Урок 19 · Энергия: происхождение и использование Не начат
Главная идея. Наклон оси объясняет смену времён года, а притяжение Луны объясняет приливы — один из немногих источников энергии, которые не берутся от Солнца.
Прежде чем спрашивать, откуда берётся энергия, которую мы используем, стоит посмотреть, где мы находимся. На этом уроке мы ненадолго покинем планету.
Земля — третья планета системы из восьми планет, вращающихся вокруг общей звезды. В этой звезде сосредоточено более 99 % всей массы Солнечной системы: всё остальное, включая планеты, — это то, что осталось.
| Путь | Расстояние | Сколько идёт свет |
|---|---|---|
| Земля – Луна | 384 400 км | 1,3 секунды |
| Земля – Солнце | 150 000 000 км (1 а. е.) | 8 минут 20 секунд |
| Солнце – Нептун | 30 а. е. | чуть больше 4 часов |
| Солнце – ближайшая звезда | 268 000 а. е. | 4,2 года |
Обычно удивляет последняя строка. Чтобы пересечь всю Солнечную систему, свету нужно несколько часов; чтобы дойти до соседней звезды — больше четырёх лет. Солнечная система не велика: это точка, окружённая пустотой.
Подсказка: эти 8 минут 20 секунд — не просто отдельный астрономический факт. Они означают, что Солнце, которое ты видишь, — не сегодняшнее Солнце, а Солнце восьмиминутной давности. И ещё они означают, что вся энергия, приходящая на планету, шла сюда именно столько времени.
На каждый квадратный метр, расположенный над атмосферой и обращённый к Солнцу, приходит около 1361 Вт. Это значение называется солнечной постоянной, и именно с ним мы составляли энергетический баланс на уроке 9.
Не везде приходит одинаково, и по двум причинам, которые не нужно путать:
Что происходит
Вблизи экватора лучи падают почти перпендикулярно, и вся их энергия распределяется на небольшой площади. Вблизи полюсов они падают очень наклонно, и та же энергия рассеивается на гораздо большей площади.
Результат
На экваторе теплее, чем на полюсах. И не потому, что он «ближе к Солнцу»: разница в расстоянии ничтожна.
Что происходит
Ось вращения не перпендикулярна плоскости орбиты: она наклонена на 23,5°. В течение года каждое полушарие попеременно оказывается то больше обращённым к Солнцу, то больше отвёрнутым.
Результат
Времена года. Когда здесь лето, южное полушарие получает лучи более прямо, и день длиннее.
Подумай, прежде чем открыть: в начале января Земля ближе к Солнцу, чем в начале июля. Однако в январе в Европе зима. Как это объяснить?
Потому что времена года вызывает не расстояние, а наклон оси. Разница в расстоянии между январём и июлем — около 3 %, и это меняет получаемую энергию лишь примерно на 7 %. Это очень мало по сравнению с тем, как меняется угол падения лучей.
Самое ясное доказательство — то, что времена года в двух полушариях противоположны. Если бы решало расстояние, в январе было бы лето на всей планете одновременно.
Луна притягивает Землю, и притягивает сильнее с той стороны, которая к ней ближе, чем с дальней стороны. Эта разница невелика, но океан — жидкость, и он деформируется: образуются два водяных горба, один со стороны Луны и другой с противоположной стороны.
Так как Земля делает один оборот вокруг своей оси в сутки, любая точка побережья проходит через оба горба: поэтому каждые чуть больше 24 часов бывает две полные и две малые воды. Полный цикл длится 24 ч 50 мин, а не ровно 24 ч, потому что пока Земля вращается, Луна тоже немного продвигается по своей орбите.
Солнце тоже вызывает приливы, гораздо более слабые, чем лунные, хотя его масса огромна, потому что оно намного дальше. Когда Солнце и Луна выстраиваются на одной линии с Землёй — в новолуние и в полнолуние, — оба эффекта складываются, и приливы самые большие за месяц: это сизигийные приливы. Когда они находятся под прямым углом, в первой и последней четверти, эффекты частично вычитаются, и приливы самые маленькие: это квадратурные приливы.
Подсказка: реальная высота прилива зависит ещё и от формы берега. В открытом море разница меньше метра; в сужающемся заливе вода «запирается» и может подниматься гораздо выше. У побережья провинции Санта-Крус одна из самых больших амплитуд приливов в мире — более десяти метров между полной и малой водой.
Приливная электростанция перекрывает устье эстуария плотиной и пропускает воду через турбины — сначала когда прилив поднимается, затем когда отступает. Самая известная — Ранс во Франции, работающая с 1966 года, с установленной мощностью около 240 МВт.
В Аргентине изучались проекты в заливе Сан-Хосе и в районе Санта-Крус, но их так и не построили: сооружение очень дорогое, а воздействие на эстуарий огромное.
Подумай, прежде чем открыть: все источники энергии, которые мы до сих пор рассмотрели, так или иначе берутся от Солнца. Откуда берётся энергия приливов?
Из вращения Земли. Трение воды о морское дно, когда она движется туда и обратно с приливом, очень медленно тормозит вращение планеты, и именно эта энергия вращения в итоге превращается в движение воды и в теплоту.
Это измеримо: сутки удлиняются примерно на 1,7 миллисекунды за столетие. Это не та величина, которая изменит тебе время начала уроков, но накопленная за сотни миллионов лет она огромна. 400 миллионов лет назад сутки длились около 22 часов.
Значит, приливы — один из немногих источников энергии, которые не берутся от Солнца. Запомни эту мысль: на следующем уроке мы увидим, какие источники ещё.
Луна притягивает Землю, но не с одинаковой силой везде: ближнюю сторону она притягивает сильнее, чем дальнюю. Эта разница невелика, но океан — жидкость, и он деформируется.
В результате слой воды перестаёт быть круглым и вытягивается, образуя два противоположных горба: один со стороны Луны и другой с противоположной стороны. На этих двух концах полная вода; в двух промежуточных зонах — малая вода.
Второй горб, с противоположной стороны, — то, что труднее всего представить интуитивно, и именно он объясняет, почему полных вод две, а не одна. Так как Земля вращается вокруг своей оси, любая точка побережья проходит через оба горба за каждый оборот. Полный цикл длится 24 часа 50 минут, а не ровно 24, потому что пока Земля вращается, Луна тоже немного продвигается по своей орбите.
Солнце тоже вызывает приливы, гораздо слабее лунных, потому что оно намного дальше. Когда Солнце и Луна выстраиваются на одной линии с Землёй, в новолуние и в полнолуние, оба эффекта складываются: это сизигийные приливы, самые большие за месяц. Когда они под прямым углом, в первой и последней четверти, эффекты частично вычитаются: это квадратурные приливы, самые маленькие.
Остаётся вопрос: откуда берётся энергия, которую использует приливная электростанция? Не от Солнца, потому что приливы бывают и ночью. Она берётся из вращения Земли. Трение воды о морское дно, когда вода ходит туда и обратно, тормозит вращение планеты.
И это измеряется: сутки удлиняются примерно на 1,7 миллисекунды за столетие. В геологических масштабах это очень много; четыреста миллионов лет назад сутки длились около двадцати двух часов.
Поэтому приливы — один из немногих источников энергии, которые не восходят к Солнцу. Два других — ядерная и геотермальная энергия.
Источники анимации: NOAA, Tides and Currents, «Tides and Water Levels» — цикл приливов, сизигия и квадратура; Stephenson и Morrison (1995) — удлинение суток. Схема, не в реальном масштабе: ни размеры, ни расстояния между Землёй и Луной не соблюдены.
Найди таблицу приливов аргентинского порта на любую неделю. Их публикует Servicio de Hidrografía Naval (Гидрографическая служба ВМС Аргентины).
Напиши ответ, разделённый на три части.
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…
