海洋潮汐的原理及周期

王天譽(yù)

摘 要：海水的豎直漲落稱為潮汐。人類在遠(yuǎn)古時(shí)期就已經(jīng)觀察到了潮汐現(xiàn)象。直到牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律后，才對(duì)潮汐現(xiàn)象作出了科學(xué)的解釋。本文闡述了潮汐產(chǎn)生的原因，及其周期規(guī)律，希望對(duì)科學(xué)原理的普及作出些微的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：潮汐;萬(wàn)有引力;引潮力;周期

人類對(duì)潮汐現(xiàn)象的研究由來(lái)已久。東漢時(shí)期，我國(guó)唯物主義哲學(xué)家王充在《論衡》一書中提到“濤之起也，隨月盛衰，大小滿損不齊同”。余道安《海潮圖序》也提到“潮之漲落，海非增減，蓋月之所臨，則之往之”。北宋燕肅著《海潮論》，繪制《海潮圖》。《海潮論》論述了海潮形成的原因。他指出，“日者眾陽(yáng)之母，陰生于陽(yáng)，故潮附之于日也;月者，太陽(yáng)之精，水者陰，故潮依之于月也。是故隨日而應(yīng)月，依陰而附陽(yáng)。中國(guó)古人已經(jīng)意識(shí)到潮汐現(xiàn)象與月球有關(guān)。在古代的西方，柏拉圖認(rèn)為地球與人一樣，也會(huì)“呼吸”，潮汐現(xiàn)象是地球的呼吸作用產(chǎn)生的。在17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，并用引潮力解釋了潮汐現(xiàn)象，得到了世界的認(rèn)可。之后伯努利建立了潮汐靜力學(xué)，拉普拉斯建立了潮汐的靜力學(xué)。后來(lái)在達(dá)爾文和開爾文等開學(xué)家的努力下，形成了潮汐學(xué)。潮汐形成的原因還和其他因素有關(guān)，本文只考慮萬(wàn)有引力對(duì)海潮的影響。

一、潮汐形成的原理

我們假定地球表面全部被海水均勻覆蓋。太陽(yáng)和月球以及其他行星對(duì)地面的海水都有引力的作用。我們把天體對(duì)地面海水的引力稱為引潮力。牛頓萬(wàn)有引力定律指出，物體之間的萬(wàn)有引力與兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與兩者之間的距離成反比。月球質(zhì)量雖然比太陽(yáng)質(zhì)量小的多，但是月球與地面海水的距離比較近，實(shí)際上月球?qū)Ｋ囊ψ畲?，大約是太陽(yáng)對(duì)海水引力的2倍。其他行星的引潮力要小得多，幾乎可以忽略。

1.月引潮力對(duì)潮汐的影響

海水主要受到地球引力、月球引力和慣性離心力的作用。在這三種引力的作用下，地面海水的高度出現(xiàn)不同。在地球的近月點(diǎn)，月引潮力與海水慣性離心力同向，海水的漲幅最高。在地球的遠(yuǎn)月點(diǎn)，慣性離心力方向與月引潮力方向相反，由于慣性離心力的作用大于月引潮力的作用，海水還是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大漲幅。我們把海潮的漲落的高度差稱為潮差。地球遠(yuǎn)月點(diǎn)的潮差低，近月點(diǎn)潮差高。在地球近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)海水形成高潮。在垂直于地心月心連線的方向上，海水所受引力的合力幾乎指向地心，海水被拉低，形成低潮。整個(gè)地球上的海水，形狀類似紡錘體。

2.日引潮力對(duì)潮汐的影響

日引潮力大約是月引潮力的二分之一。日引潮力對(duì)海水的影響與月引潮力相似，但效果沒(méi)有那么明顯。海水受到太陽(yáng)的引潮力指向太陽(yáng)。在日地連線上，地球靠近太陽(yáng)的一點(diǎn)，以及遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一點(diǎn)，海水在日引潮力的作用下會(huì)有兩個(gè)凸起。而在日地連線的中垂線上海水比較低。在地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，地球與太陽(yáng)之間的距離會(huì)發(fā)生變化，日引潮力的大小也會(huì)隨著發(fā)生變化。近日點(diǎn)潮差比較大，遠(yuǎn)日點(diǎn)潮差比較小。

二、大潮與小潮

當(dāng)日月地三者共線，月球位于日地之間時(shí)，日引潮力與月引潮力方向相同，合力較大，形成大潮，潮差最大;地球位于日月之間時(shí)，日引潮力與月引潮力方向相反，相互抵消，形成小潮，潮差較小。

1.潮汐的周期

潮汐的周期是一個(gè)復(fù)雜的課題，它與引潮力、流體阻力、水波震動(dòng)、地形特點(diǎn)等因素有關(guān)。本文主要考慮潮汐周期與萬(wàn)有引力的關(guān)系。

2.半日潮

有些港口，海水每天漲落兩次。早上稱為“潮”，晚上稱為“汐”。在月引潮力作用下，地球海水形成紡錘體狀。由于地球的自轉(zhuǎn)，地球繞月一晝夜經(jīng)過(guò)兩次高潮兩次低潮。一次漲落經(jīng)理的時(shí)間約為12小時(shí)25分鐘。半日潮港口一般分布在低緯度地區(qū)。我國(guó)黃海、渤海、東海的多數(shù)港口為半日潮型，如青島、廈門、大沽等。還有一些地區(qū)具備半日潮屬性，但是周期不等，相差較大，我們稱之為不正規(guī)半日潮。

3.全日潮

全日潮是指一個(gè)太陰日內(nèi)，只有一起潮水的漲落。在半個(gè)月內(nèi)，有連續(xù)7天出現(xiàn)全日潮，就可以成為全日潮型港口。全日潮的成因與共振有關(guān)，我國(guó)的北部灣地區(qū)是典型的全日潮區(qū)。還有一些地區(qū)，半個(gè)月內(nèi)不足7天會(huì)出現(xiàn)全日潮，其余幾天為半日潮，我們稱之為不正規(guī)全日潮混合潮。

4.月潮

月球繞地公轉(zhuǎn)的周期為27.3天，由于公轉(zhuǎn)，地日月三者位置關(guān)系會(huì)發(fā)生變化。月球在一個(gè)自然月里面會(huì)經(jīng)過(guò)一次大潮區(qū)，一次小潮區(qū)，形成月潮。

5.年潮

地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道也是一個(gè)橢圓，周期為一年。地球每年經(jīng)過(guò)一次近日點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一次遠(yuǎn)日點(diǎn)。這樣在近日點(diǎn)則會(huì)出現(xiàn)機(jī)大潮。例如我國(guó)錢塘江的怒潮。蘇軾說(shuō)：“八月十八潮，壯觀天下無(wú)”。

結(jié)束語(yǔ)：潮汐作為一種循環(huán)往復(fù)的漲落現(xiàn)象，是太陽(yáng)和月亮引潮力作用下的周期性運(yùn)動(dòng)，蘊(yùn)含著豐富的能量，并與人類的社會(huì)生活產(chǎn)生著極其密切的關(guān)系。探索潮汐現(xiàn)象的成因以及周期規(guī)律，對(duì)于更好地開發(fā)和利用這一自然資源，充分服務(wù)航務(wù)交通、漁業(yè)、鹽業(yè)、水產(chǎn)、軍事等生產(chǎn)活動(dòng)具有重要意義。作為新時(shí)代的學(xué)子，我們不僅要努力學(xué)習(xí)書本上的知識(shí)，更要有積極探索的精神，深入專研社會(huì)生活中蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)，為推進(jìn)社會(huì)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)國(guó)家的繁榮富強(qiáng)貢獻(xiàn)自己的力量。

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