XIX век
Весной 1804 г. песчаные бури в районе торгового центра Тимбукту в Западной Африке унесли жизни многих тысяч людей. Нигде не встретишь описания этой бури, потому что в живых не осталось никого. Например, караван из 2000 человек и 3000 верблюдов, который начал свой путь в оазисе Цагора, должен был достичь города Тимбукту через 52 дня. Однако произойти этому было не суждено. Караван сбился с пути и погиб.
12 марта 1812 г. произошло землетрясение в Венесуэле, почти полностью разрушившее город Каракас. 20 000 человек погибли.
1 февраля 1814 г. произошло извержение вулкана Майон на о. Лусон. Филиппины. Погибли более 2200 человек.
5-12 апреля 1815 г. во время извержения вулкана Тамборо (Тамбора) на о. Сумбава, Индонезия, погибло почти 4900 жителей. В воздух было выброшено, по приблизительным подсчетам, 1,7 млн т обломков.
19 (7) ноября 1824 г. в Санкт-Петербурге, Россия, произошел потоп. Вода в Неве поднялась на 410 см.
Событие в фокусе
В королевстве приливов
Хочу у моря я спросить,
Для чего оно кипит?Н. Заболоцкий
С тех пор как существует человечество, тайны моря волновали людей. И среди многих загадок – одна из самых интересных: почему с неумолимой регулярностью море то надвигается на берег, то отступает от него? Здесь мы расскажем, как от легенд и суеверий, возникших вокруг приливов в древности, люди перешли к изучению и объяснению этого интереснейшего явления природы. А также какую колоссальную роль сыграли приливы в истории человечества, какое место занимают они в современной жизни и какое будущее их ожидает.
На нашей планете приливы существовали задолго до того, как появились океаны. И даже до того, как образовалась Луна, которая отчасти управляет ими. Согласно одной из теорий, притяжение Солнца породило огромные приливы на поверхности Земли еще в те времена, когда она представляла собой расплавленную массу. В какой-то момент эти приливы стали настолько большими (поверхность Земли так далеко выпятилась в сторону Солнца), что часть расплавленной массы оторвалась и вихрем взвилась в космическое пространство. Так появилась Луна. И поверхность Земли тотчас же стала испытывать притяжение новорожденного небесного тела. В начале своего космического путешествия Луна была намного ближе к Земле, чем теперь. И надо думать, что в то время, когда земные испарения, сконденсировавшись во влагу, образовали океаны, приливы, порождаемые Луной, достигали огромной высоты. Они обрушивались на острова-континенты, меняя их очертания и вымывая из твердых земных пород соль и другие химические вещества, которые теперь содержатся в морской воде.
По мере того как Луна отдалялась от Земли, приливы слабели и наконец стали такими, какими мы наблюдаем их сегодня. Но и теперь они испытывают заметные колебания. Каждые несколько столетий расположение Земли, Луны и Солнца относительно друг друга повторяется, что обусловливает длительные приливные циклы: в сравнительно недавнем прошлом, где-то около 550 г. н. э., приливы были минимальны, в 1400 г. они достигли максимума, а следующий минимум ожидается примерно в 2400 г.
В наши дни, по мере того как Луна неуклонно отдаляется от Земли, приливы продолжают незаметно ослабевать. Одновременно приливное трение замедляет вращение Земли, вследствие чего с каждым столетием земные сутки удлиняются на доли секунды. Так будет продолжаться и дальше, и в невообразимо далеком будущем (через многие миллионы лет) лунные приливы исчезнут вовсе.
Первые сведения о приливах и первые теории
Одна из причин того, что мы так поздно получили первые сведения о приливах и так мало знаем о них и сейчас, состоит в том, что первые записи исторических фактов пришли к нам от древних египтян, греков и римлян. Эти цивилизации развивались на берегах Средиземного моря, где приливы почти незаметны.
Даже английское слово "tide", означающее "прилив", имеет весьма туманное происхождение. По-видимому, оно происходит от древнеанглийского "tid" или немецкого "zeit", а оба эти слова означают "время" или "относительно времени". Это наводит на мысль, что уже в древние времена люди подметили связь подъемов и спадов поверхности океана с фазами Солнца и Луны. У древних греков соответствующее слово означало отступление и наступление воды.
Первое упоминание о приливах относится приблизительно к 425 г. до н. э. и принадлежит перу древнегреческого историка Геродота, который, описывая некий залив у побережья Аравии (вероятно, Красное море), заметил: "Там каждый день отступает и наступает прилив". Полутора веками позже Пифей из Массилии, который отважился выйти за пределы не знающего приливов Средиземного моря и обогнуть Британские острова, заметил некую связь между приливами и Луной. Но ни Геродот, ни Пифей не дают объяснений этому странному явлению.
И только когда Плиний, великий римский натуралист и писатель, подарил древнему миру в 77 г. н. э. свою "Естественную историю", появилось точное описание приливов: "Многое было сказано о природе вод; но самое удивительное – это попеременное наступление и отступление приливов, проявляющееся по-разному, но всегда порождаемое Солнцем и Луной. Прилив дважды наступает и дважды отступает между каждыми двумя восхождениями Луны……
Так или иначе, но к началу христианской эры сам факт существования приливов и их очевидной связи с Луной был общепризнанным. Спустя 7 столетий Беда Достопочтенный, английский ученый, живший в эпоху раннего Средневековья, утверждал, что прилив и Луна связаны теснейшими узами: "И так же море следует за Луной не только в ее восходах и закатах, но и в ее неизменно чередующемся прибывании и убывании; прилив не только приходит нынче позже, чем накануне, как и она, но, как она, он то увеличивается, то уменьшается…"
Ньютон и закон всемирного тяготения
Первым мощным рывком к пониманию природы приливов стали опубликованные в 1687 г. "Начала" Исаака Ньютона, в которых великий математик и философ изложил свой закон всемирного тяготения.
Этот закон гласит, что все тела притягиваются друг к другу с силой, зависящей от их размеров и расстояния между ними, а еще точнее, что "каждые два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними".
Это означает, что каждое тело в пространстве притягивает любое другое тело. Чем они больше, тем сильнее притяжение; чем дальше они друг от друга, тем притяжение слабее.
Поскольку Луна и Солнце – наши ближайшие соседи в пространстве, приложение к ним закона тяготения наиболее показательно. Фактически Ньютон ограничил свое исследование главным образом гравитационными силами Солнца и Луны, которые в зависимости от положения их в пространстве воздействуют на воду и сушу на Земле. И суша, и вода испытывают на себе действие этих сил, но вода, будучи жидкой и более подвижной, реагирует на них сильнее.
Примем как факт, что приливы – результат притяжения океанов Солнцем и Луной. Но почему же приливы ведут себя столь своеобразно?
Например, почему в некоторых частях света бывает два прилива в сутки, а в других – только один? И почему даже там, где бывает два прилива в сутки, они иногда равны по высоте, а иногда совершенно различны?
Почему в одном конце Панамского канала в течение суток бывает два прилива высотой 3–3,5 м, а в другом его конце (всего в 50 км) – только один, и его высота не достигает даже 0,8 м?
Почему высота приливов в заливе Фанди (Новая Шотландия, Канада) достигает 15–20 м, а в Нантакете, всего в нескольких сотнях миль от залива Фанди, она составляет чуть более полуметра?
Все эти вопросы дают представление о том, сколько важных факторов не смог учесть Ньютон, создавший первую состоятельную теорию приливов.
Силы, возбуждающие приливы
Наши сегодняшние знания о приливах основываются на ньютоновом законе всемирного тяготения. Но поскольку Земля принимается в нем за целое тело, то в приложении к океану, являющемуся ее жидкой оболочкой, нам следует ввести поправку в формулировку этого закона. Для этого достаточно заменить всего лишь одно слово – вместо слова "квадрат" (расстояния между телами) поставить слово "куб". Этого требует небесная механика, наука настолько сложная, что лучше всего удовлетвориться адаптацией X. А. Мар-мера, согласно которой "приливообразующая сила небесного тела изменяется прямо пропорционально его массе и обратно пропорционально кубу расстояния от него".
Масса Солнца в 26 млн раз больше массы Луны. Если бы они находились на одинаковом расстоянии от Земли, сила притяжения Солнца превышала бы силу притяжения Луны в 26 млн раз.
Однако Луна в 389 раз ближе к Земле, чем Солнце. Если, следуя закону Ньютона, возвести это число в куб – т. е. дважды помножить его на самое себя, – то получится 59 млн. Сравнив это число с числом 26 млн, легко убедиться, что приливообразующая сила Луны превышает приливообразующую силу Солнца в 2 раза. Поэтому Луна является главным приливообразующим фактором, а Солнце – лишь второстепенным. Разумеется, теоретически все небесные тела должны оказывать некоторое влияние на земные приливы, но их размеры или удаленность делают это влияние незначительным.
Если бы вы оказались на острове посреди океана и Луна стояла бы прямо над вашей головой, вы бы находились в точке, где Луна сильнее всего воздействует на земную поверхность, притягивая к себе каждую ее частицу. Вода, будучи жидкой и подвижной, естественно, реагирует на это воздействие сильнее, чем "твердая" земля, хотя действие силы притяжения испытывают на себе все частицы. Вы сами стали бы чуть легче в результате этого притяжения. Сам ваш остров неощутимо переместился бы вверх к Луне, ибо земная кора испытывает притяжение Луны так же, как и вода. Ученые вычислили, что город Москва дважды в сутки поднимается и опускается на целых 40 см. Мы не замечаем подъемов Земли точно так же, как и ее вращения, потому что мы сами – часть этого движения.
Время и прилив
"Время и прилив не ждут никого". Это их общее свойство, недаром в английском языке слово "прилив" происходит от слова "время". Во всяком случае, они подчиняются одним и тем же законам, хотя на первый взгляд эти законы озадачивают.
Чтобы понять простейшее проявление влияния самой Земли на поведение приливов, обратимся к географии наших материков и океанов. Ранее мы установили, что вследствие гравитационного воздействия Земли на Луну последней труднее поднимать воды океанов, и поэтому движение, создаваемое лунными приливами, как правило, горизонтально. В открытом море это горизонтальное движение охватывает большую площадь, и здесь мы наблюдаем очень незначительные колебания. Но суша образует преграду этому движению. Мели, а кое-где выступы суши встречают приходящую приливную волну поднятием дна. Воде некуда деться, и высота прилива увеличивается. Поэтому именно у побережий приливы проявляются во всей своей мощи.
В бухту Мон-Сен-Мишель у побережья Бретани, где дно очень постепенно понижается в сторону моря на протяжении 18 км, прилив врывается со скоростью бегущего человека, вздымаясь вверх почти на 12 м. То же самое происходит в Бенгальском заливе и у многих побережий, где дно понижается постепенно.
Подобным образом, когда фронт приливной волны приближается к суживающемуся углублению в береговой черте, берег как бы сдавливает приливную волну с боков, и, поскольку это мешает ее продвижению вперед, она стремится вверх, отчего уровень полной воды значительно увеличивается. Так бывает, например, в заливе Фанди, где прилив попадает в суживающуюся плоскую воронку, так что в некоторых точках вершины залива уровень воды поднимается до поразительно больших высот – 15 м и более.
Однако, если вы посмотрите на глобус, то увидите, что географические точки, в которых приливы достигают наибольшей высоты, заметно различаются по широте, что опровергает одно из утверждений, а именно, что высота приливов уменьшается по мере приближения к полюсам. То же самое справедливо для приливов малой высоты у некоторых побережий. Причиной тому – другой фактор земного происхождения – собственные колебания бассейнов.
Собственные колебания океанских бассейнов
Не так-то просто понять, что такое собственное колебание. Тем не менее нам необходимо уяснить смысл этого понятия. В противном случае мы не поймем, что такое приливы.
Буквально колебание означает "движение то вперед, то назад или то вверх, то вниз". Что такое колебание в приложении к океанографии, можно проиллюстрировать следующим классическим примером.
Возьмите обычный таз для мытья посуды и налейте в него воду. Наклоните или потрясите его. Вода в тазу начнет раскачиваться, и ее движение будет напоминать качание маятника. Движение это будет продолжаться в определенном ритме и с определенной длиной волны еще долго после устранения первоначального импульса. Когда волнение наконец успокоится, попробуйте наклонить или толкнуть таз точно так же, как и в первый раз, и вся картина движения воды повторится в том же точно ритме и с той же длиной волны. Вы также заметите, что вода поднимается выше всего по краям таза, а в центре его остается неподвижной. Здесь приходит в голову простая аналогия с детскими качелями, когда доска высоко взлетает и низко опускается по краям, а в середине неподвижна. А теперь повторите этот опыт с каким-нибудь меньшим, но более глубоким сосудом. Произойдет то же самое: вода будет раскачиваться назад и вперед в одном и том же ритме. Но в меньшем резервуаре движение быстрее – формирующимся волнам приходится проделывать меньший путь, – и вы обнаружите значительные различия колебаний в двух разных сосудах.
Итак, из наших несложных опытов мы можем заключить, что в каждом водном бассейне существует собственный установившийся ритм колебаний и почти неподвижный центр, или "узел", колебаний. Это – "собственный период колебаний", называемый также "тоном", по аналогии с гитарной струной, продолжающей вибрировать на одной ноте, т. е. одной звуковой волне, еще долго после того, как ее задели.
Наши наблюдения за поведением воды в небольшом сосуде мы можем применить к приливам. Приливы постоянно тревожат и приводят в движение воды океанов. И каждый водный бассейн имеет свой собственный период колебаний, свой особый тон. Возвращаясь к нашему эксперименту, мы можем сравнить наш больший сосуд с Северной Атлантикой, а меньший – с Мексиканским заливом. И представьте теперь себе, как непрерывно раскачивается вода в каждом из этих водоемов в ритме, характерном для размеров и глубины каждого из них.
Ну а теперь нетрудно понять, что, если период колебаний совпадает с лунным периодом, т. е. если волна проходит свой путь назад и вперед за 12 часов вместе с лунной приливной волной, мы будем иметь усиление полусуточного прилива, как, например, в Северной Атлантике. Но (и это "но" очень существенно) новейшие исследования океанского дна показали, что Северная Атлантика, как и все остальные океаны, представляет собой не единый бассейн, а несколько отдельных океанских бассейнов. Мировой океан состоит из 45 главных бассейнов. Каждый из них имеет свой собственный период колебаний. В одних случаях собственный период колебаний бассейна совпадает с приливным периодом, в других – не совпадает. Период колебаний в океанском бассейне, примыкающем к заливу Фанди, точно совпадает с лунным периодом. Это еще одна причина, почему приливы в заливе Фанди (и в других зонах больших приливов) достигают необычайной высоты.
Все остальные явления, которые мы наблюдали в нашем эксперименте с тазом, приложимы, к океанам. Как и у краев таза, у берегов океана вода поднимается и спадает особенно заметно. И, по существу, нет никакого движения в центре, или узле, отчего и возникает поразительное различие между высотой приливов в разных местах. Так не знает приливов о. Таити, расположенный в узле колебаний Тихоокеанского бассейна.
Теперь предположим, что период колебаний какого-то моря не совпадает с лунным полусуточным периодом, а имеет совсем другую, скажем 24-часовую, продолжительность. В таком случае собственные колебания бассейна будут прежде всего отзываться на приливообразующие силы, имеющие точно такой же период. В результате полусуточные приливы будут относительно невелики.
Итак, мы обсудили четыре фактора, влияющие на приливы: 1) притяжение Солнца и Луны и изменение их положения; 2) центробежная сила; 3) очертания побережий континентов и 4) собственные колебания воды в различных океанских бассейнах. Все они вместе взятые и создают то сложное сочетание условий, которому обязано великое разнообразие приливов на нашей планете.
Цунами
Проснувшись утром 1 апреля 1946 г., жители Хило на о. Гавайи не поверили своим глазам: город был буквально перевернут вверх ногами. Дома лежали опрокинутые, дороги и пляжи исчезли, железнодорожный мост сдвинуло чуть ли не на 300 м вверх по течению, и по всей опустошенной местности валялись каменные глыбы весом по нескольку тонн.
Это был результат смещения дна океана, произошедшего на расстоянии 4000 км от Хило – в районе Алеутских островов. Этот толчок породил череду волн, которые промчались через Тихий океан со скоростью свыше 1100 км/ч, достигая высот от 7,5 до 15 м там, где они набегали на берег. Это явление многие называют "приливной волной".
Такие происшествия отмечаются с тех пор, как существует письменная история. Предполагается, что около 1500 г. до н. э. подобная волна затопила остров Крит в Эгейском море. Группа греческих и американских специалистов приступила к поискам древнего города Хелике в Коринфском заливе, который был затоплен в 373 г. до н. э. В 358 г. н. э. огромная волна накатилась на восточное побережье Средиземного моря, вышвырнув корабли на крыши домов Александрии и потопив несколько тысяч жителей этого города.
Термин "приливная волна" к таким случаям применять ошибочно. Явления, о которых мы сейчас упоминали, не могут считаться приливной волной. Они не вызваны ни Солнцем или Луной, ни какими-либо другими силами приливной природы. Они порождены подводным землетрясением, извержением вулкана или смещением земных пластов на дне океана. Волну, возникающую в результате этих причин, называют японским словом "цунами" (буквально означающим "большая волна в гавани").
Волны такого происхождения распространяются радиально из точки, где они возникли, с большими интервалами и с устрашающей скоростью. В то время как расстояние между обычными морскими волнами приблизительно 100 м, гребни волн цунами следуют друг за другом через 180 км и более, а иногда даже через 1200 км. Поэтому прохождение каждой такой волны сопровождается обманчивым затишьем. Когда первая волна в Хило схлынула, многие жители спустились к берегу, чтобы определить масштабы разрушений, – и были поглощены следующей волной.