书城科普青少年应知的100个天文学常识
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第18章 月球的恩赐—潮汐

 潮汐概述

潮汐是月球和太阳对江河的引力不断变化而形成的一种独特自然景观,尤其是以每月农历十五前后为大潮。因此,民间多于八月十八看大潮,相约成俗,沿袭至今。远古时期的绍兴,地处海域。越王勾践时的绍兴,据汉史学家袁康所著中国最早的地方志《越绝书》记载,“西则迫江,东则薄海,水属苍天,下不知年止,交错相遇……浩浩之水,朝夕(潮汐)既有时,动作若惊骇,声音若雷霆,波涛援而起”。可见潮汐始终伴随着中国人的生活。在古时,由于科技的落后和认识水平的局限,人们对潮汐的形成不甚了了,只好祈求苍天保佑百姓生活的安定。因此在大潮来临之际,附近百姓以不同方式敬祭潮神,有的建神庙祭祀,祈求岁岁平安。

 潮汐的形成原理

这里先解释引潮力的概念。引潮力的实质是什么它是怎样产生的要回答这一问题,须从天体引力谈起。绕转着的天体,都受到两种力的作用,一种是绕转天体间的引力,一种是由于绕转而产生的离心力。两种力同时作用,才使天体能够维持其按一定规律绕转的运动状态。月和地球绕转,地和日绕转也是这样。引力和离心力,对于整个天体来说,二者是保持平衡的。但是,对于天体上的每一个质点(位于天体中心的质点除外)来说,二者则是不平衡的。绕转天体之间的引力同绕转运动所产生的惯性离心力的不平衡,是产生引潮力的根本原因。

太阳和月球对地球的引力,地球在绕转中产生的离心力,以及由于这两种力在地球表面所表现出的不平衡,其本质是相同的。由月球作用而产生的潮汐,称太阴潮;由太阳作用而产生的潮汐,称太阳潮。太阳潮和太阴潮并无本质上的差异,其原理是一样的,但在量值上,太阴潮大于太阳潮。

为了便于说明问题,仅以月球对地球的作用为例,对引潮力进行分析。地球是一个平均半径约6 371千米的球体,构成这一庞大球体的各个质点,因其在地球体上所处的位置不同,而与月球质心具有不同的距离和相对位置。因此,根据万有引力定律可以知道,与月心距离和相对位置不同的地球上各质点,受月球实际引力的方向和大小,都有一定的差异。如图2-9所示,C为月球质心,O为地球质心。A位于OC连线上,是距月心最近的地球质点,称为月球在地球上的正垂点。B是月心和地心连线延长线与地表的交点,为地球上距月心最远的一点,叫做月球在地球上的反垂点。在地球上,正垂点A所受月球的实际引力最大,它与地月心连线重叠,并指向月心。反垂点B所受月球的实际引力最小,它与地月心连线的延长线重叠,也指向月心。地球表面其他任何地点所受月球的实际引力,其量值都小于正垂点,而大于反垂点;其方向虽然也都指向月心,但却都不同地月心连线重叠,而是各有不同大小的夹角。地球质心O所受月球的实际引力,在数值上是整个地球全部质点所受月球实际引力的平均值,并指向月心。

月球对地球各质点的实际引力在地球的质心,绕转所产生的惯性离心力与月球对它的实际引力保持平衡,即二者在同一直线上,作用于同一点,绝对值相等,方向相反,其合力为零。由于地表一切地点的惯性离心力相等,方向平行,而月球对它们的实际引力,与月球对地心的实际引力又都存在着不同程度的差异,因此,在地表任何地点,离心力与月球实际引力都是不平衡的,它们的合力都不等于零。如图2-10所示,月球在地表的正垂点A所受实际引力与离心力作用于同一直线,方向相反。在这里,实际引力大于离心力绝对值,引力起主导作用,引力与离心力的合力是向上指向月心的;反垂点B所受实际引力也与离心力作用于同一直线,方向相反。在这里,则是离心力的绝对值大于月球实际引力,离心力起主导作用,两种力的合力背向月心方向,但在地球上也是向上的。地表其他任何地点所受月球实际引力,都不和离心力作用于同一直线,力的方向相差都不等于180°,而且力的绝对值也不相等。因此,除正、反两个垂点外,地表一切地点所受月球实际引力,都与离心力构成一个方向不同、大小不等的合力。这些合力,就是引起地球上潮汐现象的直接动力——引潮力。

引潮力的分布,系指引潮力在全球各个地点所表现出的方向和大小。在地球表面,只有正、反垂点,以及与正、反垂点相距90°的各个地点的引潮力方向,是垂直于地表,因而这些地点引潮力的水平分力等于零。其他所有地点的引潮力,都与地表构成不等于90°的不同夹角,因而都具有不同大小的水平分力,其数值从正、反垂点向外围越来越大,然后又越来越小,至以正垂点为中心的半球和以反垂点为中心的半球交界处,减小为零。水平分力的方向,分别指向正垂点和反垂点。如图2-12所示,全球引潮力的水平分力,在大小和方向上,都明显地呈现出分别以正、反垂点为中心的带状分布特点。

引潮力水平分力的分布一个物体同时受到两个以上的力作用时,如果各个力的方向相同,物体将发生平行移动;如果各个力的方向不同,或大小不等,或方向不同,大小也不等,物体将会发生变形。引潮力在地球上的分布是不均匀的。各地点引潮力大小、方向的差异,必然使被海水覆盖的地球变形。以正垂点为中心的半球,引潮力的水平分力指向正垂点,另一个分力指向月球(或太阳),海水质点向正垂点方向集中,朝向月球(或太阳)隆起;以反垂点为中心的半球,引潮力的水平分力指向反垂点,另一个分力背向月球(或太阳),海水质点向反垂点方向集中,背向月球(或太阳)隆起;在这两个半球交界的地方,引潮力指向地心,海水质点向下移动。这样,就使被海水覆盖的地球,变成一个分别朝向和背向月球(或太阳)隆起的扁球体。正垂点和反垂点的连线,就是这个扁球体的长轴。这种由于引潮力作用而产生的变形,称为潮汐变形。

以正垂点为中心的潮汐隆起,称为顺潮,它始终朝向月球(或太阳);以反垂点为中心的潮汐隆起,称为对潮,它始终背向月球(或太阳)。因此,随着月球(或太阳)自东向西的周日视运动,两个潮汐隆起不断地自东向西移动,一日之内在地球上移动一周。距正、反垂点最远的海面最低地带,也相应在地球上自东向西移动。这样,在地表某个具体地点所看到的情况,就是随着时间的流逝,海面不断上升,达到最高水位后,又不断下降,降到最低水位后,又开始上升……如此不停地循环往复,这就是海面不断涨落的周期性运动。

潮汐现象的发生和变化,与天文现象是紧密联系在一起的,因此,称为天文潮汐。它不仅表现在地球上,也表现在月球、太阳以及一切绕转的天体上。这是因为,不仅月球、太阳在地球上产生引潮力,而且地球在月球、太阳上也产生引潮力。宇宙间任何两个互相吸引绕转的天体,都会在对方表面产生引潮力。所以,引潮力普遍存在于一切互相绕转的天体,潮汐是宇宙间普遍存在的自然现象。

 大潮和小潮

太阳和月球是引起海洋潮汐的主要天体,地球、日、月的运动也就引起了大潮和小潮的变化。地球一方面自转,另一方面带着月球绕太阳公转,月球也在绕着地球公转。当月球绕地球公转到地球和太阳中间(也叫“朔”,相当于农历每月初一)或月球绕地球公转到与太阳相对的一面(也叫“望”,农历每月十五、十六),如图2-13所示,此时太阳的引潮力和月亮的引潮力作用相加强,因此,海水的涨落就特别大,出现大潮,也叫朔望大潮。

月亮绕地球公转过程中,如果月亮绕地球转到地球和太阳的连线的两侧,并与连线成90°角时,大约是农历每月初七、初八(上弦)和二十二、二十三(下弦)的日子,如图2-14,太阳的引潮力和月亮的引潮力的作用就互相减弱,从而使海水的涨落显得特别小,出现小潮。由以上讨论可知,由于地球、月球和太阳之间相对运动的规律性,出现了潮汐运动的规律性,即出现了潮汐运动的半日周期和半月周期,这就是潮汐现象最基本的规律。