潮汐原理及周期

时间：2024-05-04

周双敏湖南省师范大学附属中学

潮汐原理及周期

周双敏湖南省师范大学附属中学

潮汐是在地球上普遍存在的一种物理现象，是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性涨落的现象，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。本文简要研究潮汐现象形成的基本原理及其周期分类。

潮汐现象原理周期

1 潮汐现象

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，海水推波逐澜，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。法国文学称之为“大海的呼吸”。

海水的这种运动现象很早就引起人们的注意，它与人类的关系非常密切。我国古代天文学家余靖在其著作《海潮图序》中记载：“潮之涨落，海非增减，盖月之所临，则之往从”；哲学家王充在《论衡》中也提出“涛之起也，随月盛衰”的现象，皆指出潮汐出现与月亮有关。直到17世纪80年代，英国科学家牛顿发现了万有引力定律之后，提出了“潮汐是由于月亮和太阳对海水的吸引力引起”的假设，以此科学地解释了潮汐产生的原因。2012年力学界出现了新颖的确切定义，即重力是万有引力与惯性力的合力。用重力的新定义能准确地解释潮汐的成因。

2 潮汐形成原理

在不考虑其他星球的微弱作用的情况下，月球和太阳对海洋的引潮力的作用是引起海水涨落的原因。引潮力又是怎样的一种力呢？在物理学看来，在非惯性系下，引潮力是月球的万有引力和与之对应的惯性力，还有太阳的万有引力和与之对应的惯性力等四种力的合力。

首先了解月球的作用。把地球和月球看作质点，说月球绕地球做圆周运动，实际上是月球和地球都绕二者的共同质心圆做周运动，只是地球的圆周轨道小得多。（双星的两个质量相近的星球的圆周轨道近似相等）以地心为非惯性参照物，地球质点受到月球质点的万有引力正是地球质点绕共同质心做圆周运动的向心力，而此向心力对应的惯性力与此向心力大小相等方向相反。所以地球质点受月球质点的万有引力与这个惯性力相互抵消。

既然地球被看作质点，就可以把地球上物体的运动轨迹和动力学规律看作与地球质点完全一样。这样物体受的月球的万有引力和与之对应的惯性力相互抵消。

实际上地球的体积很大，在离月球最近的地面上的物体，绕地、月共同质心做圆周运动的轨道半径明显小于地球质点的轨道半径，物体所受月球的万有引力就会大于所受对应的惯性力，这两个力不能再抵消，其合力与物体受地球的万有引力方向相反，使物体的重力明显变小。如果所说的“物体”是这里的海水，那么这里就会有涨潮发生。用同样的方法研究离月球最远的地面上的物体，月球对此处物体的万有引力小于与之对应的惯性力，它们的合力又是与地球对此处物体的万有引力方向相反，也是使物体的重力明显变小。所以在离月球最远的那部分海水同时也会有涨潮发生。这就使本应是球形的海平面微微呈现出纺锤体形状。

研究太阳对潮汐的作用，与研究月亮作用的方法相同。这里不做详细论述。

3 潮汐周期

由于地球、月球在不断运动，地球、月球与太阳的相对位置在发生周期性变化，因此引潮力也在周期性变化，这就使潮汐现象周期性地发生。对应于潮汐的生物周期活动，在海岸可以见到一般潮的涨落为12．4小时的周期，而最大潮和最小潮的潮期大约为半月（14．8日）等。

3.1 半日周期

在海岸可以见到一般潮的涨落为12．4小时的周期，一日之内，地球上除南北两极及个别地区外，各处的潮汐均有两次涨落，一个太阳日内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等（6小时12．5分），及每次周期12小时25分，一日两次，共24小时50分，所以潮汐涨落的时间每天都要推后50分钟。我国渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型，如大沽、青岛、厦门等。

3.2 全日周期

一个太阳日内只有一次高潮和一次低潮。如南海汕头、渤海秦皇岛等。南海的北部湾是世界上典型的全日潮海区。

3.3 半月周期

当太阳、月亮、地球在一条直线上时，就产生大潮；当他们成直角时，就产生小潮。最大潮和最小潮的潮期为时大约半月（14．8日）周期潮。

3.4 月周期

一月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时间也不等；而另一些日子则出现一次高潮和一次低潮。我国南海多数地点，如榆林港，十五天出现全日潮，其余日子为不规则的半日潮，潮差较大。不论潮汐类型，在农历每月初一、十五以后两三天内，各要发生一次潮差最大的大潮，那时潮水涨得最高，落得最低。在农历每月初八、二十三以后两三天内，各有一次潮差最小的小潮，届时潮水涨得不太高，落得也不太低。