Издавна люди считали, что морские приливы связанны с Луной. Луна притягивает воду Мирового океана, и в том месте океана, над которым находится Луна, образуется водяной «горб». Горб «стоит» под Луной, а Земля вращается вокруг своей оси; поднявшаяся вода «наползает» на берег — наступает прилив, вода отступает — отлив. Казалось бы, такое объяснение выглядит вполне естественно. Однако признать его удовлетворительным нельзя: из него следует, что приливы должны наблюдаться один раз в сутки, а в действительности они бывают каждые 12 часов, т.е. два раза в сутки.
Первую теорию приливов, объясняющую это явление, создал Ньютон вскоре после открытия закона всемирного тяготения. В океане действительно образуются два горба: один — у ближайшей к Луне поверхности воды, а другой — с противоположной стороны Земли (рис. 1). Обсудим подробнее причину возникновения второго горба.
Мы привыкли говорить, что Луна вращается вокруг Земли. На самом же деле и Луна и Земля вращаются вокруг общего центра. Если бы этого вращения не было, то под действием силы притяжения Луна упала бы на Землю (точнее, Земля и Луна упали бы друг на друга — ведь Луна тоже притягивает Землю). Как же происходит это вращение? Представим себе, что массы Земли и Луны одинаковы. Тогда они будут двигаться вокруг точки, которая лежит на середине отрезка, соединяющего их центры. Теперь давайте мысленно «наращивать» массу Земли. Тогда центр вращения будет смещаться в сторону Земли. Поскольку масса Земли гораздо больше массы Луны (в 81 раз), то центр вращения C оказывается лежащим внутри земного шара (но он обязательно смещен относительно центра Земли O).
Это вращение существенно влияет на картину приливов. Вода отступает от центра вращения. (Нечто подобное происходит в стакане воды, когда, размешивая воду ложкой, вы приводите ее во вращение, — вода отходит от центра стакана и поднимается у краев.) На дальней от Луны стороне Земли, где наименьшая сила притяжения, образуется водяной горб.
Конечно, приведенное нами объяснение приливов является весьма упрощенным. Мы не принимали во внимание неравномерность распределения воды по поверхности Земли, не учитывали влияния сил притяжения к Солнцу и других факторов, способных существенно изменить описанную картину. Однако ответ на главный вопрос мы получили: притяжение к Луне и вращение Земли вокруг общего с Луной центра C приводят к образованию двух приливных горбов в океане.
А теперь самое время объяснить принцип действия лунного тормоза. Оказывается, что водяные горбы находятся не на линии, соединяющей центры Земли и Луны (как для простоты показано на рисунке 1), а несколько смещены в сторону (рис. 2). Происходит это по следующей причине. Земля, вращаясь вокруг своей оси, увлекает за собой и воду в океане (это происходит потому, что существует трение). В результате этого по мере поворота Земли в приливные горбы должны вовлекаться все новые и новые массы воды. Деформация, однако, всегда запаздывает по отношению к вызывающей ее силе (ведь сила создает ускорение, и должно пройти какое-то время, чтобы частицы приобрели скорость и сместились на заметные расстояния). Поэтому точка максимального поднятия воды (вершина горба) и точка на линии центров, где на воду действует максимальная сила притяжения к Луне, не совпадают. Образование горба происходит с некоторым запаздыванием, и он смещается в сторону вращения Земли. А в таком случае, как видно из рисунка 2, сила притяжения Луны к воде уже не проходит через центр собственного вращения Земли и как бы стремится «повернуть» ее в противоположную сторону, иными словами — тормозит ее вращение. Длительность суток каждодневно увеличивается!
«Лунный тормоз» безотказно работает уже многие миллионы лет. У окаменевших кораллов, живших в океане около 400 миллионов лет назад, ученые обнаружили структуры, связанные с суточным и годичным ростом кораллов. Структуры эти назвали суточными и годичными кольцами. Когда кольца подсчитали, то оказалось, что на каждый год приходится 395 суточных колец. Продолжительность года, т.е. времени, за которое Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, с тех пор, по-видимому, не изменилась. Значит, тогда — 400 миллионов лет назад — в сутках было только 22 часа!
Лунный тормоз продолжает работать и сейчас, увеличивая длительность суток. К чему это может привести в отдаленном будущем? В конце концов время обращения Земли вокруг своей оси может сравняться со временем обращения Луны вокруг Земли, и тогда торможение прекратится. Земля будет обращена к Луне всегда одной стороной, точно так же, как обращена к нам одной стороной Луна (попробуйте сами объяснить, почему это произошло). Длительность суток на Земле увеличится, и в результате может измениться климат. Земля будет долго оставаться обращенной к Солнцу одной стороной, а на другой стороне в это время будет господствовать долгая ночь. Горячий воздух с нагретой стороны с огромной скоростью устремится к холодной, на Земле задуют сильные ветры, поднимутся песчаные бури...
Но такой прогноз может и не сбыться — ведь эти возможные времена столь далеки, что предсказать все изменения, которые произойдут в системе Земля — Луна — Солнце, просто невозможно. А если такая картина и окажется реальной, то люди обязательно придумают, как предотвратить бедствие.
Источник: «Квант» №8 1987 год
