[科普中國]-潮汐效應(yīng)

潮汐效應(yīng)是在月球和地球之間引力作用下， 海水周期性漲落的現(xiàn)象。1

定義海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、漲落與進退，稱海洋潮汐效應(yīng)，簡稱海潮。在白天的稱潮，夜間的稱汐，總稱“潮汐”。一般每日漲落兩次，也有漲落一次的。

形成原因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。引潮力是在非慣性系下，月球的萬有引力和與之對應(yīng)的慣性力、太陽的萬有引力和與之對應(yīng)的慣性力等四種力的合力。

潮汐的形成原因如下：

把地球和月球看做質(zhì)點，表面上看是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)心做圓周運動，只是地球的圓周軌道小得多。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。

既然地球被看做質(zhì)點，就可以把地球上物體的運動軌跡和動力學(xué)規(guī)律看做與地球質(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。

朔點時刻處太陽和月球在地球的一側(cè)，所以就有了最大的引潮力，所以會引起“大潮”，在農(nóng)歷每月的十五或十六附近，太陽和月亮在地球的兩側(cè)，太陽和月球的引潮力你推我拉也會引起“大潮”；在月相為上弦和下弦時，即農(nóng)歷的初八和二十三時，太陽引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分所以就發(fā)生了“小潮”，故農(nóng)諺中有“初一十五漲大潮，初八二十三到處見海灘”之說。另外在第天也有漲潮發(fā)生，由于月球每天在地球上東移13度多，合計為50分鐘左右，即每天月亮上中天時刻（為1太陰日=24時50分）約推遲50分鐘左右，（下中天也會發(fā)生潮水每天一般都有兩次潮水）故每天漲潮的時刻也推遲50分鐘左右。2

開發(fā)利用潮汐能潮汐能是以位能的形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。海水漲落的潮汐現(xiàn)象是由地球和天體運動以及它們之間的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋轉(zhuǎn)，這種水位的上升以周期為12小時25分和振幅小于1m的深海波浪形式由東向西傳播。太陽引力的作用與此相似，但是作用力小些，其周期為12小時。當(dāng)太陽、月球和地球在一條直線上時，就產(chǎn)生大潮；當(dāng)它們成直角時，就產(chǎn)生小潮。除了半日周期潮和月周期潮的變化外，地球和月球的旋轉(zhuǎn)運動還產(chǎn)生許多其他的周期性循環(huán)，其周期可以從幾天到數(shù)年。同時地表的海水又受到地球運動離心力的作用，月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引潮力。

潮差對比除月球、太陽外，其他天體對地球同樣會產(chǎn)生引潮力。雖然太陽的質(zhì)量比月球大得多，但太陽離地球的距離也比月球與地球之間的距離大得多，所以其引潮力還不到月球引潮力的一半。其他天體或因遠離地球，或因質(zhì)量太小所產(chǎn)生的引潮力微不足道。根據(jù)平衡潮理論，如果地球完全由等深海水覆蓋，用萬有引力計算，月球所產(chǎn)生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太陽引潮力的作用為0.246m，夏威夷等大洋處觀測的潮差約1m，與平衡潮理論比較接近，近海實際的潮差卻比上述計算值大得多。如我國杭州灣的最大潮差達8.93m，北美加拿大芬地灣最大潮差更達19.6m。通過上升、收聚和共振等運動，使潮差增大。潮汐能的能量與潮量和潮差成正比?；蛘哒f，與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發(fā)電相比，潮汐能的能量密度很低，相當(dāng)于微水頭發(fā)電的水平。世界上潮差的較大值約為13～15m，但一般說來，平均潮差在3m以上就有實際應(yīng)用價值。

開發(fā)潛力潮汐因地而異的，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，但具有各自獨特的特征。盡管潮汐很復(fù)雜，但對任何地方的潮汐都可以進行準(zhǔn)確預(yù)報。海洋潮汐從地球的旋轉(zhuǎn)中獲得能量，并在吸收能量過程中使地球旋轉(zhuǎn)減慢。但是這種地球旋轉(zhuǎn)的減慢在人的一生中是幾乎覺察不出來的，而且也并不會由于潮汐能的開發(fā)利用而加快。這種能量通過淺海區(qū)和海岸區(qū)的摩擦，以1.7TW的速率消散。只有出現(xiàn)大潮，能量集中時，并且在地理條件適于建造潮汐電站的地方，從潮汐中提取能量才有可能。雖然這樣的場所并不是到處都有，但世界各國已選定了相當(dāng)數(shù)量的適宜開發(fā)潮汐能的站址。據(jù)最新的估算，有開發(fā)潛力的潮汐能量每年約200TW·h。

潮能儲量全世界潮汐能的理論蘊藏量約為3×10^9kw。我國海岸線曲折，全長約1.8×10^4km，沿海還有6000多個大小島嶼，組成1.4×10^4km的海岸線，漫長的海岸蘊藏著十分豐富的潮汐能資源。我國潮汐能的理論蘊藏量達1.1×10^8kw，其中浙江、福建兩省蘊藏量最大，約占全國的80.9%，但這都是理論估算值，實際可利用的遠小于上述數(shù)字。

發(fā)電原理潮汐發(fā)電與普通水力發(fā)電原理類似，通過出水庫，在漲潮時將海水儲存的水庫內(nèi)，以勢能的形勢保存，然后，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。差別在于海水與河水不同，蓄積的海水落差不大，但流量較大，并且呈間歇性，從而潮汐發(fā)電的水輪機結(jié)構(gòu)要適合低水頭、大流量的特點。2

影響1、潮汐與地球自轉(zhuǎn)變慢由于各層海水作相對運動時會發(fā)生粘滯力以及海水與陸地和海床的摩擦作用,潮汐對地球自轉(zhuǎn)有一種制動作用,使地球自轉(zhuǎn)逐漸變慢.研究表明,地球自轉(zhuǎn)周期每個世紀(jì)變長1-2毫秒,如果把這一減慢效應(yīng)應(yīng)用到長的時間跨度上,則距今37000萬年以前(泥盆紀(jì))的一年天數(shù)約有400天左右,這與泥盆紀(jì)珊瑚化石的生長環(huán)數(shù)目相符(珊瑚環(huán)一天長一環(huán))。

2、月球總是以同一面對著我們?nèi)藗儼l(fā)現(xiàn)月球總是以同一面對著我們,它的另一面我們在地球上是看不到的.這是由于月球自轉(zhuǎn)周期恰好和月球繞地球轉(zhuǎn)動的周期相等造成的,而這兩個周期相同則是潮汐長期作用的結(jié)果。由計算可得地球?qū)υ虑虻钠鸪绷樵虑驅(qū)Φ厍蚱鸪绷Φ?2.17倍。如此強大的起潮力,加上月球的轉(zhuǎn)動慣量又比地球小得多,因此,潮汐所造成的自轉(zhuǎn)速度減慢對于月球尤為顯著.可以設(shè)想,早期的月球有較大的自轉(zhuǎn)速度,在潮汐的作用下,使月球自轉(zhuǎn)逐漸減慢,最后,月球自轉(zhuǎn)周期和月球繞地球轉(zhuǎn)動的周期相等,此時,月球潮汐消失,月球的自轉(zhuǎn)周期不再發(fā)生變化,所以今天的月球總是以相同的一面對著地球。

3、潮汐與月地距離的增大潮汐使得地球自轉(zhuǎn)變慢,導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)角動量減少.由于地一月系統(tǒng)的總角動量應(yīng)保持不變,且月球繞地球旋轉(zhuǎn)的方向與地球自轉(zhuǎn)方向基本相同,故地球自轉(zhuǎn)角動量減少,勢必使得月球?qū)Φ匾辉孪到y(tǒng)質(zhì)心的角動量增大,以保持地一月系統(tǒng)的總角動量守恒.這一效應(yīng)的實際效果是使得月球與地球的距離緩慢增加.據(jù)近年觀測,月球正以每年3.81厘米的速度遠離地球.月球緩慢地遠離地球,也可以用地球潮汐凸起部分形成的月球加速度來解釋。

由于潮汐的凸起部分被地球的自轉(zhuǎn)帶向東面，凸起部分A比B離月球更近，因而這兩部分對月球的引力不同，使得地球引力中心發(fā)生漂移，偏在地球和月球質(zhì)量中心連線的東面.于是月球在它的軌道運動方向產(chǎn)生了一個很小的加速度，使月球的速度加快緩慢地向外盤旋。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)