潮汐原理及周期

周雙敏 湖南省師范大學(xué)附屬中學(xué)

潮汐原理及周期

周雙敏 湖南省師范大學(xué)附屬中學(xué)

潮汐是在地球上普遍存在的一種物理現(xiàn)象，是指海水在天體（主要是月球和太陽）引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性漲落的現(xiàn)象，習(xí)慣上把海面垂直方向的漲落稱為潮汐，而海水在水平方向的流動稱為潮流。本文簡要研究潮汐現(xiàn)象形成的基本原理及其周期分類。

潮汐現(xiàn)象 原理 周期

1 潮汐現(xiàn)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(xiàn)象：到了一定時間，海水推波逐瀾，迅猛上漲，達(dá)到高潮；過后一些時間，上漲的海水又自行退去，留下一片沙灘，出現(xiàn)低潮。如此循環(huán)重復(fù)，永不停息。海水的這種運動現(xiàn)象就是潮汐。法國文學(xué)稱之為“大海的呼吸”。

海水的這種運動現(xiàn)象很早就引起人們的注意，它與人類的關(guān)系非常密切。我國古代天文學(xué)家余靖在其著作《海潮圖序》中記載：“潮之漲落，海非增減，蓋月之所臨，則之往從”；哲學(xué)家王充在《論衡》中也提出“濤之起也，隨月盛衰”的現(xiàn)象，皆指出潮汐出現(xiàn)與月亮有關(guān)。直到17世紀(jì)80年代，英國科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律之后，提出了“潮汐是由于月亮和太陽對海水的吸引力引起”的假設(shè)，以此科學(xué)地解釋了潮汐產(chǎn)生的原因。2012年力學(xué)界出現(xiàn)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(zhǔn)確地解釋潮汐的成因。

2 潮汐形成原理

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(xué)看來，在非慣性系下，引潮力是月球的萬有引力和與之對應(yīng)的慣性力，還有太陽的萬有引力和與之對應(yīng)的慣性力等四種力的合力。

首先了解月球的作用。把地球和月球看作質(zhì)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(zhì)心圓做周運動，只是地球的圓周軌道小得多。（雙星的兩個質(zhì)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(zhì)點受到月球質(zhì)點的萬有引力正是地球質(zhì)點繞共同質(zhì)心做圓周運動的向心力，而此向心力對應(yīng)的慣性力與此向心力大小相等方向相反。所以地球質(zhì)點受月球質(zhì)點的萬有引力與這個慣性力相互抵消。

既然地球被看作質(zhì)點，就可以把地球上物體的運動軌跡和動力學(xué)規(guī)律看作與地球質(zhì)點完全一樣。這樣物體受的月球的萬有引力和與之對應(yīng)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(zhì)心做圓周運動的軌道半徑明顯小于地球質(zhì)點的軌道半徑，物體所受月球的萬有引力就會大于所受對應(yīng)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”是這里的海水，那么這里就會有漲潮發(fā)生。用同樣的方法研究離月球最遠(yuǎn)的地面上的物體，月球?qū)Υ颂幬矬w的萬有引力小于與之對應(yīng)的慣性力，它們的合力又是與地球?qū)Υ颂幬矬w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(yuǎn)的那部分海水同時也會有漲潮發(fā)生。這就使本應(yīng)是球形的海平面微微呈現(xiàn)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。這里不做詳細(xì)論述。

3 潮汐周期

由于地球、月球在不斷運動，地球、月球與太陽的相對位置在發(fā)生周期性變化，因此引潮力也在周期性變化，這就使潮汐現(xiàn)象周期性地發(fā)生。對應(yīng)于潮汐的生物周期活動，在海岸可以見到一般潮的漲落為12．4小時的周期，而最大潮和最小潮的潮期大約為半月（14．8日）等。

3.1 半日周期

在海岸可以見到一般潮的漲落為12．4小時的周期，一日之內(nèi)，地球上除南北兩極及個別地區(qū)外，各處的潮汐均有兩次漲落，一個太陽日內(nèi)出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，前一次高潮和低潮的潮差與后一次高潮和低潮的潮差大致相同，漲潮過程和落潮過程的時間也幾乎相等（6小時12．5分），及每次周期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后50分鐘。我國渤海、東海、黃海的多數(shù)地點為半日潮型，如大沽、青島、廈門等。

3.2 全日周期

一個太陽日內(nèi)只有一次高潮和一次低潮。如南海汕頭、渤海秦皇島等。南海的北部灣是世界上典型的全日潮海區(qū)。

3.3 半月周期

當(dāng)太陽、月亮、地球在一條直線上時，就產(chǎn)生大潮；當(dāng)他們成直角時，就產(chǎn)生小潮。最大潮和最小潮的潮期為時大約半月（14．8日）周期潮。

3.4 月周期

一月內(nèi)有些日子出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，但兩次高潮和低潮的潮差相差較大，漲潮過程和落潮過程的時間也不等；而另一些日子則出現(xiàn)一次高潮和一次低潮。我國南海多數(shù)地點，如榆林港，十五天出現(xiàn)全日潮，其余日子為不規(guī)則的半日潮，潮差較大。不論潮汐類型，在農(nóng)歷每月初一、十五以后兩三天內(nèi)，各要發(fā)生一次潮差最大的大潮，那時潮水漲得最高，落得最低。在農(nóng)歷每月初八、二十三以后兩三天內(nèi)，各有一次潮差最小的小潮，屆時潮水漲得不太高，落得也不太低。

4 結(jié)語

潮汐是因地而異的，不同的地區(qū)常有不同的潮汐系統(tǒng)，它們都是從深海潮波獲取能量，盡管潮汐很復(fù)雜，但具有各自獨特的周期特征，人們對任何地方的潮汐都可以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報，以及利用潮汐的力量。

[1]鄔紅濤，基于GPS技術(shù)的潮位觀測方法研究.[J].山東科技大學(xué)，2013年

[2]李長松，潮汐原理及其運用.[J].延邊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2013年（35）