Main menu:

Приливы и Луна

Ньютон особенно гордился тем, что его теория тяготения успешно объясняет «приливы и отливы в морях» - этаЛуна проблема занимала и ставила в тупик Кеплера и Галилея. В «Диалогах о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой» Галилей излагает абсолютно неверную гипотезу океанских приливов, которые он объяснял как следствие совместного движения Земли вокруг оси и вокруг Солнца. Кеплер правильно связывал приливы с воздействием Луны, но не мог понять, как Луне удается одинаковым образом вспучивать море независимо от того, находится ли она «под ногами» или «над головой». Теория Ньютона позволила объяснить три основные закономерности, связанные с приливами:

1. Ритм приливов регулируется в основном Луной, а не Солнцем. В любой заданной точке высокие и низкие приливы происходят в один и тот же момент по лунному времени.

2. На протяжении лунных суток происходит один низкий и один высокий прилив. Высота двух следующих друг за другом (через лунные сутки) высоких приливов может отличаться очень сильно.

3. Разность высот у низких и высоких приливов достигает максимума в периоды новолуния или полнолуния. Эта разность минимальна, когда Луна находится в первой или третьей четверти.

Высота прилива заметным образом зависит от относительного положения Солнца и Луны. Когда центры Солнца, Земли и Луны лежат на одной прямой (т.е. когда Луна находится в полнолунии или в новолунии), солнечные и лунные приливные ускорения усиливают друг друга, в результате чего приливы в эти периоды максимальны (так называемые сизигийные приливы). Если же Луна находится в первой или третьей четверти, то солнечное и лунное приливные ускорения направлены перпендикулярно друг к другу и результирующий прилив (так называемый квадратурный прилив) имеет минимальную амплитуду.Точно так же, как в морах и океанах, Солнце и Луна возбуждают приливные колебания в земной атмосфере. В атмосфере солнечные приливы (с периодом, равным половине солнечных суток) имеют гораздо большую амплитуду, чем лунные (у которых период равен половине лунных суток), поскольку - совершенно случайно - резонансная частота колебаний самой атмосферы близка к 12 солнечным часам. Атмосфера ведет себя как гигантский резонатор, значительно усиливая периодические колебания, обусловленные приливным воздействием Солнца.

Луна и Солнце вызывают также приливы в земной коре. Амплитуда прилива зависит от упругости коры в рассматриваемой точке; таким образом, по величине локальной приливной деформации удается определять упругость земной коры.

Приливное ускорение, вызванное Солнцем, влияет на продолжительность лунного месяца. В точках, расположенных на лунной орбите, радиальная составляющая приливного ускорения направлена преимущественно наружу. Это приводит к уменьшению гравитационного ускорения, обусловленного Землей. Поскольку орбита Луны по форме близка к окружности, уменьшение гравитационного притяжения равносильно уменьшению эффективной массы Земли.

Приливные силы могут привести к разрушению естественных спутников планет. Сатурн создает приливное напряжение в коре своего спутника так же, как Луна создает приливное напряжение в земной коре. Поскольку с уменьшением расстояния между спутником и центром масс Сатурна приливное ускорение быстро возрастает, внутренние силы тяготения, удерживающие частицы спутника вместе, не смогут воспрепятствовать разрыву, если расстояние станет меньше некоторого предельного значения.

Соответствующая теория была разработана в 1850 г. французским математиком Эдуардом Рошем. Рош доказал, что «жидкий спутник» мог бы иметь одну и только одну равновесную конфигурацию, если бы спутник находился от планеты дальше некоторой определенной величины (так называемого критического радиуса Роша). Равновесная конфигурация представляет собой эллипсоид с тремя неравными осями, наибольшая из которых расположена вдоль линии, соединяющей центры спутника и планеты. Диаметр Сатурна составляет около 65 тыс. км. Для спутника с плотностью, равной средней плотности Сатурна, критический радиус Роша в 2,455 раза больше радиуса планеты, что составляет менее 150 тыс. км. Диаметр колец Сатурна (расстояние от центра планеты до внешней границы колец) равен примерно 136 тыс. км. Таким образом, кольца расположены внутри зоны, в которой вещество с плотностью, равной плотности Сатурна, не может слиться (даже за весьма длительный промежуток времени) в одно тело под действием самогравитации. Теория Роша правильно предсказывает, что кольца состоят из частиц, достаточно малых, чтобы противостоять разрушению химическими силами сцепления, т. е. силами, которые позволяют твердым телам сохранять свою форму. Критический радиус должен быть равен всего 88 тыс. км, т. е. величине, как раз соответствующей удаленности от планеты внутренней границы колец Сатурна. Таким образом, чтобы объяснить, почему частицы, образующие кольца Сатурна, не слились в крупные объекты, необходимо использовать более детальную теорию Роша.