Луна и лунные приливы

При перемещении тела от поверхности Земли к её центру сила притяжения вначале возрастает до глубины 30 км, а затем убывает, обращаясь в нуль в центре Земли. В одной и той же точке сила тяжести также непостоянна и периодически изменяется. Главный период таких колебаний близок к половине суток. Это происходит от возмущающего притяжения Луны и Солнца.

Луна движется вокруг Земли, но следует уточнить, что Луна и Земля движутся вокруг общего центра тяжести системы (барицентра). Поскольку масса Земли в 81 раз превышает лунную массу, то барицентр находится под поверхностью земного шара на глубине примерно 1500 км. Лунная орбита имеет форму эллипса: расстояние между Землей и Луной изменяется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Сила притяжения Луны нашей планетой составляет 2∙10¹⁶ т, орбитальный период – 27,3 суток. Причину регулярных фаз или изменения внешнего облика Луны легко объяснить. Когда Луна находится на одной линии между Землей и Солнцем, мы её не видим. Это фаза новолуния. Когда мы видим весь освещенный диск – это полнолуние. Луна и Земля вместе движутся вокруг Солнца, поэтому интервал между новолуниями составляет 29,5 суток. Период вращения Луны в точности совпадает с её орбитальным периодом.

Рис. 2.7. Схема лунного прилива

Основное воздействие Луны на Землю связано с приливами (рис. 2.7). Представим, что наша планета покрыта океаном, а Земля и Луна стоят неподвижно. В точках А и В происходят высокие приливы, в точках С и D – отливы. Лунное тяготение заставляет воду собираться в точке А, где оно является наиболее сильным. Сила тяготения воздействует и на сушу, но горные породы более вязкие, поэтому эффект прилива в породах менее значительный.

Приливы вращаются вместе с Землей и не сохраняют свое положение «под Луной». Приливы медленно смещаются по поверхности Земли, следуя за Луной. Таким образом, каждый прилив будет огибать Землю один раз в сутки. В целом на каждый участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.

Солнце тоже создает приливы, но они гораздо слабее лунных приливов, потому что оно в 400 раз дальше от Земли. Когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой и «тянут» в одном направлении (во время новолуния и полнолуния), приливы достигают наивысшей силы. Это так называемые сизигийные приливы. Во время первой и последней четверти приливы бывают слабее.

Схема приливной эволюции системы Земля-Луна базируется на факте, что из-за сил приливного трения постепенно изменяются динамические характеристики системы. Факт «векового» замедления вращения Земли был установлен давно: каждые 50 000 лет земные сутки увеличиваются на 1 секунду.

Ускорение силы тяжести постепенно увеличивалось за счёт замедления Луной скорости вращения Земли. При вращении Земли более быстром, чем обращение Луны, угловое перемещение приливной деформации опережает угловое перемещение Луны по орбите. Вращение Земли смещает выпуклость прилива вперед, ускоряя орбитальное движение Луны. Поэтому гравитационное взаимодействие между Луной и приливной деформацией гидросферы и литосферы ускоряет орбитальное движение Луны и тормозит вращение Земли. Земля 2 млрд. лет назад вращалась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.

Причина замедления скорости вращения Земли – лунно-солнечные приливы. Расчётные величины ускорений силы тяжести на Земле в прошлом были примерно следующими: 120 млн лет назад – 6,8 м/с²; 240 млн лет назад – 4,7 м/с². Этот тезис подтверждается характером развития животных и растений.

Жившие на суше 150 млн лет назад брахиозавры имели массу 55 тонн. При современной силе тяжести такие массивные животные были бы раздавлены собственным весом. По критерию прочности костей на сжатие такие животные могли перемещаться при значении ускорения силы тяжести не более 5 м/с². Только при таких значениях силы тяжести могли существовать летавшие гиганты с размахом крыльев до 7 м и массой до 40 кг. Системы жизнеобеспечения и скелеты гигантов не выдержали борьбы с возрастающей гравитацией. Эти гигантские виды животных исчезли в юрскую эпоху.

Увеличение силы тяжести сказалось и на развитии флоры. Например, травянистые растения достигали в ту пору огромных размеров. По мере возрастания силы тяжести гигантские папоротники и другие травы погибли.

Луна движется все быстрей, смещаясь на более отдаленную от Земли орбиту. Скорость удаления Луны составляет 4 см/год. Описанный диссипативный процесс выведет Землю на режим вращения, когда на один оборот вокруг оси понадобится 40 суток, а в точке апогея Луна при этом будет отстоять от Земли на 2 млн. км.

Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. В начале января Земля достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий суммарная приливообразующая сила Солнца и Луны достигает максимума. Видимо, не случайно максимальная сейсмичность приходится на зимний период. Например, с 1946 по 1963 годы на Кавказе произошло 867 землетрясений, из которых на весну пришлось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 землетрясения.

Оценки показывают, что твердое внутреннее ядро Земли также совершает вынужденные перемещения от 0,4 до 11,6 м с цикличностью 27,3 суток. Когда Луна или Солнце располагаются под углом 90^о к первоначальной точке наблюдения, прилив спадает, и наступает отлив. Замечательно то, что когда светило окажется с противоположной стороны Земли относительно первоначальной точки, в ней снова начинается прилив. Такое явление обусловлено тем, что при движении по орбите Луна вызывает смещение центра масс системы Луна-Земля. Больше всего сместятся массы, для которых Луна в зените Z, меньше – центральные массы, и еще меньше – массы, для которых Луна в надире N.

Наибольший подъём земной поверхности под возмущающим действием Луны достигает 36,6 см, наибольшее опускание – 17,8 см. Таким образом, максимальная амплитуда вызванных Луной колебаний земной поверхности составляет 53,4 см. Для возмущений от Солнца наибольший подъем равен 16,4 см, наибольшее опускание – 8,2 см.

Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет максимальную амплитуду 52 см, а на широте 50^о – 40 см. Таким образом, Земля непрерывно пульсирует. Эти перемещения очень медленные: 4 см/ч. Для широты Москвы относительное изменение высот на расстоянии 40 км составляет всего 3 мм. Океанические приливы в некоторых областях Земли достигают нескольких метров.

Средняя мощность внешнего силового воздействия на Землю характеризуется следующими величинами: Луны – 1,2х10¹³ Вт, Солнца – 10¹² Вт. На перестройку мантии приливные силы могут расходовать мощность порядка 4х10¹¹ Вт. Если преобразовать всю приливную энергию в твердой части Земли в тепло, то современный вклад приливного трения составит около 12% от наблюдаемого теплового потока, поступающего из глубин Земли. Приливная эволюция системы Земля-Луна приводит к существенным изменениям условий на поверхности и внутри Земли, преобразующих лик Земли, меняющих климат и характер осадконакопления.

Приливная сила «разрабатывает» дефекты среды, подверженные её воздействию. В этом смысле она подобна вибрации, которая работает на протяжении всей геологической истории Земли.По материалам наблюдений в высоких широтах в период полярной ночи ход атмосферного давления повторяет ход изменения приливных сил. Отсюда следует, что и сейсмическая активность, и атмосферные процессы зависят от приливного воздействия.

Под действием приливных сил полая сферическая оболочка деформируется в вытянутый эллипсоид вращения с главной осью, направленной на Луну. Из этой модели следует, что оболочка земной коры находится в постоянно поддерживаемом извне знакопеременном напряженном состоянии; основная периодичность изменения напряженного состояния близка к половине суток. Согласно оценкам, напряжение на экваторе, вызванное приливной волной, изменяется в диапазоне 5000 Па/цикл.

Правильнее рассматривать земную кору не как сплошную среду, а как блоковую модель, как оболочку, имеющую нарушения сплошности, наследованные земной корой за геологическую историю. При прохождении приливной волны в системе блоков остается некоторая необратимая деформация. Если напряжение полусуточной приливной волны оценить как 5000 Па за цикл, то для накопления напряжения 1,0 МПа, характеризующего сильное землетрясение, потребуется время порядка 75 – 100 лет. Подобная оценка допускает возможность механизма закачки сейсмической энергии приливными силами.

Приливы непрерывно подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору. Приливная энергия накапливается в земной коре в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия. Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым. В какой-то момент происходит сейсмический срыв и переупаковка блоков – их переход в новое равновесное состояние.

В отдельные годы сильные землетрясения происходят почти по графику полнолуний и новолуний. Однако строгой системы здесь не прослеживается. Например, из последних 271 сильных землетрясений только 132 (49%) приурочены к сизигиям. Солнечные и лунные приливы постоянно «массируют» земную кору и содержащиеся в недрах флюиды.