海洋潮汐的物理成因
2010-12-31 00:00:00占少安
物理教學探討 2010年7期
摘要:高中地理和物理中僅簡略地介紹了海洋潮汐現象，本文介紹海洋潮汐形成的具體過程和原因，供教師教學參考。
關鍵詞:海洋潮汐;引潮力;地球自轉;全日潮;潮波;共振
中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)7(S)-0058-2
海洋潮汐現象是海水運動的一種主要形式，海洋潮汐現象是指海水水面時而上漲時而下落，其漲落周期一般約為半天，有些區域有些時候漲落周期為一天，海洋潮汐是怎樣形成的呢?原來，海洋潮汐的形成與地、日、月三者之間的萬有引力與相對運動以及水的波動有關。
1 海洋潮汐的受力成因
海洋潮汐形成主要受太陽引潮力和月亮引潮力影響。
1.1 太陽引潮力
眾所周知，地球繞太陽公轉，地球繞太陽轉動所需向心就是太陽對地球的萬有引力提供。因為地球球體相對地日間距來說很小，因此，我們往往把地球視為質點，并有GMmr2=mω2r，即太陽對地球的萬有引力剛好提供地球繞日運行的向心力。但地球雖小，畢竟不是一個質點，中心質量物體Δm剛好滿足GMmr02=mω2r0(r0表示地球中心到太陽中心的距離)，但其它位置的質量物體Δm并不嚴格滿足。當r大于r0時，GMmr2
1.2 月亮引潮力
人們總是說:“月亮繞地球轉”，地球對月亮的引力提供月亮繞地所需的向心力，但是月亮對地球的引力呢?原來地球和月亮其實是一對雙星，相互繞一個共同的質量中心旋轉，它們相互作用的萬有引力都提供它們繞這個共同中心旋轉所需要的向心力。而根據計算可知，這個中心大大地偏向于地球，離地球球心只有4671公里，位于地面下1700公里的地方，離地心約為地球半徑的0.733倍。地球所受月亮對其引力正提供地球繞該中心轉動所需向心力。和太陽引潮力類似，地球上各點的質量物體只有地球中心的質量物體滿足萬有引力等于向心力，其它各點的質量物體所受萬有引力都可分為兩部分:一部分提供向心力，一部分就是月亮引潮力。而且通過計算，月亮引潮力的大小一般為太陽引潮力的2.18倍，當然，除了太陽、月亮之外，其它星球在地球上也有類似的引潮力，但非常小可以忽略。
2 海洋潮汐的運動成因
在太陽引潮力和月亮引潮力的共同作用下，地球將被拉成一個橢球。橢球的長軸在兩個力的合作用方向( X軸)上，如圖3，那么地球表面海水將涌到兩長軸端，使兩端海平面上漲而中間海水下落，使海水高低分布不同。地球如果不自轉，海水不會出現周期性漲落。但事實上地球在繞Y軸自西向東轉動，如圖赤道上A點它一天內轉動一周必定經過長軸的兩個端點，因而A點必定一天發生兩次海平面的漲落。同樣的， 地球上各處海洋都將每天漲落兩次，只不過赤道上海水漲落幅度更大，而越往兩極漲幅越小。
2.1 大潮和小潮
海洋潮汐是由地、日、月的相互作用和相對運動形成的，因此潮汐漲幅將受三者相對位置影響。當農歷月初和月末，月亮轉動地球與太陽中間，此時月亮引潮力和太陽引潮力在同一方向上作用，從而使潮汐漲幅最大，稱為大潮。當然，每月十五、十六，月亮轉到與太陽相對一面時，太陽引潮力與月亮引潮力也在同一方向上作用。也使漲幅最大也稱為大潮。反之，當每月初七、八和二十二、二十三的時候，月亮在地日聯線的兩側，與聯線垂直，此時，太陽引潮力和月亮引潮力作用剛好相反，因為月亮引潮力約為太陽引潮力的兩倍，因此，合作用在月亮引潮力方向上，但此時漲幅最小，稱為小潮。
2.2 全日潮
由于地、日、月三者復雜的運動關系，地球自轉轉軸常常與合引潮力方向并不垂直(如圖4)，此時除赤道外其它處潮汐每天的兩次潮汐漲幅不等，而且在靠近兩極會出現每天只有一次漲落的全日潮。
3 海洋潮汐的波動成因
海洋海水在引潮力作用下由于地球自轉，使海水發生流動，整個地球表面的海水有些位置由于水體流失水面下降，從而形成峰和谷，并且峰和谷在不斷移動，我們把海水這種運動稱之為潮波。潮波在不斷移動過程中將受海底地形，岸形等影響。例如，在半封閉的海灣處，如果潮波的波動周期等于海灣固有振動周期時，將發生共振，使潮差增大;如北美芬地灣，南海全日潮。再例如，喇叭形海灣，潮汐由廣闊的海面傳到狹窄的海灣，受地形限制，潮波能量越來越集中，使潮頭升高，形成涌潮;如我國浙江的錢塘怒潮。
海洋潮汐是一個非常復雜的天文與地理現象，經過人類自古到今幾千年的了解與認識，人類已經從各個角度對它有深刻的認識，并對它在農田水利、航運、捕撈、大地測量、軍事、能源等諸多方面已加以利用。如果同學們對它有興趣，請查閱相關資料[1]。
參考文獻:
[1]陳宗鏞，甘子鈞，金慶祥.海洋潮汐.北京:科學出版社，1979
(欄目編輯 王柏廬)
