潮汐現象

潮汐現象

凡是到過海邊的人們,都會看到海水有一種周期性的漲落現象:到了一定時間,海水推波逐瀾,迅猛上漲,達到高潮;過後一些時間,上漲的海水又自行退去,留下一片沙灘,出現低潮。如此循環重複,永不停息。海水的這種運動現象就是潮汐。法國文學稱之為“大海的呼吸”。地球上的潮汐現象並不限于海洋,大氣和固體地殼都有。但是,最明顯的潮汐現象發生在海洋。海洋潮汐有多方面的因素,其中,最基本的因素是天文因素。本節主要說明的是海洋天文潮汐。

簡介

潮汐現象潮汐現象
潮汐現象的特點是每晝夜有兩次高潮,而不是一次,“晝漲稱潮,夜漲稱汐”。簡而言之“潮”指白天海水上漲,“汐”指晚上海水上漲,不過通常我們往往將潮和汐都叫做“潮”。

天文意義

潮汐現象是指海水在天體(主要是月球和太陽)引潮力作用下所產生的周期性運動,習慣上把海面垂直方向漲落稱為潮汐,而海水在水平方向的流動稱為潮流。

與人類的關係

潮汐是所有海洋現象中較先引起人們注意的海水運動現象,它與人類的關係非常密切。海港工程,航運交通,軍事活動,漁、鹽、水產業,近海環境研究與污染治理,都與潮汐現象密切相關。尤其是,永不休止的海面鉛直漲落運動蘊藏著極為巨大的能量,這一能量的開發利用也引起人們的興趣。

形成原因

潮汐現象潮汐現象
有下面這樣一個事實:在任何時刻,圍繞地球的海平面有兩個突出的部分,在理想情況下漲潮在地表面離月球最近和最遠的地方發生。如果說潮汐是月球的引力造成的,在離月球最近的地方海水隆起是可以理解的,但為什麼在遠離月球的地方海水也隆起?如果說潮汐是萬有引力現象,似乎應該與質量平方成正比,與距離立方成反比。太陽的質量比月球大2.7×105倍,而太陽到地球距離的平方只比月球到地球距離的平方大1.5×105倍,兩者相除,似乎太陽對海水的引力比月球還應該大180倍,為什麼月球對潮汐起主要作用?這些通過分析計算來加以說明。
隨著人們對潮汐現象的不斷觀察,對潮汐現象的真正原因逐漸有了認識。我國古代余道安在他著的《海潮圖序》一書中說:“潮之漲落,海非增減,蓋月之所臨,則之往從之”。哲學家王充在《論衡》中寫道:“濤之起也,隨月盛衰。”指出了潮汐跟月亮有關係。到了17世紀80年代,英國科學家牛頓發現了萬有引力定律之後,提出了潮汐是由於月亮和太陽對海水的吸引力引起的假設,科學地解釋了產生潮汐的原因。
2012年力學界出現了新穎的確切定義,即重力是萬有引力與慣性力的合力。用重力的新定義能準確地解釋潮汐的成因。在不考慮其他星球的微弱作用的情況下,月球和太陽對海洋的引潮力的作用是引起海水漲落的原因。引潮力又是怎樣的一種力呢?在物理學看來,在非慣性系下,引潮力是月球的萬有引力和與之對應的慣性力,還有太陽的萬有引力和與之對應的慣性力等四種力的合力。有的資料提到“離心力”也是引潮力的分力之一,物理學中有離心現象的提法,卻沒有“離心力”的概念和定義。不過“離心力”的本意正是慣性力。
只用月球的引力作用解釋不了,為什麼漲潮現象同時發生在地球離月球最近的海面和離月球最遠的海面這兩個區域,從而使球形的海平面變成紡錘體形,如圖。同樣太陽的引力也是如此。截止到2012年,物理學界出現了最新穎的重力概念和定義。定義的內容是:“在靜力學範圍內,以放置物體的支撐物或物體自身為非慣性參照物,重力是物體所受各萬有引力與各慣性力的合力。”該定義能成功地解釋潮汐成因。這裡要注意的是,在把各星球看做質點的情況下,求地面上物體的重力時,只有地球對物體的萬有引力和與物體隨地球自轉的向心力對應的慣性力參加運算,其他各星球的萬有引力都和與之對應的慣性力抵消了。詳細論述請看重力詞條潮汐的形成原因如下:先說月球的作用。把地球和月球看做質點,說月球繞地球做圓周運動,實際上是月球和地球都繞二者的共同質心圓做周運動,只是地球的圓周軌道小得多。(雙星的兩個質量相近的星球的圓周軌道近似相等)以地心為非慣性參照物,地球質點受到月球質點的萬有引力正是地球質點繞共同質心做圓周運動的向心力,而此向心力對應的慣性力與此向心力大小相等方向相反。所以地球質點受月球質點的萬有引力與這個慣性力相互抵消。既然地球被看做質點,就可以把地球上物體的運動軌跡和動力學規律看做與地球質點完全一樣。這樣物體受的月球的萬有引力和與之對應的慣性力相互抵消。實際上地球的體積很大,在離月球最近的地面上的物體,繞地、月共同質心做圓周運動的軌道半徑明顯小於地球質點的軌道半徑,物體所受月球的萬有引力就會大於所受對應的慣性力,這兩個力不能再抵消,其合力與物體受地球的萬有引力方向相反,使物體的重力明顯變小。如果所說的“物體”是這裡的海水,那么這裡就會有漲潮發生。用同樣的方法研究離月球最遠的地面上的物體,月球對此處物體的萬有引力小於與之對應的慣性力,它們的合力又是與地球對此處物體的萬有引力方向相反,也是使物體的重力明顯變小。所以在離月球最遠的那部分海水同時也會有漲潮發生。這就使本應是球形的海平面微微呈現出紡錘體形狀。研究太陽對潮汐的作用,與研究月亮作用的方法相同。如果認為地球繞太陽的中心做圓周運動,問題就簡單了。這裡不做詳細論述。由於月球和太陽的共同作用,使潮汐現象變得複雜。
由於地球、月球在不斷運動,地球、月球與太陽的相對位置在發生周期性變化,因此引潮力也在周期性變化,這就使潮汐現象周期性地發生。一日之內,地球上除南北兩極及個別地區外,各處的潮汐均有兩次漲落,每次周期12小時25分,一日兩次,共24小時50分,所以潮汐漲落的時間每天都要推後50分鐘。生活在海邊有經驗的人,大都能推算出潮汐發生的時間。

相關遐想

許多學者都探討過這一問題,提出過一些假想古希臘哲學家柏拉圖認為地球和人一樣,也要呼吸,潮汐就是地球的呼吸。他猜想這是由於地下岩穴中的振動造成的,就像人的心臟跳動一樣。我國晉朝有人則認為,海水的定期漲落是因為有一條無比巨大的海生動物定期出入海宮而造成的。

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