История изучения физики прилива

История изучения физики прилива 1

Самым знаменитым местом на Земле с точки зрения приливов и отливов является остров-гора Сан-Мишель в Нормандии: в одни и те же сутки к нему можно как подойти пешком по дну морскому, так и, убежав от «галопирующей» 15-метровой волны, любоваться отражением аббатства в водной глади. Из-за этого Монт-Сан-Мишель до сих пор называют «восьмым чудом света». Хотя наука уже давно выяснила, что применительно к планете Земля приливной эффект является причиной смещения гравитационного поля Земли в сторону массы Луны. И даже научилась это «чудо» использовать для выработки электроэнергии!

Еще Гай Юлий Цезарь в «Записках о Галльской войне» связывал необычно высокий прилив у берегов Британии с наступившим новолунием – не преминув заметить, что до этого момента связь новолуния с высотой прилива римлянам не была известна.

Иезуит Хосе де Акоста в своём труде «Естественная и нравственная история Индии», изданном в Севилье в 1590 году, собрал доказательства связи отливов и приливов с фазами Луны: он указал, что период приливов, происходящих дважды в сутки, отличается на 3/4 часа от солнечных суток и что известна также месячная периодичность приливов. Кроме того, он добавил новое доказательство: приливы на обоих берегах Панамского перешейка происходят практически одновременно. Великий испанец назвал приливы «одной из замечательных тайн Природы».

Немецкий астроном Иоганн Кеплер, который пришёл на основании своих наблюдений над планетами к идее всемирного тяготения, выдвинул гипотезу о том, что именно гравитация Луны является причиной приливов: «Когда Луна находится непосредственно над Атлантическим, так называемым Южным, Восточным или Индийским океаном, то она притягивает воды, омывающие земной шар. Не встречая на своем пути континентов, воды со всех сторон устремляются к обширному участку, находящемуся прямо под Луной, а берега при этом обнажаются. Но пока воды находятся в движении, Луна успевает переместиться и не располагается более прямо над океаном, в силу чего масса воды, бьющая в западный берег, перестает испытывать действие лунного притяжения и обрушивается на восточный берег».

Не зная точного закона всемирного тяготения, Кеплер не смог создать количественную теорию приливов. Первым сделал это Исаак Ньютон, используя доказанный им закон всемирного тяготения и свои законы механики. Эта теория объяснила, почему и лунные, и солнечные приливы происходят по два раза в сутки. Но теория приливов Ньютона была очень грубой, приблизительной, она не учитывала много факторов. Когда Ньютон попытался с её помощью рассчитать массу Луны, он получил величину, примерно в два раза отличающуюся от современного значения.

В 1740 году Королевская академия наук в Париже объявила конкурс на лучшую теорию приливов. Приз разделили швейцарцы Даниил Бернулли и Леонард Эйлер и шотландец Колин Маклорен. Каждый из них по-своему улучшил теорию Ньютона: например, Маклорен в сочинении «De causa physica fluxiis et refluxiis maris» учёл силу инерции, рассматривая движение материальной точки относительно вращающейся системы отсчёта. Сейчас она называется силой Кориолиса; добавление её к действующим на материальную точку физическим силам позволяет учесть влияние вращения системы отсчёта на такое движение.

В 1799 году Пьер-Симон Лаплас в своей книге «Небесная механика» (именно Лаплас ввёл этот термин) выдвинул совершенно другую математическую теорию приливов, хотя и основанную на ньютоновской механике. Несмотря на то, что теория Лапласа разработана в упрощающем предположении, что океан покрывает ровным слоем всю Землю, эта теория получила результаты, очень близкие к результатам наблюдений и измерений. Позже теорию Лапласа улучшили Уильям Томсон (лорд Кельвин) и Анри Пуанкаре. В дальнейшем другие авторы уточняли теорию приливов, учитывая наличие материков, форму океанского дна, течения, ветры и другие факторы.

История изучения физики прилива 2
Строительство электростанции Ля Ранс на открытке

Изучение физики прилива дошло на современном этапе до того, что во Франции, Великобритании, Канаде, Китае, Индии, США и РФ действуют с 1960-х годов приливные электростанции (ПЭС). Первая, «Ля Ранс» (La Rance), была построена в 1966 году в эстуарии реки Ранс в Северной Бретани. Она имеет самую большую в мире плотину, длина которой составляет 800 м. Имеет 24 турбины общей мощностью 240 МВт. Плотина также служит мостом, по которому проходит высокоскоростная трасса, соединяющая города Сен-Мало и Динард. У Сен-Мало на берегу Ла-Манша отмечают самые высокие на европейском континенте приливы (до 13,5 м). Здесь приливная волна фокусируется береговой чертой полуостровов Корнуолл (Англия) и Котантен (Франция). А высочайшие на Земле приливы (15,6-18 м) наблюдаются в бухте Фанди восточного побережья Канады между Нью-Брансвиком и Новой Шотландией. Примерно такие же приливы и в заливе Унгава на севере Квебека.

История изучения физики прилива 3
Сихвинская ПЭС (фото Arne Müseler / arne-mueseler.com / CC-BY-SA-3.0)
История изучения физики прилива 4

С 2009 года крупнейшей ПЭС мира является южнокорейская Сихвинская ПЭС на Жёлтом море: её мощность составляет 254 МВт. Другие известные ПЭС – британская СиДжен, канадская Аннаполис (с 1985 года, 20 МВт), норвежская Хаммерфест и ПЭС у острова Рузвельта в Нью-Йорке (Roosevelt Island Tidal Energy, сокращённо RITE Project). Построенная в начале 2000-х RITE является бесплотинной ПЭС и состоит из турбин, которые заякорены на грунте пролива и используют приливно-отливные течения. Так как Ист-Ривер не река, а пролив между Лонг-Айлендом и заливом Нью-Йорка, по причине малости поперечного сечения и приливно-отливных течений скорость течения в нём может достигать 2,7 метра в секунду

История изучения физики прилива 5
Макет Кислогубской ПЭС в Политехническом музее (Москва)

В России c 1968 года действует экспериментальная Кислогубская ПЭС в Кислой губе на побережье Баренцева моря; на 2009 год её мощность составляла 1,7 МВт. На этапе проектирования находится Северная ПЭС в губе Долгая-Восточная на Кольском полуострове мощностью 12 МВт. В советское время также были разработаны проекты строительства ПЭС в Мезенской губе (мощность 11 ГВт) на Белом море и в Тугурском заливе (мощностью 8000 МВт) на Охотском море. Самые высокие приливы в РФ случаются на Пенжинской губе Охотского моря: до 12,9 м. Это точка самых высоких приливов на всём Тихом океане в целом. Проектная мощность Пенжинской электростанции 87 ГВт – соответственно, в случае реализации проекта она могла бы стать самой мощной электростанцией в мире.

Преимуществами ПЭС являются экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками же – высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли кинетическая энергия её вращения (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10−14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения (~2⋅10−5 с в год).

Добавить комментарий