Приливы и отливы – периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.

Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня – стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря – условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже – во время отливов.

Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Причиной появления приливов является неоднородность гравитационного поля, в котором находится объект. Строго говоря приливные силы действуют на любой объект - будь он твердотельный, газообразный или жидкий. Однако влияние таких сил на жидкость наиболее заметно. Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно большую роль, чем массы тел.

Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли приблизительно в 89 раз больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.

Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30–60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной – обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.

Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива около 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.

Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.

Футшток – это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.

Поплавковый футшток. Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.

Гидростатический самописец уровня моря. На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.

Таблицы приливов. При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.

Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.

Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.

Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.

За счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм рт. ст., уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами).
 

Технологии для использования энергии приливов и отливов включают:

1. Плотина. Плотина обычно используется для преобразования энергии приливов и отливов в электричество путем проталкивания воды через турбины, которые активизируют генератор. Турбины и шлюзы устанавливаются вдоль плотины. Шлюзы открываются при соответствующей разнице между уровнем воды с обеих сторон плотины. После чего вода течет через турбины. Турбины заводят электрогенератор для производства электричества.

2. Приливно-отливное препятствие. Приливно-отливные препятствия выглядят как большой турникет. Они обычно устанавливаются через каналы между небольшими островами или над проливами. Турникет крутится с помощью прибрежных течений, которые в некоторых случаях двигаются со скоростью 5–8 узлов (9-14 км/ч) и генерируют такое же количество энергии, что и ветры, дующие с гораздо большей скоростью. Так как плотность воды больше, чем плотность воздуха, то течения океана несут больше энергии, чем ветры.

3. Приливно-отливная турбина. Приливно-отливные турбины выглядят так же, как и ветряные турбины. Они устанавливаются рядами под водой так же, как ветряные турбины. Турбины функционируют лучше всего при скорости подводных течений между 3.6 и 4.9 узлов (6.5 и 8 км/ч). При течении с такой скоростью турбина диаметром 15 м может генерировать энергию, равную энергии, генерируемой ветровой турбиной диаметром 60 м. Идеальное размещение для приливно-отливных турбин – близко к берегу на глубине 20–30 м.

Проблемы:
Приливно-отливные электростанции, ставящие плотины могут нарушить миграцию морских животных, а наносы за ними могут повлиять на местные экосистемы. Приливно-отливные препятствия также могут помешать передвижению морских животных. Новейшие приливно-отливные турбины скорее всего наносят наименьший вред окружающей среде, так как они не мешают морским животным.

Эксплуатация приливно-отливных электростанций не требует больших расходов, но их дорого строить и инвестиции возвращаются недостаточно быстро. Соответственно, стоимость киловатт-часа не составляет конкуренцию обычным электростанциям на ископаемом топливе.

 

В Северной Ирландии к Национальным энергосетям подключена первая в мире коммерческая приливная электростанция SeaGen мощностью 1,2 мегаватта, построенная компанией Marine Current Technologies.

Установка состоит из двух подводных турбин, извлекающих электричество из мощных приливно-отливных течений залива Стрэнгфорд Лоу. Инженеры компании говорят, что после того, как SeaGen заработает на полную нагрузку, ее мощность составит 1,2 МВт.

Принцип работы приливной электростанции сходен с работой ветрогенератора, только вместо ветра движителем турбин является подводное течение. Особенность таких установок – высокая предсказуемость режима работы, ведь в отличие от капризного ветра приливы и отливы постоянны. Это очень важно для интеграции в местные сети, испытывающие значительные суточные перепады уровня энергопотребления.

Роторы турбин SeaGen имеют 16 метров в диаметре и оптимальную скорость вращения 14 оборотов в минуту. По словам технического директора Marine Current Technologies Питера Френкеля (Peter Fraenkel), двухроторный дизайн установки диктуется небольшой глубиной моря. Лопасти роторов оснащены системой управления и могут поворачиваться, меняя угол атаки. Роторы, при необходимости, можно замедлять или вовсе останавливать для обслуживания.

Роторы закреплены на горизонтальной балке, установленной на четырехточечную опору. Опора может менять высоту над морским дном, поднимая установку для ремонта и обслуживания. Компания Marine Current Technologies не собирается останавливаться на достигнутом и планирует постройку 10,5-мегаваттной приливной электростанции на побережье Северного Уэльса в кооперации с одной из немецких компаний. По словам Френкеля, разработка системы уже началась, и в течение трех лет проект будет осуществлен.

Вспомним о том, что действующая на любое тело сила F_Sun притяжения к Солнцу всегда направлена к центру Солнца, а ее величина обратно пропорциональна квадрату расстояния до центра Солнца. Если тело не находится в центре Земли, то сила F_Sun притяжения к Солнцу, зависящая от положения тела, и всюду одинаковая сила инерции F_in = -ma_о уже не будут полностью уравновешивать друг друга. Из-за конечных размеров Земли эти две силы в любом месте на Земле не будут в точности равны по величине и противоположны по направлению, за исключением центра Земли. Совместное действие этих сил и называют приливной (или приливообразующей) силой.

Иными словами, в любом месте на Земле или вблизи Земли приливная сила - это векторная разность силы гравитационного притяжения тела к Солнцу в данном месте и силы притяжения к Солнцу, которую это тело испытывало бы, будучи помещенным в центр Земли. Пользуясь таким языком, при выводе выражений для приливных сил можно обойтись без использования неинерциальных систем отсчета и сил инерции: вместо векторного сложения силы притяжения к Солнцу и силы инерции в неинерциальной системе можно говорить о вычитании силы притяжения к Солнцу в данном месте и в центре Земли. Рассматривая ситуацию на Земле «со стороны», из гелиоцентрической инерциальной системы отсчета, мы можем ссылаться на обобщенный закон Галилея, согласно которому в одном и том же поле тяготения (в данном случае в поле тяготения Солнца) все тела падают с одинаковыми ускорениями. Земля в целом и все свободные тела на Земле приобретают под действием Солнца почти одинаковые ускорения. Именно потому здесь на Земле мы не особенно ощущаем вмешательство солнечного тяготения в наши земные дела. Малые различия между ускорением Земли как целого и земных тел возрастают при увеличении расстояний, на которых находятся тела от центра Земли, поскольку эти различия вызваны неоднородностью поля тяготения Солнца на протяжении земного шара.

Эти дифференциальные эффекты гравитации Солнца вызывают, в частности, малые возмущения геоцентрических околоземных орбит спутников: после совершения очередного витка спутник уже не возвращается в исходную точку геоцентрической системы отсчета. На поверхности земли эти же дифференциальные эффекты приводят к возникновению океанских приливов. Подчеркнем, что происхождение приливных сил обусловлено не самим по себе полем тяготения Солнца, а неоднородностью этого поля.

Рис.1 схематически иллюстрирует происхождение и свойства приливообразующих сил, вызванных Солнцем. Ускорение свободного падения Земли Е в поле тяготения Солнца S равно а₀ = GM_Sun/R², где M_Sun  - масса Солнца, а R - расстояние между центрами Земли и Солнца. Сила притяжения F_Sun к Солнцу некоторого тела (например, спутника Земли), находящегося в точке А, почти равна силе инерции F_in по величине, потому что расстояния от центра Солнца до тела и до центра Земли почти одинаковы. Однако в точке А направление силы F_Sun не в точности противоположно направлению силы инерции F_in= -ma_о. Поэтому результирующая этих сил, т.е. приливная сила F_A, точке А, отлична от нуля и направлена к центру Земли. Как видно из рисунка, ее величина равна ma_oβ где β = r/R - угол между направлениями на тело и на центр Земли из центра Солнца. Подставляя сюда а₀ = GM_Sun/R², для приливной силы в точке А получаем: