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第7章 跌宕起伏的潮汐

凡是到过海边的人们,都会看到海水有一种周期性的涨落现象:到了一定时间,海水推波助澜,迅猛上涨,达到高潮;过后一些时间,上涨的海水又自行退去,留下一片沙滩,出现低潮。如此循环重复,永不停息。海水的这种运动现象就是潮汐。潮汐为人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便。同时,它也可以带来巨大能量,形成可供人类利用的潮汐能。

到海边看潮汐

潮汐现象是海水在天体(主要是月球和太阳)引潮力作用下所产生的周期性运动,习惯上把海面垂直方向的涨落称为潮汐,而海水在水平方向的流动称为潮流。潮汐是沿海地区的一种自然现象,古代称白天的河海涌水为“潮”,晚上的称为“汐”,合称为“潮汐”。潮汐是一种周期现象,在潮汐升降的一个周期中,海面升到最高位置时称为高潮;海面降到最低位置时称为低潮。从低潮到高潮的过程中,海面不断升涨称为涨潮。自高潮到涨潮现象低潮的过程中,海面逐渐下落称为落潮。两相邻高低潮水位之差称为潮差;潮差每天不等,其平均值成为平均潮差。在涨潮或落潮中,当水位达到高潮或低潮时,海面有短时间不涨也不落,此段时间分别称为平潮和停潮。

潮汐的军事利用

潮汐是由于日月引潮力的

作用,使地球上的海水产生周期性的涨落现象。它不仅可发电、捕鱼、产盐及发展航运、海洋生物养殖,而且对于很多军事行动有重要影响。历史上就有许多成功利用潮汐规律而取胜的战例。

1661年4月21日,郑成功率领2.5万名将士从金门岛出发,到达澎湖列岛,进入台湾攻打赤嵌城。郑成功率领军队乘着涨潮航道变宽且深时,攻其不备,顺流迅速通过鹿耳门,在禾寮港登陆,直奔赤嵌城,一举登陆成功。

潮汐的涨落现象因时因地而异,从涨落的周期来看,可以把潮汐分为三种:

(1)半日潮:潮汐的涨落在24.8小时(天文学上称为“1个太阴日”)内有2个周期,出现2次高潮和2次低潮,半日完成1个周期。

半日潮的相邻2个潮差几乎相等;

涨、落潮时也几乎相同。我国黄海、东海沿岸多数港口属半日潮海区。

(2)全日潮

1个太阴日内仅出现1次高潮和1次低潮,即1日内只完成1个周期。

(3)混合潮

每个太阴日内,涨、落潮2次和涨、落潮1次混杂地出现,这种潮汐称为混合潮。混合潮的相邻2个潮差及相邻的2个涨、落潮时也不一定相等。我国南海多数地区属于混合潮。

潮汐除了半日或全日的变化外,还有较长的周期变化,其中最明显的周期为半个太阴月,即14.7天,在此期间潮差在最大值和最小值之间变化1周。

潮起潮落的起因

潮汐虽有规律,但很复杂,随时间、地域的不同而变化着。长期以来,有关潮汐的成因,尚无十分精确的解释。多数学者认为(也被大家所接受),潮汐是月球、太阳和其他星体对地球的引力(主要指对海水的引力)以及地球的自转所形成的,由于这些力的作用从而导致了海水的相对运动。牛顿的万有引力定律告诉我们:任何2个物体之间都存在着相互吸引的力,吸引力的大小和这2个物体的质量的乘积成正比,而与2个物体之间的距离的平方成反比。把万有引力定律运用到地球和其他天体之间存在的引力关系上时,可以把地球本身的质量看作不变的。因此,吸引力与天体的质量成正比,与地球到天体的距离的平方成反比。大家都知道,地球围绕着太阳转,月球围绕着地球转。太阳的质量虽然比月球的质量大得多,但是,月球与地球的距离却比太阳与地球的距离小得多,用牛顿万有引力公式计算得到的结果可以证明,月球的引力远大于太阳的引力,而其他天体对地球的引力则是很微弱的。所以说,月球的引力是形成潮汐的主要成因。潮汐现象主要是随月球的运动而变化的。

天体带来的潮汐现象

一般而言,大洋、外海的潮差较小,愈近海岸潮差愈大,尤其是在伸入陆地的海湾,潮差从湾口向湾顶递增,海湾两岸呈对称分布。

河口地区的潮差因流河而异一般大的河口,凡呈喇叭状的,潮差由口门往里逐渐增大,甚至形成涌潮,其他河口一般是由口门往里潮差渐小。

潮汐不仅有地域的差别,在同一地点还明显地随时间变化。月球在绕地球运行的过程中,由于相对于地球和太阳位置的变化,在一个太阴月中会出现盈亏圆缺的变化,称月相变化。因此,半日潮的潮幅在半个太阴月中具有最显著的变化,其间潮幅由最大值变化到最小值,而且这些最大值也往往不相同。

由于运动着的地球、月球和太阳的相对位置存在着多种周期性变化,所以由月球和太阳引潮力产生的潮汐也存在多种周期组合在一起的复杂周期性变化,从而产生了潮汐各种周期性的不等现象。

1.日不等现象

实际的潮汐振动在一个太阴日(24.8小时)中两个潮的高低潮和潮差不相等,涨潮时和落潮时也不相等,这种不规则现象称为日不等现象。高潮中比较高的一个叫高高潮,比较低的叫低高潮;低潮中比较低的叫低低潮,潮高的叫高低潮。

当月球赤纬不为零时,除赤道和高纬地区外,地球上其他各点半日潮部分与全日潮部分叠加,便出现潮汐日不等现象。随着月球赤纬的增大,全日潮成分增大,日不等现象也增大。当月球赤纬最大(月亮直射南、北回归线)时,日不等现象最显著,此时半日潮部分最小,日潮部分最大,这时的潮汐称回归潮。当月球赤纬为零(月亮直射赤道)

时,除南北两极附近外,各地潮汐全日潮部分为零,半日潮部分最大,一个太阴日内有两涨两落,无日不等现象,赤道上潮差最大,越接近两极潮差越小,这时的潮汐称赤道潮(又称分点潮)。

2.月不等现象

由于月球绕地球运动的轨道为椭圆,地球位于椭圆的一个焦点上,月球从近地点出发,经过远地点又回到近地点,需要一个近点月(27.546天),因此就产生了潮汐的月不等现象。月球离地球近时潮差较大,相应的潮汐为近地潮;

月球离地球远时潮差较小,相应的海湾摄影图潮汐为远地潮。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64个地球半径,引潮力大小与距离的三次方成反比,近地潮比远地潮大39.1%。

3.年不等现象

地球环绕太阳运动的轨道也为椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上,地球从近日点出发,经过远日点又回到近日点,需要一个近点年(165.2596天)由于地球距太阳的远近变化,就产生了潮汐的年不等现象。地球位于近日点时,太阳引潮力最大,相应的潮汐称近日潮;

地球位于远日时,太阳引潮力最小,相应的潮汐称远日潮。由于太阳潮汐称近潮的一半,而且地球轨道的偏心率较小,所以太阳潮的这种变化不甚明显。太阳赤纬的变化,同样对潮汐产生影响。所不同的是,因为太阳潮小于太阴潮,太阳赤纬的变化产生的潮汐变化不像赤道潮与回归潮那样来得明显。每年在春分和秋分前后,太阳赤纬最小,如果月球此时出现在赤道附近,则潮汐不等现象不显著,相应的潮汐称分点大潮(又称二分潮);而在夏至和等冬至前后,太阳赤纬最大,若此时月球赤纬较大,则混淆不等现象最大,相应的潮汐称至点大潮(又称二至潮)。

4.多年不等现象

由于月球运行轨道的近地点是移动的,每隔8.85年完成一周。同时,月球运行轨道和地球运行轨道的相交点也是在地球运行轨道上缓慢移动,每隔18.61年完成一周。因此,潮汐还存在多年不等现象。