Составители:
Рубрика:
Физика океанских приливов в компьютерных моделях
мения в объяснении роли приливного трения в замедлении осевых вращений и в эво-
люции орбитальных движений небесных тел, связанных гравитационным взаимодейст-
вием.
Чтобы максимально прояснить физические основы приливных явлений, в этом
учебном пособии мы предлагаем весьма простое, но вполне строгое описание приливо-
образующих сил. Затем предлагается теоретический расчет производимой этими сила
-
ми приливной волны, циркулирующей вокруг земного шара. При этом используются
упрощенные модели мирового океана в виде сплошной водной оболочки, полностью
покрывающей всю Землю слоем постоянной глубины, или заполненного водой канала,
опоясывающего земной шар по экватору. Для пояснения теоретических построений ав-
тором этого пособия разработана моделирующая компьютерная программа, дающая
наглядную динамическую
картину приливных сил и вызываемой этими силами стацио-
нарной приливной волны в открытом океане. Упрощенная версия программы в виде
интерактивных Java-апплетов (с необходимыми краткими пояснениями) [3] доступна
также в сети Интернет по адресу
www.ifmo.ru/butikov/Projects/TidesR0.html. Подчерк-
нем, что данное пособие и связанная с ним моделирующая программа нацелены на
максимально простое объяснение физических принципов, но не претендуют на исчер-
пывающее описание приливных явлений. Теоретическое количественное описание
приливов на Земле на основе первых принципов едва ли возможно из-за сложной
структуры береговой линии и рельефа дна мирового
океана, т.е. из-за чрезвычайной
сложности реальной динамической системы, реакция которой на хорошо известные
приливные силы и проявляется в природе как приливные колебания уровня моря у бе-
регов и приливные течения.
Пособие организовано следующим образом. Сначала приводится качественная
картина физического происхождения приливных сил на Земле, порождаемых тяготени-
ем Солнца и
Луны. При этом используется неинерциальная система отсчета, связанная
с Землей, но не участвующая в суточном вращении Земли вокруг собственной оси (не
вращающаяся геоцентрическая система отсчета). Затем обсуждается статическая (рав-
новесная) деформация поверхности океана под действием приливных сил. Далее мы
показываем, что полученные выражения для приливной силы в произвольной точке
земной
поверхности справедливы и при учете осевого вращения Земли, и обсуждаем
характер зависимости приливных сил от времени на вращающейся Земле. Показано,
что равномерное вращение системы приливных сил, конфигурация которой привязана
к видимому с вращающейся Земли положению приливообразующего тела (Луны или
Солнца), может быть представлено как суперпозиция двух квадрупольных систем ос-
циллирующих сил
. Оси симметрии этих систем осциллирующих сил неподвижны отно-
сительно Земли и образуют угол 45 градусов одна с другой. Каждая из двух систем ос-
циллирующих сил порождает вынужденное колебание океана в виде стоячей волны, в
которой поверхность воды принимает эллипсоидальную форму. Приливную волну,
циркулирующую вокруг Земли, можно трактовать как суперпозицию этих стоячих
волн. Затем мы обсуждаем кратко сложности наблюдаемой картины приливов, связан-
ные с отличием реальной системы от принятой упрощенной модели, а также роль при-
ливного трения в эволюции осевых вращений и орбитальных движений небесных тел.
Приливообразующие силы: элементарное описание
В дальнейшем мы разделяем задачу объяснения приливов на две части: сначала
мы обсуждаем происхождение и свойства приливообразующих сил, и лишь затем при-
ступаем к значительно более сложному вопросу воздействия этих зависящих от време-
ни сил на мировой океан, т.е. рассматриваем вынуждаемые приливными силами коле-
бания океана как динамической системы, которая
может совершать собственные коле-
бания. Отметим, что в литературе встречается немало недоразумений даже в связи с
3
