающую кабину, и начинаем падать. Пока не упали, можем смотреть, что вокруг нас происходит. Подвешиваем свободные массы и наблюдаем, как они себя поведут. Сначала они падают синхронно, и мы говорим, что это невесомость, потому что все объекты в этой кабине и она сама ощущают примерно одинаковое ускорение свободного падения. Но со временем наши материальные точки начнут менять свою конфигурацию, потому что нижняя из них вначале была чуть ближе к центру притяжения, чем верхняя, поэтому нижняя, притягиваясь сильнее, начинает опережать верхнюю. А боковые точки всегда остаются на одинаковом расстоянии от центра тяготения, но по мере приближения к нему они начинают сближаться друг с другом, поскольку равные по модулю ускорения не параллельны. В результате система несвязанных объектов деформируется. Это и называют приливным эффектом.

Рис.8.1. Деформация системы несвязанных точек при свободном падении.

С точки зрения наблюдателя, который рассыпал вокруг себя крупу и смотрит, как перемещаются отдельные крупинки, пока вся система падает на массивный объект, можно ввести такое понятие, как поле приливных сил. Определим эти силы в каждой точке как векторную разницу гравитационного ускорения в этой точке и ускорения наблюдателя или центра масс, и если брать только первый член разложения в ряд Тейлора по относительному расстоянию, то получится симметричная картина (рис. 8.2): ближние крупинки будут опережать наблюдателя, дальние – отставать от него, т. е. система будет растягиваться вдоль оси, направленной на тяготеющий объект, а вдоль перпендикулярных ей направлений частицы будут прижиматься к наблюдателю.

Рис.8.2. Векторное поле приливных сил в точке А под действием объекта массой m.

Как вы думаете, что будет происходить при затягивании планеты в черную дыру? Тем, кто не слушал лекций по астрономии, обычно кажется, что черная дыра будет срывать вещество только с обращенной к ней поверхности. Они не знают, что почти столь же сильный эффект проявляется на обратной стороне свободно падающего тела, т. е. оно разрывается в двух диаметрально противоположных направлениях, а отнюдь не в одном.

Рис.8.3. Художник, не слушавший лекций по астрономии, нарисовал, как разрушалось бы крупное небесное тело при засасывании в черную дыру. В чем его ошибка?

Опасности открытого космоса

Чтобы показать, насколько важно учитывать приливный эффект, возьмем Международную космическую станцию. Она, как и все спутники Земли, свободно падает в гравитационном поле (если не включены двигатели). И поле приливных сил вокруг нее – это вполне ощутимая вещь, поэтому космонавт, когда работает на внешней поверхности станции, обязательно привязывает себя к ней, причем, как правило, двумя тросиками – на всякий случай, мало ли что может случиться (рис. 8.5). Окажись он непривязанным в том месте, где приливные силы оттягивают его от центра станции, он запросто может потерять с ней контакт. Такое часто бывает с инструментами, ведь все их не привяжешь. Если предмет выпал у космонавта из рук, то он уходит куда-то вдаль и становится самостоятельным спутником Земли.

Рис.8.4. Международная космическая станция в свободном полете над Землей.

План работ на МКС включает испытания в открытом космосе индивидуального реактивного ранца. И когда его двигатель отказывает, приливные силы уносят космонавта, и мы его теряем; имена пропавших без вести засекречиваются. Это, конечно, шутка: подобного происшествия пока еще, к счастью, не было. Но такое вполне могло бы произойти! И, возможно, когда-нибудь случится.

Рис.8.5. Согласно инструкции, при работе в открытом космосе обязательна двойная страховка.

Планета-океан

Вернемся к Земле. Это самый интересный для нас объект, и действующие на него приливные силы ощущаются вполне заметно. Со стороны каких небесных тел они действуют? Главное из них – это Луна, потому что она близко. Следующее по масштабу воздействия – Солнце, потому что оно массивное. Остальные планеты тоже оказывают некоторое влияние на Землю, но оно едва ощутимо.

Рис.8.6. Планета Земля, вид издалека.

Для анализа внешнего гравитационного воздействия на Землю планету обычно представляют в виде твердого шара, покрытого жидкой оболочкой (рис. 8.7). Это неплохая модель, поскольку у нашей планеты действительно есть подвижная оболочка в виде океана и атмосферы, а все остальное довольно твердое. Хотя земная кора и внутренние слои имеют ограниченную жесткость и немного поддаются приливному влиянию, их упругой деформацией можно пренебречь при расчетах эффекта, производимого на океан.

Если в системе центра масс Земли нарисовать векторы приливных сил, то получим вот такую картину: поле приливных сил вытягивает океан вдоль оси «Земля—Луна», а в перпендикулярной ей плоскости прижимает его к центру Земли (рис. 8.8). Таким образом, планета (во всяком случае, ее подвижная оболочка) стремится принять форму эллипсоида. При этом возникают две выпуклости (их называют приливными горбами) на противоположных сторонах земного шара: одна обращена к Луне, другая – от Луны, а в полосе между ними, соответственно, возникает впадина.

Рис.8.7. Модель для изучения приливных сил: сплошная жидкая оболочка на абсолютно твердой планете.

Более интересная вещь происходит в промежутке – там, где вектор приливной силы пытается сместить жидкую оболочку вдоль земной поверхности. И это естественно: если в одном месте вы хотите приподнять море, а в другом месте – опустить, то вам надо переместить воду оттуда сюда. И между ними приливные силы перегоняют воду в «подлунную точку» и в «антилунную точку».

Рис.8.8. Слева – приливные силы на поверхности сферы, вызванные влиянием массы М; в разных точках сферы показаны направления векторов силы и указана их абсолютная величина в относительных единицах (из книги Дж. Г. Дарвина «Приливы и родственные им явления в Солнечной системе», М.: Наука, 1965); справа – деформация океана под гравитационным влиянием Луны.

Количественно рассчитать приливный эффект очень просто. С одной стороны, гравитация Земли старается сделать океан шарообразным, с другой – приливная часть лунного и солнечного влияния стремится вытянуть его вдоль оси. Если оставить Землю в покое и дать ей возможность свободно падать на Луну, то высота выпуклости достигла бы примерно полуметра, т. е. океан приподнимается над своим средним уровнем всего-то на полметра. Если вы плывете на пароходе по открытому морю или океану, полметра – это неощутимо. Это называют статическим приливом.

Но чтобы создать в подлунной точке полуметровую выпуклость, нужно перегнать туда большое количество воды. А ведь поверхность Земли не остается неподвижной, она по отношению к направлению на Луну и на Солнце быстро вращается, делая полный оборот за сутки (а Луна по орбите идет медленно – один оборот вокруг Земли почти за месяц). Поэтому приливный горб постоянно «бегает» по поверхности океана, так что твердая поверхность Земли за сутки два раза оказывается под приливной выпуклостью и два раза – под отливным понижением уровня океана. Прикинем: 40 тысяч километров (длина земного экватора) в сутки – это 500 метров в секунду. Значит, эта полуметровая волна, типа мини-цунами, набегает на восточные побережья континентов в районе экватора со сверхзвуковой скоростью. На наших широтах скорость достигает 250–300 м/с – тоже довольно много: хоть волна и не очень высокая, за счет инерции она может создать большой эффект.

Почти на каждом экзамене мне попадается студент, который уверенно утверждает, что прилив происходит только на одной стороне Земли – на той, которая обращена к Луне. Как правило, такое говорит девушка. Но бывает, хотя и реже, что и юноши в этом вопросе заблуждаются. При этом в целом знания астрономии более глубокие у девушек. Любопытно было бы выяснить причину этой «приливно-гендерной» асимметрии.

Рис.8.9. Высота приливов меняется с периодом в две недели.

Второй объект по масштабу влияния на Землю – это Солнце. Оно в 400 раз дальше от нас, чем Луна, но в 27 млн раз массивнее. Поэтому эффекты от Луны и от Солнца получаются сравнимыми по величине, хотя Луна все же действует чуть сильнее: гравитационный приливный эффект от Солнца примерно вполовину слабее, чем от Луны. Иногда их влияние складывается: это происходит в новолуние, когда Луна проходит на фоне Солнца, и в полнолуние – когда Луна находится с противоположной от Солнца стороны. В эти дни – когда Земля, Луна и Солнце выстраиваются в линию, а происходит это каждые две недели – суммарный приливный эффект получается в полтора раза больше, чем только от Луны. А через неделю Луна проходит четверть своей орбиты и оказывается с Солнцем в квадратуре (прямой угол между направлениями на них), и тогда их влияния ослабляют друг друга. В среднем высота приливов в открытом море меняется от 25 до 75 см.

Морякам приливы известны давно. Что делает капитан, когда корабль сел на мель? Если вы читали морские приключенческие романы, то знаете, что он сразу смотрит, в какой фазе Луна, и ждет, когда будет ближайшее полнолуние либо новолуние. Тогда максимальный прилив может поднять корабль и снять его с мели.

Береговые проблемы и особенности

Приливы особенно важны для портовых работников и для моряков, которые собираются ввести свой корабль в порт либо вывести из порта. Как правило, проблема мелководья возникает вблизи берегов, и чтобы она не мешала движению судов, для входа в бухту прорывают подводные каналы – искусственные фарватеры. Их глубина должна учитывать высоту максимального отлива.

Если мы посмотрим в какой-то момент времени на высоту приливов и проведем на карте линии равной высоты воды (рис. 8.11), то получатся концентрические окружности с центрами в двух точках (в подлунной и антилунной), в которых прилив максимален. Если бы орбитальная плоскость Луны совпадала с плоскостью земного экватора, то эти точки всегда бы перемещались по экватору и за сутки (точнее – за 24^h 50^m 28^s) делали бы полный оборот. Однако Луна ходит не в этой плоскости, а близ плоскости эклиптики, по отношению к которой экватор наклонен на 23,4°. Поэтому подлунная точка «гуляет» также и по широте. Таким образом, в одном и том же порту (т. е. на одной и той же широте) высота максимального прилива, происходящего через каждые 12,5 часов, в течение суток меняется в зависимости от ориентации Луны относительно земного экватора.

Рис.8.10. Из-за вращения Земли точка A подвергается периодически меняющимся приливным силам. Стрелками показана горизонтальная проекция приливообразующей силы. Из книги Дж. Г. Дарвина «Приливы и родственные им явления в Солнечной системе», М.: Наука, 1965.

Рис.8.11. Изолинии статического прилива, когда Луна находится в зените на широте 15°. Из книги Дж. Г. Дарвина «Приливы и родственные им явления в Солнечной системе», М.: Наука, 1965.

Эта «мелочь» важна для теории приливов. Посмотрим еще раз: Земля вращается вокруг своей оси, а плоскость лунной орбиты наклонена к ней. Поэтому каждый морской порт в течение суток «обегает» вокруг полюса Земли, один раз попадая в область максимально высокого прилива, а через 12,5 часов – опять в область прилива, но менее высокого, т. е. два прилива в течение суток не равноценны по высоте. Один всегда больше другого, потому что плоскость лунной орбиты не лежит в плоскости земного экватора.