潮汐(自然現象)

潮汐(自然現象)

潮汐現象是沿海地區的一種自然現象,指海水在天體(主要是月球和太陽)引潮力作用下所產生的周期性運動,習慣上把海面垂直方向漲落稱為潮汐,而海水在水平方向的流動稱為潮流。我們的祖先為了表示生潮的時刻,把發生在早晨的高潮叫潮,發生在晚上的高潮叫汐。這是潮汐的名稱的由來。

基本介绍

  • 中文名:潮汐
  • 外文名:The tides
  • 分類:地潮,海潮等
  • 開發利用:能源開發,軍事套用
引證解釋,定義分類,形成原因,開發利用,能源開發,軍事套用,對天體影響,世界名潮,

引證解釋

在月球和太陽引力作用下,海洋水面周期性的漲落現象。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。外海潮波沿江河上溯,又使得江河下游發生潮汐。北齊顏之推《顏氏家訓·歸心》:“潮汐去還,誰所節度?”宋蘇轍《和子瞻雪浪齋》:“門前石岸立精鐵,潮汐洗盡莓苔昏。”明劉基《江行雜詩》之七:“坤靈不放厚地裂,應有潮汐通扶桑。”葉聖陶《窮愁》:“賭窟既破,全市喧傳,群來聚視博徒何如人,市囂乃如潮汐。”
潮汐潮汐
形容具有與潮汐現象相似特性的事物:潮汐車道、潮汐客流等。

定義分類

由於日、月引潮力的作用,使地球的岩石圈、水圈和大氣圈中分別產生的周期性的運動和變化,總稱潮汐。作為完整的潮汐科學,其研究對象應將地潮、海潮和氣潮作為一個統一的整體,但由於海潮現象十分明顯,且與人們的生活、經濟活動、交通運輸等關係密切,因而習慣上將潮汐(tide)一詞狹義理解為海洋潮汐。固體地球在日、月引潮力作用下引起的彈性—塑性形變,稱固體潮汐,簡稱固體潮或地潮
潮汐潮汐
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,簡稱海潮
大氣各要素(如氣壓場、大氣風場、地球磁場等)受引潮力的作用而產生的周期性變化(如8、12、24小時)稱大氣潮汐,簡稱氣潮
其中由太陽引起的大氣潮汐稱太陽潮,由月球引起的稱月球潮汐(太陰潮)
鹹潮,主要是由旱情引起的,一般發生在上一年冬至到次年立春清明期間,由於上游江水水量少,雨量少,使江河水位下降,由此導致沿海地區海水通過河流或其他渠道倒流到內陸區域。鹹潮的影響主要表現在氯化物的含量上,按照國家有關標準,如果水的含氯度超過250毫克/升就不宜飲用。這種水質還會危害到當地的植物生存。
鹹潮上溯屬於沿海地區一種特有的季候性自然現象,多發於枯水季節、乾旱時期。鹹水上溯意味著位於江河下游的抽水口在鹹潮上溯期間抽上來的不是能飲用、灌溉的淡水,而是陸地生命無法賴以生存的海水。我國的鹹潮多發生在珠江口。
根據潮汐周期又可分為以下三類:
半日潮型:一個太陰日內出現兩次高潮和兩次低潮,前一次高潮和低潮的潮差與後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)。我國渤海、東海、黃海的多數地點為半日潮型,如大沽、青島、廈門等。
全日潮型:一個太陰日內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。
混合潮型:一月內有些日子出現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一次高潮和一次低潮。我國南海多數地點屬混合潮型。如榆林港,十五天出現全日潮,其餘日子為不規則的半日潮,潮差較大。不論那種潮汐類型,在農曆每月初一、十五以後兩三天內,各要發生一次潮差最大的大潮,那時潮水漲得最高,落得最低。在農曆每月初八、二十三以後兩三天內,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。

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。引潮力又是怎樣的一種力呢?在物理學看來,在非慣性系下,引潮力是月球的萬有引力和與之對應的慣性,還有太陽的萬有引力和與之對應的慣性力等四種力的合力。有的資料提到“離心力”也是引潮力的分力之一,物理學中有離心現象的提法,卻沒有“離心力”的概念和定義。不過“離心力”的本意正是慣性。
只用月球的引力作用解釋不了,為什麼漲潮現象同時發生在地球離月球最近的海面和離月球最遠的海面這兩個區域,從而使球形的海平面變成紡錘體形,如圖。同樣太陽的引力也是如此。截止到2012年,物理學界出現了最新穎的重力概念和定義。定義的內容是:“在靜力學範圍內,以放置物體的支撐物或物體自身為非慣性參照物,重力是物體所受各萬有引力與各慣性力的合力。”該定義能成功地解釋潮汐成因。這裡要注意的是,在把各星球看做質點的情況下,求地面上物體的重力時,只有地球對物體的萬有引力和與物體隨地球自轉的向心力對應的慣性力參加運算,其他各星球的萬有引力都和與之對應的慣性抵消了。
潮汐(自然現象)
潮汐的形成原因如下:
先說月球的作用。把地球和月球看做質點,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心做圓周運動,只是地球的圓周軌道小得多。(雙星的兩個質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,地球質點受到月球質點的萬有引力正是地球質點繞共同質心做圓周運動的向心力,而此向心力對應的慣性力與此向心力大小相等方向相反。所以地球質點受月球質點的萬有引力與這個慣性力相互抵消。
既然地球被看做質點,就可以把地球上物體的運動軌跡和動力學規律看做與地球質點完全一樣。這樣物體受的月球的萬有引力和與之對應的慣性力相互抵消。
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、月共同質心做圓周運動的軌道半徑明顯小於地球質點的軌道半徑,物體所受月球的萬有引力就會大於所受對應的慣性力,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”是這裡的海水,那么這裡就會有漲潮發生。用同樣的方法研究離月球最遠的地面上的物體,月球對此處物體的萬有引力小於與之對應的慣性力,它們的合力又是與地球對此處物體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生。這就使本應是球形的海平面微微呈現出紡錘體形狀。
研究太陽對潮汐的作用,與研究月亮作用的方法相同。如果認為地球繞太陽的中心做圓周運動,問題就簡單了。這裡不做詳細論述。
地潮、海潮和氣潮的發生都是上述原因引起的,三者之間互有影響。因月球距地球比太陽近,月球與太陽引潮力之比為11:5,對海洋而言,月亮潮比太陽潮顯著。大洋底部地殼的彈性和—塑性導致潮汐形變,會引起相應的海潮,即對海潮來說,存在著地潮效應的影響;而海潮引起的海水質量的遷移,改變著地殼所承受的負載,使地殼發生可復的變曲。氣潮在海潮之上,它作用於海面上引起其附加的振動,使海潮的變化更趨複雜。
這種能量通過淺海區和海岸區的磨擦,以1.7TW(1.7x10^12W)的速率消散。
即朔點時刻處太陽和月球在地球的一側,所以就有了最大的引潮力,所以會引起“大潮”,在農曆每月的十五或十六附近,太陽和月亮在地球的兩側,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,即農曆的初八和二十三時,太陽引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分所以就發生了“小潮”,故農諺中有“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生,由於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。

開發利用

能源開發

潮汐能
潮汐能是以位能的形態出現的海洋能,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。由於地球的旋轉,這種水位的上升以周期為12小時25分和振幅小於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。當太陽、月球和地球在一條直線上時,就產生大潮(springtides);當它們成直角時,就產生小潮(neaptides)。除了半日周期潮和月周期潮的變化外,地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的周期性循環,其周期可以從幾天到數年。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生引潮力。雖然太陽的質量比月球大得多,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,或因質量太小所產生的引潮力微不足道。根據平衡潮理論,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。或者說,與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發電相比,潮汐能的能量密度很低,相當於微水頭髮電的水平。世界上潮差的較大值約為13~15m,但一般說來,平均潮差在3m以上就有實際套用價值。
潮汐的形成潮汐的形成
開發潛力
潮汐因地而異的,不同的地區常有不同的潮汐系統,它們都是從深海潮波獲取能量,但具有各自獨特的特徵。儘管潮汐很複雜,但對任何地方的潮汐都可以進行準確預報。海洋潮汐從地球的旋轉中獲得能量,並在吸收能量過程中使地球旋轉減慢。但是這種地球旋轉的減慢在人的一生中是幾乎覺察不出來的,而且也並不會由於潮汐能的開發利用而加快。這種能量通過淺海區和海岸區的摩擦,以1.7TW的速率消散。只有出現大潮,能量集中時,並且在地理條件適於建造潮汐電站的地方,從潮汐中提取能量才有可能。雖然這樣的場所並不是到處都有,但世界各國已選定了相當數量的適宜開發潮汐能的站址。據最新的估算,有開發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,實際可利用的遠小於上述數字。
發電原理
潮汐發電與普通水力發電原理類似,通過出水庫,在漲潮時將海水儲存的水庫內,以勢能的形勢保存,然後,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,帶動發電機發電。差別在於海水與河水不同,蓄積的海水落差不大,但流量較大,並且呈間歇性,從而潮汐發電的水輪機結構要適合低水頭、大流量的特點。
發電站
世界各國已選定了相當數量的適宜開發潮汐能的站址。據最新的估算,有開發潛力的潮汐能量每年約200TW·h。1912年,世界上最早的潮汐發電站在德國的布斯姆建成。1966年,世界上最大容量的潮汐發電站在法國的朗斯建成。我國在1958年以來陸續在廣東省的順德和東灣、山東省的乳山、上海市的崇明等地,建立了潮汐能發電站。
潮汐電站潮汐電站
加拿大安納波利斯潮汐電站、法國朗斯潮汐電站、基斯拉雅潮汐電站是世界三大著名潮汐電站。

軍事套用

1661年4月21日,鄭成功率領兩萬五千將士從金門島出發,到達澎湖列島,進入台灣攻打赤嵌城。鄭成功的大軍捨棄港闊水深、進出方便、但岸上有重兵把守的大港水道,而選擇了鹿耳門水道。鹿耳門水道水淺礁多,航道不僅狹窄且有荷軍鑿沉的破船堵塞,所以荷軍此處設防薄弱。鄭成功率領軍隊乘著漲潮航道變寬且深時,攻其不備,順流迅速通過鹿耳門,在禾寮港登入,直奔赤嵌城,一舉登入成功。
潮汐潮汐
1939年,德國布置水雷,攔襲夜間進出英吉利海峽的英國艦船。德軍根據精確計算潮流變化的大小及方向,確定錨雷的深度、方位,用漂雷戰術取得較大戰果。1950年韓戰初期,朝鮮人民軍如風卷殘石,長驅直入打到釜山一帶。美國急忙糾集聯合國多國部隊,氣勢洶洶殺到朝鮮,但在選定登入地點時犯了難——適合登入的港口都有朝鮮人民軍重兵把守,強行登入必然代價巨大。經過慎重考慮,最終美軍司令麥克阿瑟指揮美軍於仁川成功登入。原來,仁川港位於朝鮮的西海岸,離首都漢城西28公里,起著漢城關門的作用。海面是亞洲潮差最大的,最高達9.2米,退潮時近岸淤泥灘長5000餘米,登入艦船、兩棲車輛和登入兵極易擱淺;沿岸築有4米高的石質防波堤,構成登入兵和兩棲車輛的障礙;進入港口的船隻,只有一條飛魚峽水道,倘若有一艘艦船沉沒,就堵塞了航道;岸上炮兵可將近岸的艦船、兩棲車輛和登入兵全部摧毀。朝鮮人民軍認為美軍不可能從仁川登入,加之戰線拉得太長,所以對仁川港疏於防守,兵力薄弱。然而,仁川港地區每年有3次最高的大潮,最高時潮差可達9.2米,其中就有9月15日。經過分析計算,美軍於9月15日利用大潮高漲,穿過了平時原本狹窄、淤泥堆積的飛魚峽水道和礁灘,出人意料地在仁川港登入。朝鮮人民軍因此被攔腰截斷,前線後勤完全失去保障,腹背受敵,損失慘重,幾乎陷入絕境。麥克阿瑟指揮的美軍和聯合國軍,僅用1個月,幾乎席捲朝鮮半島,兵臨鴨綠江邊,取得空前勝利。
但這次成功的登入範例也有敗筆,美軍算錯了仁川港當天漲潮時刻,真正的漲潮提前到來。因此,儘管前方美軍已經提前登入成功,炮兵卻按預定時間進行登入前的轟炸,結果將已登入的軍隊炸得血肉橫飛,白白損失了一營的官兵。

對天體影響

  1. 潮汐與地球自轉變慢
    由於各層海水作相對運動時會發生粘滯力以及海水與陸地和海床的摩擦作用,潮汐對地球自轉有一種制動作用,使地球自轉逐漸變慢.研究表明,地球自轉周期每個世紀變長1-2毫秒,如果把這一減慢效應套用到長的時間跨度上,則距今37000萬年以前(泥盆紀)的一年天數約有400天左右,這與泥盆紀珊瑚化石的生長環數目相符(珊瑚環一天長一環)。
  2. 月球總是以同一面對著我們
    人們發現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.這是由於月球自轉周期恰好和月球繞地球轉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果。由計算可得地球對月球的起潮力為月球對地球起潮力的22.17倍。如此強大的起潮力,加上月球的轉動慣量又比地球小得多,因此,潮汐所造成的自轉速度減慢對於月球尤為顯著.可以構想,早期的月球有較大的自轉速度,在潮汐的作用下,使月球自轉逐漸減慢,最後,月球自轉周期和月球繞地球轉動的周期相等,此時,月球潮汐消失,月球的自轉周期不再發生變化,所以今天的月球總是以相同的一面對著地球。
  3. 潮汐與月一地距離的增大
    潮汐使得地球自轉變慢,導致地球自轉角動量減少.由於地一月系統的總角動量應保持不變,且月球繞地球旋轉的方向與地球自轉方向基本相同,故地球自轉角動量減少,勢必使得月球對地一月系統質心的角動量增大,以保持地一月系統的總角動量守恆.這一效應的實際效果是使得月球與地球的距離緩慢增加.據近年觀測,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。
    由於潮汐的凸起部分被地球的自轉帶向東面,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生漂移,偏在地球和月球質量中心連線的東面.於是月球在它的軌道運動方向產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.

世界名潮

錢塘江大潮是世界三大涌潮之一,是天體引力和地球自轉的離心作用,加上杭州灣喇叭口的特殊地形所造成的特大涌潮。錢塘江口外寬內窄,呈明顯的喇叭狀。出江口的江面有一百千米寬,越往裡江面越窄到海寧鹽官鎮一帶時江面驟然降到只有3千米寬。錢塘江暴漲潮和深入內陸六百多公里的長江潮。主要是由於潮流沿著入海河流的河道溯流而上形成的。潮水湧入三角形海灣中,潮位堆高,潮差增大。當潮流湧來時,潮端陡立,水花四濺,象一道高速推進的直立水牆,前面的還沒有疏通,後面的浪又趕上來,一浪高過一浪,十分壯觀,形成"滔天濁浪排空來,翻江倒海山為摧"的壯觀景象。
錢塘江大潮圖錢塘江大潮圖
余亞飛詩云:“錢塘一望浪波連,頃刻狂瀾橫眼前;看似平常江水裡,蘊藏能量可驚天”。潮頭初臨時,江面閃現出一條白線,伴之以隆隆的聲響,潮頭由遠而近,飛馳而來,潮頭推擁,鳴聲如雷,頃刻間,潮峰聳起一面三四米高的水牆直立於江面,噴珠濺玉,勢如萬馬奔騰。觀潮始於漢魏,盛於唐宋,歷經2000餘年,已成為當地的習俗。

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