潮汐有什么现象？
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发布时间：2022-04-22 03:19
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时间：2023-07-29 21:42
海洋天文潮汐
地球上的潮汐现象并不限于海洋，大气和固体地壳都有。但是，最明显的潮汐现象发生在海洋。海洋潮汐有多方面的因素，其中，最基本的因素是天文因素。本节主要说明的是海洋天文潮汐。
503潮汐现象
§503—1海面的潮汐涨落
海水在一天内有二次涨落。我国古时把发生在午前的一次海水上涨称为潮，午后的一次叫做汐。按字面分析，取其“朝”潮“夕”汐之意，合称潮汐。
从一地的潮汐现象看来，涨潮就是海面上升，落潮就是海面下降。涨潮和落潮交互更替：涨潮转变为落潮时，水位最高，称为*；落潮转变为涨潮时，水位最低，称为低潮。涨潮和落潮，*和低潮，都是周期性来临的，其周期是半太阴日，即约12时25分。因此，一般地说，一天有二次涨潮和落潮，二次*和低潮。
每一次潮汐涨落，并不是前一次的简单重复。*不是同样地高，低潮也不是同样地低。*和低潮的水位差，叫做潮差。潮差也有周期性变化。在一个周期内，潮差由大变小，然后由小变大。潮差最大时的潮汐叫大潮；潮差最小时的潮汐叫小潮。从这一次大潮到下一次大潮，或从这一次小潮到下一次小潮，其周期是半朔望月，即约14.77日。因此，每月有二次大潮和二次小潮。
若从全球范围来考察潮汐现象，那么，一些地方发生涨潮，必在另外一些地方发生落潮；反之，一些地方若是落潮，正好证明另外一些地方正在涨潮。这种此起彼落的海水运动，称为潮波。另外，潮汐涨落是通过海水的流动来实现的。海水的流入造成涨潮，海水的流出造成落潮。海水不断地从正在落潮的海域，流向正在涨潮的海域。这样的海水流动，叫做潮流。
总之，从全球范围来看，潮汐现象实际上是海水的一种波动。它既有垂直的升降，也有水平的流动。
§503—2地球的潮汐变形
潮汐现象，许多世纪以来，对于科学家和航海家们都是一个猜不破的谜。“海上明月共潮生”，古人清楚地看出，潮汐涨落明显地同月亮有关。例如，*到来的时刻逐日推迟，与月亮中天时刻每日向后推延一致。又如，潮差的大小总是同月相盈亏相联系：大潮发生在朔望，小潮发生在上、下弦。东汉学者王充早就指出：“涛之起也，随月盛衰”。唐代学者余道安在其所著《海潮图序》中说：“潮之涨退，海非增减。盖月之所临，则水从往之……此竭彼盈，往来不绝，皆系于月，不系于日”。但人们不解其间的关系到底何在？伽利略曾错把潮汐现象当作地球运动的直接证据。他认为，地球的运动产生颠动，使海洋中的水来回冲击，就象盛在盆里的水晃来晃去一样。直到牛顿发现万有引力后，潮汐现象才获得科学的解释。
从全球范围来看，潮汐现象首先是地球的变形现象。假如地球本是个正球体，那么，它要在自转过程中，由正球体变成较为明显的扁球体（参见§602-2）；又要在公转过程中，由正球体变成不很明显的长球体60000056_152_1①。前者是永久性的变形，与潮汐现象无涉；后者是周期性变形，称为潮汐变形。
这里所说的公转，是指地球和太阳环绕它们的共同质心的运动，也指地球和月球环绕地月系共同质心的运动。前面已经提到，而且以后还要说明，地球上的潮汐现象，主要是由月球造成的。但为了说明问题简单起见，首先是以日地的相互绕转为例，因为太阳与地球的质量悬殊，共同质心十分接近太阳中心，因此，这种运动可以简单地看作地球环绕太阳公转。
地球绕太阳公转是一种向心运动，需要向心力。太阳的引力提供了地球绕太阳公转所需的向心力。这个力的作用，使地球不断地落向太阳。但按地球每秒30km的运动速度，这种向心运动不致于使地球最终坠入太阳，而只是不断地使它偏离其惯性直线路径而“落入”自己的轨道（图5—10）。尽管如此，我们仍然应该把地球绕太阳的公转，看作既是持续向前的运动，又是不断地落向太阳的运动。
图5－10太阳的引力使地球不断地从它的惯性直线路径“落入”自己的轨道
图5－11潮汐变形
我们知道，引力的大小与距离的平方成反比。地球的不同部分，对太阳有不同的距离和方向，因而受到太阳的差别吸引，即不同大小和方向的吸引，从而有不同的降落速度。引力大，降落快；引力小，降落慢。差别吸引使地球在绕太阳公转过程中，由正球体变成长球体（图5—11），即在天体引力的方向上，地球被“拉长”了。
504 引潮力
§504—1引潮力及其分布
地球各部分受到太阳的差别吸引，其中，地心所受的太阳引力，不论方向和大小，无疑都是全球的平均值。同这个平均引力相比较，各地实际所受的太阳引力，总存一个差值。这个差值就是使地球发生潮汐变形的直接原因，因而被称为引潮力（也有叫起潮力或长潮力的）。由此可知，地球所受的太阳引力，整体上（平均引力）为它提供绕太阳公转所需的向心力；而各部分之间存在的引力差异（引潮力）使它发生潮汐变形。
引潮力之所以会使地球发生变形，还在于它本身也因地点而不同：
——太阳在地球上的直射点及其对跖点，被叫做太阳垂点。前者面对太阳，距离最近，是正垂点；后者背向太阳，离太阳最远，是反垂点。正垂点所在的半球，所受的太阳引力大于全球平均引力，那里的引潮力是向太阳的。因此，这个半球在落向太阳的过程中是超前的。反之，反垂点所在的半个地球，所受的太阳引力小于平均引力，那里的引潮力是背向太阳的。因此，这个半球在落向太阳的过程中，总是落后的。向太阳的半个地球超前（向前凸出），背太阳的半个地球落后（向后凸出），于是，地球由正球体变成了长球体。
——在全球各地，正反垂点的引潮力不仅最大，而且方向向上（对地面的重力方向而言，下同）。随着离正反垂点距离的增加，引潮力逐渐变小，其方向则渐趋水平直至向下（图5－13）。
图5—12 引潮力及其分布
图中的细箭头表示平均引力，粗箭头表示实际引力，双线箭头表示引潮力。引潮力＝实际引力－平均引力。正反垂点的引潮力最大
在距垂点最远的地方，即以正反垂点为两极的大圆上，引潮力最小，方向向下。两端的引潮力向上，中间的引潮力向下，于是，地球由正球体变成了长球体。
综上所述，太阳对地球各部分的差别吸引，使地球在绕太阳公转的同时，由正球体变成了长球体。同理，月球对地球各部分的差别吸引，也使地球在绕转地月系质心的同时，由正球体变成长球体；而且，其影响远超过前者。
我们知道，海水具有流动性，它对外来变形的反应显得特别敏感。岩石圈是固体，具有很高的刚性（不是绝对不变形）。所以，地球由正球体变成长球体，被变形的首先是覆盖地表的水体。这就是说，在地球正反垂点的周围，形成两个水位特高的区域，称为潮汐隆起。一个向着月球（或太阳），称为顺潮；另一个背向月球（或太阳），叫做对潮。
图5－13引潮力的分布两端（正反垂点）的引潮力向上，中间的引潮力向下，地球便由正球体变成长球体。
§504—2引潮力的因素
一地的引潮力，是该地所受天体的实际引力同平均引力（即地心所受引力）的差值。为求引潮力的大小，便需求出地面和地心所受的天体引力。对于天体在地球上的正反垂点来说，情况最为简单，决定引潮力的大小，仅是天体质量（m）、天体距离（d）和地球半径（r）三个因素。因为在垂点上，地球半径和天体距离都在一直线上，天体对于地面和地心的引力，没有方向上的差异。
如图5—15所示，按万有引力定律，在地心，单位质量物体所受天体引力为
图5－14引潮力的水平分力都指向正反二个重点，并在那里形成二个潮汐隆起，从而使地球由正球体变成长球体
式中G为引力常数。
同理，正反垂点所受引力分别为：
显然，f1＞f0＞f2
按引潮力定义，正垂点的引潮力为
同d相比，r是很小的。为简单起见，上式分子和分母中，同时略去括号内的r，便得
同理，可得反垂点的引潮力为
上列公式中，以天体引力的方向为正。正反垂点的引潮力方向，虽有正负之分，但它们都与重力方向相反，都是向上。由该公式可知，引潮力的大小与天体距离的三次方成反比。图5－15正反垂点的引潮力因素：天体质量
（m）、天体距离（d）和地球半径（r）
§ 504—3太阴潮与太阳潮
地球的引潮天体有二：月球和太阳。在太阳系中，前者距地球最近；后者的质量最大。由月球引起的潮汐，叫太阴潮；由太阳引起的潮汐，叫太阳湖。二者的相对大小，可以用上述引潮力公式进行比较。该公式虽不是引潮力的普遍公式，它只适用于正反垂点（而且是近似的），不能用来比较二地的引潮力大小。但在比较太阴潮和太阳潮的相对大小时，只需比较二者各自垂点的引潮力的大小，而无需涉及地点因素。
按正反垂点的引潮力公式：
式中的2、G、r都是常数，因此，不同天体的引潮力的大小，仅取决于引潮天体的质量（m）和距离（d）。我们知道，太阳质量是地球质量的 333 000倍，而地球质量又是月球质量的81.3倍，由此可知，太阳质量约为月球质量的27 100 000倍。又日地平均距离约为 149 600 000km，月地平均距离为 384 400km；前者约为后者的 390倍。据此，月球与太阳的引潮力之比为：
即太阴潮是太阳潮的两倍多；或者说，太阳潮不及太阴潮的一半。
505海洋潮汐的规律性
§505—1海洋潮汐的周期性
两个潮汐隆起存在于地面上，却要受天上月球的曳引而随之移动。或者说，地球向东自转，而潮汐隆起却始终滞留在月垂点上。从一个特定地点看来，随着月球的周日运行，海洋便周期性地发生潮汐涨落。
潮汐的基本周期有二：
——每太阴日两次*和低潮。太阴潮是海洋潮汐的主体，因此，潮汐的周期性，首先是月垂点向西运动的周期性。月球垂点的向西移动，主要是由于地球的向东自转，其次是月球本身的向东公转。前者使月垂点每太阴日向西移动360°；后者使月垂点每太阳日向东移动13°10′（图5—16）。二者联合结果，使月垂点和它周围的潮汐隆起，以太阴日为周期，在地球上的中低纬度带自东向西运行。这两个潮汐隆起向哪里接近，那里就涨潮；从哪里离开，那里就是落潮。同理，它们到哪里，那里就是*；它们离开哪里最远，那里便是低潮。这样，在同一地点，一个太阴日内，就有二次涨潮和落潮，二次*和低潮。
太阴日长度为24时50分，因此，相应的*和低潮到来的时刻，逐日推迟约50分种。
——每朔望月两次大潮和小潮。太阳潮和太阴潮同时存在，地球上的潮汐现象是二者合成的结果。由于地球的自转和公转，太阳垂点以太阳日为周期，在地球上南北回归线之间的地带向西运行。但太阳潮远不及太阴潮，其作用主要表现在对太阴潮的干扰。由于太阳日和太阴日是两个不等的周期，这种干扰同月球和太阳的会合运动相关，因而以朔望月为周期。
图5—16 潮汐的基本周期：每太阴日二次*和二次低潮
每逢朔望（旧历初一和月半），月球、太阳和地球成一直线，月球和太阳的垂点最接近，因而太阳潮最大程度地加强了太阴潮，从而形成一月中特大的太阴、太阳合成潮。这时，*特别高，低潮特别低，潮差最大，称为大潮（图5—17）。民谚有“初一月半看大潮”。大潮发生在朔望，因此又叫朔望潮。
反之，每逢上下弦（旧历初八、廿三），月球、地球和太阳三者形成直角，月球和太阳的垂点相距最远（90°），以致太阳潮最大程度地牵制和削弱太阴潮，从而形成一月中最低的*和最高的低潮，潮差最小，叫做小潮。民谚有“初八、二十三，到处见海滩”。小潮发生在每月的上下弦，故又称方照潮。
太阴（日）和朔望（月），是海洋潮汐的基本周期。据此，可推算和预告*的约略时刻和大潮的约略日期，特别是大潮期间的*时刻。
图5—17 潮汐的基本周期：每朔望月二次大潮和二次小潮
（上）每逢朔望发生大潮；（下）每逢上、下弦发生小潮。
§ 505—2海洋潮汐的复杂性
每太阴日的二次*和低潮，每朔望月的二次大潮和小潮，体现了海洋潮汐的基本规律性。此外，海洋潮汐还有一些次要的规律性。这些次要的规律，是对基本规律的复杂化。因此，我们把它们看成潮汐现象的复杂性。
月球和太阳，不仅有黄经的变化，而且，由于黄赤交角和黄白交角的存在，它们之间还有赤纬的差异。同时，月地距离和日地距离也要发生变化。这些都是海洋潮汐的因素。
——赤道潮与回归潮。如果月球的赤纬为零，它的两个垂点都落在赤道上，全球各地在一个太阴日内，都有相等的二次*和低潮，潮汐的高度则自赤道向两极递减，南北对称。这样的潮汐称为赤道潮（或称分点潮）。若月球赤纬不等于零，它的两个垂点便分居南北两半球，以致同一纬度（除赤道外）的顺潮与对潮有所不同，造成一日内二次*之间的差异，称为日潮不等（图5—18）。月球的赤纬愈大，日潮不等现象愈显著，月球赤纬最大（± 28°35′）时所发生的潮汐，称为回归潮。
在一个交点月内，出现二次赤道潮和回归潮。由于这一变化，地球上各地在一个潮汐周期内，涨落的方式便有所不同。在赤道上，或发生赤道潮时，一太阴日内有等高的二次*和低潮，间隔均匀，叫做半日潮。其它日期，在纬度j≥90°－δ范围内，纬线全线位于顺潮（或对潮）半球内，以致那里每太阴日只有一次涨潮和落潮，这样的潮汐称为全日潮。如同极昼（夜）的情形一样，其发生范围视月球的赤纬（δ）而定。在其它纬度地带，每太阴日虽有二次涨潮和落潮，但涨落高度有所不同，涨（落）潮历时也有差异，这样的潮汐称为混合潮。
——二分潮与二至潮。太阳赤纬的变化，同样对潮汐产生影响。所不同的是，太阳潮＜太阴潮，不象月球赤纬变化所造成的赤道潮与回归潮那样来得明显。但当太阳赤纬与月球赤纬的效
应结合起来时，就出现潮汐现象的另一种周期变化：春秋二分前后的朔望，太阳和月亮都在二分点附近，太阳潮和太阴潮的潮汐隆起最为接近，潮差特大，日潮不等现象不显著，这时的潮汐称为二分潮。反之，冬夏二至前后的朔望，情形有所不同，称为二至潮。
图5—18日潮不等
月球直射的半球，顺潮＞对潮；非直射半球，顺潮＜对潮。如月球直射点（正垂点）落在20°N，那么，对宁波（30°N）来说，顺潮时距正垂点只有10°，而在对潮时距反垂点达50°之遥。
——近地潮与远地潮。潮汐现象的复杂性，除了随月球赤纬而变化以外，还要因月地距离而变化。月球轨道的偏心率较大，月地距离在近地点时为57个地球半径，在远地点时为个地球半径。按引潮力大小与天体距离的三次方成反比，近地点时的太阴潮比远地点时要大39. l％。
近点月的平均周期为27.5546日，比朔望月约短2日。因此，在每个朔望月里，近地潮同朔望潮出现的相对时间，是不断变动的。当近地潮遇上朔望潮时，潮差就特别大；而当远地潮遇上方照潮时，潮差便特别小。
同样的推论也完全适合于日地系统。近日潮与远日潮的变化周期为近点年（ 365. 2596日）。由于太阳潮不及太阴潮的一半；而且，地球轨道的偏心率较小，所以，太阳潮的这种变化，只是叠加在太阴潮变化的不甚明显的起伏罢了。
——除天文因素外，海洋潮汐还有其气象和水文因素。前者指气流情况，后者指水流情况，二者都是非周期性因素。潮汐现象大体上存在于一切海域，但是，特别显著的潮汐只发生在沿海，并且与海盆因素（包括海盆形状与海水深度）密切相关。例如，我国的钱塘潮，就同它所处的河口位置有关。钱塘江口与杭州湾的广阔水域毗连，呈喇叭状，阔口向外，吞纳大量海水。杭州湾口宽度为100km，向里逐渐狭窄，至浙江澉浦，水面宽度只有20km。澉浦以西的河段，水底有一条南北相连的像门槛似的沙滩，叫做“沙坎”，水浅，坡度微缓，阻滞潮波前进，使潮浪处于“前无去路，后有追兵”的状态，水体壅积，激起汹涌澎湃的怒潮，蔚为奇观。
——此外，海水本身具有一定的粘性，存在着内摩擦；同时，海底对潮流也有一定的摩擦作用。因此，*到来的时刻，一般都落后于月亮中天的时刻，其差值称*间隔，具体间隔时间则因地而异。同理，大潮发生的日期，一般都落后于朔望日期，其值通常是l—3日。“八月十八潮，壮观天下无！”是北宋文豪苏东坡为举世闻名的钱塘潮写下的千古名句。他指出，观潮的最佳日期不在月望的八月十五日，而挪后至八月十八日。
506潮汐作用
§506—1引潮力是一种瓦解力
引潮力的大小与天体距离的三次方成反比。在相互间距离较远的两天体间，引潮力是很小的，如太阳系其它行星与地球之间的引潮力，可以略而不计。但是，在两天体接近的情况下，引潮力就显得很大，成为一种瓦解力量。例如，在太阳系起源的众多假说中，就有“潮汐”一说，由英国天文学家金斯（1877—1946）提出。他认为，大约20亿年前，有一颗巨大的恒星接近太阳。由于引潮力的作用，太阳表面产生潮汐隆起，一部分物质脱离太阳，形成一个雪茄形的长条物绕转太阳。以后，长条物*成几个巨大气块，并逐渐凝聚、集结而成各个行星。新近的一个例子是，1994年7月撞击木星（人类有史以来首次预测太阳系的重大碰撞事件）的苏梅克-列维9号彗星，由21颗分离的彗核组成。它就是被木星的引潮力“拉扯”成连串珍珠的。
月球对地球的引力，只值太阳引力的1/150。可是，它对地球的引潮力，却超过太阳引潮力的二倍。假如月球比现在更接近地球，情况将会怎样？从理论上说，存在一个界限：在这个距离上，地球引潮力的“拉扯”作用，将把月球撕裂。法国天文学家洛希（1820—l883）研究指出，卫星免遭母行星引潮力的破坏，它离母行星的最小距离，是其母行星半径的 2.44倍。这个距离后来被称为“洛希极限”。照此推算，地球的洛希极限为 15 562km。这就是说，行星周围一定空间范围内，不容许有卫星的存在。这个结论不适用于人造卫星，因为人造卫星质量很小，而且是由金属构成的。
土星光环到土星中心的距离为2.31土星半径，略小于洛希极限。对土星环的成因虽然还存在分歧意见，但最常见的解释是，土星曾一度有一颗较近的卫星，它在洛希极限内徘徊时，引潮力把它粉碎成细小的碎片，散开成为土星的光环。
§506—2潮汐摩擦
潮流对海底具有摩擦作用，叫做潮汐摩擦。值得指出的是，潮汐摩擦不是单纯的海水问题，而是地球整体的问题。
如果把月球对于地球的引力看作集中于一点，那么，这个引力中心（Q）不在地心，而是偏向近月半球和偏东半球（图5—19）。近月半球与远月半球按月地的距离而分。引力中心偏向近月半球，这是因为引力大小与距离平方成反比，近月半球所受的月球引力，总是大于远月半球。偏东半球和偏西半球按月球绕转的方向而分。由于海水的粘性及海底摩擦，潮汐隆起在向西运行中，总是落后于月垂点，即位于垂点以东。
既然月地间的引力作用偏离地球中心，它就产生力矩，从而影响地球和月球的运动。具体地说，月球对于地球的引力有一个向西的分量。这个分力对于地球的向东自转起看减速作用，即像刹车那样的作用。通常提到潮汐摩擦，总是强调这个作用，其实，它还有另外的一面：地球对于月球的引力有一个向东分量。这个分力对于月球公转起着加速作用。
值得指出的是，月球绕转的速度，是同月地距离相适应的。月球绕转速度加快的结果，必然是月地距离的增大；而月地距离增大，必然是月球绕转速度的减慢。这样看来，潮汐摩擦作用的结果，是使地球自转和月球公转的速度减慢，即周期变长。比较起来，地球自转周期变长较为明显，而月球绕转周期变长更为缓慢。目前，恒星月长度（月球绕转周期）是恒星日（地球自转周期）的27倍多。随着潮汐摩擦的持续作用，在遥远的未来，这二个周期将渐趋一致，月球与地球保持相对静止。那时候，地球上的1日就是 1月。但是，这种情况不会永久维持，因为地球与太阳并不是相对静止的。
根据对远古时代的日、月食的研究，因潮汐摩擦，日的长度每世纪增长0.0016秒。如果忽视这个因素，根据现代天文数据推算远古的天文事件，不可能是十分准确的。
同理，地球对月球的潮汐作用（其效应是更为强烈的），使得月球的自转成为同步自转。
图5—19地球所受引力中心（Q）偏离地球几何中心
§506—3 潮汐的地理意义
潮汐现象在国民经济中具有重要的意义，各种海洋事业都与潮汐涨落密切相关。人们根据潮汐涨落的规律，张网捕鱼，引水晒盐;利用广阔的海涂，发展水产养殖事业。潮汐还是取之不尽、用之不竭的动力资源，可以利用它发出强大的、廉价的电力。
潮汐涨落对海洋航运事业至为重要。世界上许多浅水港口，诸如我国的上海，英国的伦敦和德国的汉堡等，在很大程度上都是依赖潮汐而存在的。巨型的远洋航轮，只有利用涨潮时的较高水位，才能进出海港。倘若月球一旦停止对地球的引潮作用，那么，这些海港将减低或丧失它们在海运上的地位。
决定一个国家的领海，亦与潮汐现象有关。领海是指海岸向海洋延伸若干距离的海水领域。海岸线因潮汐涨落而进退，因此，国际上规定，计算一个国家的领海，以大于潮时----即海水落得最低时候的海岸线为准。
复习与思考
●什么是地球的潮汐变形？它是怎样发生的？
●什么是引潮力？引力的大小与距离的平方成反比，而引潮力的大小与天体距离的立方成反比，这是为什么？除距离因素外，引潮力的大小还有什么别的因素？
●高（低）潮到来的时刻为什么逐日推迟？为什么逢朔望发生大潮，逢上下弦发生小潮？
●若月地平均距离增大为 768 800km（不计因距离改变而引起周期的变化），那么，地球上的潮汐现象将会发生怎样的改变？
①潮汐现象比现在增强，还是减弱？
②太阴潮与太阳潮哪个大些？大多少倍？
③这时，潮汐涨落周期将发生怎样的变化？
④这时，是否仍有每月二次的大潮和小潮？
●已知日地距离是月地距离的390倍，如果太阳质量增大为月球质量的 59 319 000倍，那么，太阴潮与太阳潮 是否有所不同？在那种情形下，大潮和小潮怎样不同于目前的情况？
●何谓日潮不等？什么是全日潮？月球赤纬的变化如何影响日潮不等和全日潮发生的范围？
