Теория приливов

Последнее явление, связанное с Луной и отраженное в трудах Лапласа, — океанические приливы и отливы. Приливная волна дважды в сутки поднимается и затопляет берега прибрежных местностей. Во внутренних морях эта волна невелика, но в устьях рек, впадающих в океан, она позволяет даже глубоко сидящим судам заходить далеко вверх по течению. Дважды же в сутки волна прилива спадает и уступает место отливу, когда корабли должны спешно выходить из реки обратно в море, чтобы не сесть на мель. Все чаще и чаще говорят о необходимости и даже пробуют использовать практически колоссальную энергию приливов. Все это требует возможности предсказывать время наступления приливов и их высоту.

Но приливы изменчивы и капризны. Высота их на берегах открытого океана в зависимости от разных условий колеблется от 50 см до 21 м, да и время их наступления чередуется по сложному закону. Даже в одной и той же местности высота и время приливов сильно меняются.

Ньютон указал, что приливы и отливы вызваны различием в притяжении Луной и Солнцем более близких к ним и более далеких частей водной оболочки Земли (рис. 7). Все же Ньютон был очень далек от придания теории приливов формы, способной удовлетворить запросы мореплавания.

Луна, находясь на одной прямой с Солнцем и Землей (в новолуния и полнолуния), увеличивает высоту приливов, действуя совместно с Солнцем. Во время первой и последней четвертей Луны она всегда видна с Земли под прямым углом к Солнцу, поэтому притяжение Солнца уменьшает прилив, вызванный Луной. Лунный прилив становится небольшим в той точке Земли и в то время, где и когда Луна видна в зените, т. е. прямо над головой. Однако из-за сложности лунного движения положение этой точки на Земле все время меняется. Если еще вспомнить о непрерывных изменениях расстояния между Землей, Луной и Солнцем и о многочисленных возможных комбинациях в их взаимном расположении, то можно получить некоторое представление о трудностях, с которыми сталкивается даже чисто астрономическая теория приливов.

Рис. 7. Схема приливов, вызываемых Луной (L) в водной оболочке Земли (Т)

Д. Бернулли, Эйлер и Маклорен тщетно пытались создать теорию, сколько-нибудь годную для практических нужд. Они создали так называемую статическую теорию приливов, допуская для простоты расчетов, что поверхность воды в каждый данный момент мгновенно принимает фигуру равновесия под действием приложенных к ней приливных сил. При этом считалось, что земной шар целиком покрывает океан одинаковой глубины и что вода идеально подвижна... Конечно, эти предположения не соответствуют действительности.

Лаплас подошел к проблеме совсем по-новому и создал динамическую теорию приливов. Из всех сил, действующих на воду по направлению к Луне, Лаплас принял во внимание только силы, касательные к поверхности воды, так как лишь они играют в явлении приливов серьезную роль. Эти силы на рис. 8 изображены стрелками и заставляют воду образовывать на Земле два горба, направленные к Луне M и от нее. (Солнце действует точно так же, но вызываемые им приливные силы вдвое меньше, чем в случае Луны.) В полосе этих выпуклостей (А и В на рис. 7) и находятся приливы, которых, как мы видим, одновременно бывает два на противоположных сторонах земного шара. В остальных частях Земли (D и С на рис. 7) происходит отлив.

Лаплас вынужден был также допустить для упрощения теории, что океан равномерно окружает всю Землю и имеет одинаковую глубину. Поэтому его теория скорее применима к островам, а не к берегам материков. Новизна исследований Лапласа заключалась главным образом в том, что он изучал, какую форму должна принять водная поверхность под действием так называемых вынужденных колебаний, т. е. колебаний всей водной массы под действием приливных сил.

Очень подробные изыскания проделаны Лапласом для различных глубин в океанах и сравнены с многолетними наблюдениями приливов в порту Бреста.

Результаты, полученные Лапласом, не дали практикам того удовлетворения, которого они ожидали, но и сейчас нельзя еще предсказывать приливы на основе одной лишь чисто астрономической теории. Однако теоретическое значение работы Лапласа огромно и гораздо шире, чем задача предсказания приливов. Будущая теория, окончательно разрешая этот вопрос, не обойдется без упоминания имени Лапласа. Вот что сказал о нем на рубеже XX столетия лучший знаток теории приливов Джордж Дарвин: «Именно он (Лаплас) впервые выяснил всю трудность вопроса и показал, что вращение Земли является важнейшим фактором в решении задачи. Современная постановка вопроса о явлении приливов всецело дана Лапласом... Среди всех великих научных работ, трактовавших этот вопрос, выделяется, во-первых, работа Ньютона, а за ним мы должны сейчас же поставить Лапласа. Какие бы оригинальные и важные труды по теории приливов в будущем ни появлялись, все они неизбежно должны основываться на выводах этих великих людей».

Рис. 8. Объяснение явления приливов по Лапласу

Лаплас сам прекрасно знал, в чем состоит основная трудность практического применения теории приливов. Океаны не покрывают Землю сплошь. Берега материков препятствуют движению воды вслед за перемещением Луны. Глубина морей и океанов различна, и дно очень неровно. Это создает трение, тормозящее движение воды и даже вращение Земли в целом. Учесть все эти влияния, даже если бы был точно известен рельеф океанского дна и его геологический состав, — дело непосильное и для современной науки. Тем не менее теория приливов и приливного трения была применена к объяснению того, как родились Луна и двойные звезды, каково далекое будущее их и системы Земля — Луна. Недаром проблеме приливов большое внимание уделил Ф. Энгельс в «Диалектике природы».

Вместе с тем Лаплас был первым, рассмотревшим приливы в земной атмосфере. Своими исследованиями он рассеял убеждение, что Луна влияет своим притяжением на показания барометра.