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潮汐(自然现象)

潮汐现象是沿海地区的一种自然现象,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运动,习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐,而海水在水平方向的流动称为潮流。我们的祖先为了表示生潮的时刻,把发生在早晨的高潮叫潮,发生在晚上的高潮叫汐。这是潮汐的名称的由来。

在月球和太阳引力作用下,海洋水面周期性的涨落现象。在白天的称潮,夜间的称汐,总称“潮汐”。一般每日涨落两次,也有涨落一次的。外海潮波沿江河上溯,又使得江河下游发生潮汐。北齐颜之推《颜氏家训归心》:“潮汐去还,谁所节度?”宋苏辙《和子瞻雪浪斋》:“门前石岸立精铁,潮汐洗尽莓苔昏。”明刘基《江行杂诗》之七:“坤灵不放厚地裂,应有潮汐通扶桑。”叶圣陶《穷愁》:“赌窟既破,全市喧传,群来聚视博徒何如人,市嚣乃如潮汐。”

形容具有与潮汐现象相似特性的事物:潮汐车道、潮汐客流等。

由于日、月引潮力的作用,使地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化,总称潮汐。作为完整的潮汐科学,其研究对象应将地潮、海潮和气潮作为一个统一的整体,但由于海潮现象十分明显,且与人们的生活、经济活动、交通运输等关系密切,因而习惯上将潮汐(tide)一词狭义理解为海洋潮汐。固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性塑性形变,称固体潮汐,简称固体潮或地潮

海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、涨落与进退,称海洋潮汐,简称海潮

大气各要素(如气压场、大气风场、地球磁场等)受引潮力的作用而产生的周期性变化(如8、12、24小时)称大气潮汐,简称气潮

其中由太阳引起的大气潮汐称太阳潮,由月球引起的称月球潮汐

咸潮,主要是由旱情引起的,一般发生在上一年冬至到次年立春清明期间,由于上游江水水量少,雨量少,使江河水位下降,由此导致沿海地区海水通过河流或其他渠道倒流到内陆区域。咸潮的影响主要表现在氯化物的含量上,按照国家有关标准,如果水的含氯度超过250毫克/升就不宜饮用。这种水质还会危害到当地的植物生存。

咸潮上溯属于沿海地区一种特有的季候性自然现象,多发于枯水季节、干旱时期。咸水上溯意味着位于江河下游的抽水口在咸潮上溯期间抽上来的不是能饮用、灌溉的淡水,而是陆地生命无法赖以生存的海水。我国的咸潮多发生在珠江口。

根据潮汐周期又可分为以下三类:

半日潮型: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)。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。

全日潮型: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。

混合潮型: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。我国南海多数地点属混合潮型。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。不论那种潮汐类型,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。

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,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。有的资料提到“离心力”也是引潮力的分力之一,物理学中有离心现象的提法,却没有“离心力”的概念和定义。不过“离心力”的本意正是惯性。

只用月球的引力作用解释不了,为什么涨潮现象同时发生在地球离月球最近的海面和离月球最远的海面这两个区域,从而使球形的海平面变成纺锤体形,如图。同样太阳的引力也是如此。截止到2012年,物理学界出现了最新颖的重力概念和定义。定义的内容是:“在静力学范围内,以放置物体的支撑物或物体自身为非惯性参照物,重力是物体所受各万有引力与各惯性力的合力。”该定义能成功地解释潮汐成因。这里要注意的是,在把各星球看做质点的情况下,求地面上物体的重力时,只有地球对物体的万有引力和与物体随地球自转的向心力对应的惯性力参加运算,其他各星球的万有引力都和与之对应的惯性抵消了。

潮汐的形成原因如下:

先说月球的作用。把地球和月球看做质点,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做圆周运动,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。

既然地球被看做质点,就可以把地球上物体的运动轨迹和动力学规律看做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。如果认为地球绕太阳的中心做圆周运动,问题就简单了。这里不做详细论述。

地潮、海潮和气潮的发生都是上述原因引起的,三者之间互有影响。因月球距地球比太阳近,月球与太阳引潮力之比为11:5,对海洋而言,月亮潮比太阳潮显著。大洋底部地壳的弹性和塑性导致潮汐形变,会引起相应的海潮,即对海潮来说,存在着地潮效应的影响;而海潮引起的海水质量的迁移,改变着地壳所承受的负载,使地壳发生可复的变曲。气潮在海潮之上,它作用于海面上引起其附加的振动,使海潮的变化更趋复杂。

这种能量通过浅海区和海岸区的磨擦,以1.7TW(1.7x10^12W)的速率消散。

即朔点时刻处太阳和月球在地球的一侧,所以就有了最大的引潮力,所以会引起“大潮”,在农历每月的十五或十六附近,太阳和月亮在地球的两侧,太阳和月球的引潮力你推我拉也会引起“大潮”;在月相为上弦和下弦时,即农历的初八和二十三时,太阳引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分所以就发生了“小潮”,故农谚中有“初一十五涨大潮,初八二十三到处见海滩”之说。另外在第天也有涨潮发生,由于月球每天在地球上东移13度多,合计为50分钟左右,即每天月亮上中天时刻(为1太阴日=24时50分)约推迟50分钟左右,(下中天也会发生潮水每天一般都有两次潮水)故每天涨潮的时刻也推迟50分钟左右。

潮汐能

潮汐能是以位能的形态出现的海洋能,是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间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。由于地球的旋转,这种水位的上升以周期为12小时25分和振幅小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似,但是作用力小些,其周期为12小时。当太阳、月球和地球在一条直线上时,就产生大潮(springtides);当它们成直角时,就产生小潮(neaptides)。除了半日周期潮和月周期潮的变化外,地球和月球的旋转运动还产生许多其他的周期性循环,其周期可以从几天到数年。同时地表的海水又受到地球运动离心力的作用,月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力。

潮差对比

除月球、太阳外,其他天体对地球同样会产生引潮力。虽然太阳的质量比月球大得多,但太阳离地球的距离也比月球与地球之间的距离大得多,所以其引潮力还不到月球引潮力的一半。其他天体或因远离地球,或因质量太小所产生的引潮力微不足道。根据平衡潮理论,如果地球完全由等深海水覆盖,用万有引力计算,月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0.563m,太阳引潮力的作用为0.246m,夏威夷等大洋处观测的潮差约1m,与平衡潮理论比较接近,近海实际的潮差却比上述计算值大得多。如我国杭州湾的最大潮差达8.93m,北美加拿大芬地湾最大潮差更达19.6m。通过上升、收聚和共振等运动,使潮差增大。潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。或者说,与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比,潮汐能的能量密度很低,相当于微水头发电的水平。世界上潮差的较大值约为13~15m,但一般说来,平均潮差在3m以上就有实际应用价值。

开发潜力

潮汐因地而异的,不同的地区常有不同的潮汐系统,它们都是从深海潮波获取能量,但具有各自独特的特征。尽管潮汐很复杂,但对任何地方的潮汐都可以进行准确预报。海洋潮汐从地球的旋转中获得能量,并在吸收能量过程中使地球旋转减慢。但是这种地球旋转的减慢在人的一生中是几乎觉察不出来的,而且也并不会由于潮汐能的开发利用而加快。这种能量通过浅海区和海岸区的摩擦,以1.7TW的速率消散。只有出现大潮,能量集中时,并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方,从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有,但世界各国已选定了相当数量的适宜开发潮汐能的站址。据最新的估算,有开发潜力的潮汐能量每年约200TWh。

潮能储量

全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3×10^9kw。我国海岸线曲折,全长约1.8×10^4km,沿海还有6000多个大小岛屿,组成1.4×10^4km的海岸线,漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。我国潮汐能的理论蕴藏量达1.1×10^8kw,其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9-,但这都是理论估算值,实际可利用的远小于上述数字。

发电原理

潮汐发电与普通水力发电原理类似,通过出水库,在涨潮时将海水储存的水库内,以势能的形势保存,然后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。差别在于海水与河水不同,蓄积的海水落差不大,但流量较大,并且呈间歇性,从而潮汐发电的水轮机结构要适合低水头、大流量的特点。

发电站

世界各国已选定了相当数量的适宜开发潮汐能的站址。据最新的估算,有开发潜力的潮汐能量每年约200TWh。1912年,世界上最早的潮汐发电站在德国的布斯姆建成。1966年,世界上最大容量的潮汐发电站在法国的朗斯建成。我国在1958年以来陆续在广东省的顺德和东湾、山东省的乳山、上海市的崇明等地,建立了潮汐能发电站。

加拿大安纳波利斯潮汐电站、法国朗斯潮汐电站、基斯拉雅潮汐电站是世界三大著名潮汐电站。

1661年4月21日,郑成功率领两万五千将士从金门岛出发,到达澎湖列岛,进入台湾攻打赤嵌城。郑成功的大军舍弃港阔水深、进出方便、但岸上有重兵把守的大港水道,而选择了鹿耳门水道。鹿耳门水道水浅礁多,航道不仅狭窄且有荷军凿沉的破船堵塞,所以荷军此处设防薄弱。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。

1939年,德国布置水雷,拦袭夜间进出英吉利海峡的英国舰船。德军根据精确计算潮流变化的大小及方向,确定锚雷的深度、方位,用漂雷战术取得较大战果。1950年朝鲜战争初期,朝鲜人民军如风卷残石,长驱直入打到釜山一带。美国急忙纠集联合国多国部队,气势汹汹杀到朝鲜,但在选定登陆地点时犯了难适合登陆的港口都有朝鲜人民军重兵把守,强行登陆必然代价巨大。经过慎重考虑,最终美军司令麦克阿瑟指挥美军于仁川成功登陆。原来,仁川港位于朝鲜的西海岸,离首都汉城西28公里,起着汉城关门的作用。海面是亚洲潮差最大的,最高达9.2米,退潮时近岸淤泥滩长5000余米,登陆舰船、两栖车辆和登陆兵极易搁浅;沿岸筑有4米高的石质防波堤,构成登陆兵和两栖车辆的障碍;进入港口的船只,只有一条飞鱼峡水道,倘若有一艘舰船沉没,就堵塞了航道;岸上炮兵可将近岸的舰船、两栖车辆和登陆兵全部摧毁。朝鲜人民军认为美军不可能从仁川登陆,加之战线拉得太长,所以对仁川港疏于防守,兵力薄弱。然而,仁川港地区每年有3次最高的大潮,最高时潮差可达9.2米,其中就有9月15日。经过分析计算,美军于9月15日利用大潮高涨,穿过了平时原本狭窄、淤泥堆积的飞鱼峡水道和礁滩,出人意料地在仁川港登陆。朝鲜人民军因此被拦腰截断,前线后勤完全失去保障,腹背受敌,损失惨重,几乎陷入绝境。麦克阿瑟指挥的美军和联合国军,仅用1个月,几乎席卷朝鲜半岛,兵临鸭绿江边,取得空前胜利。

但这次成功的登陆范例也有败笔,美军算错了仁川港当天涨潮时刻,真正的涨潮提前到来。因此,尽管前方美军已经提前登陆成功,炮兵却按预定时间进行登陆前的轰炸,结果将已登陆的军队炸得血肉横飞,白白损失了一营的官兵。

潮汐与地球自转变慢

由于各层海水作相对运动时会发生粘滞力以及海水与陆地和海床的摩擦作用,潮汐对地球自转有一种制动作用,使地球自转逐渐变慢.研究表明,地球自转周期每个世纪变长1-2毫秒,如果把这一减慢效应应用到长的时间跨度上,则距今37000万年以前(泥盆纪)的一年天数约有400天左右,这与泥盆纪珊瑚化石的生长环数目相符(珊瑚环一天长一环)。

月球总是以同一面对着我们

人们发现月球总是以同一面对着我们,它的另一面我们在地球上是看不到的.这是由于月球自转周期恰好和月球绕地球转动的周期相等造成的,而这两个周期相同则是潮汐长期作用的结果。由计算可得地球对月球的起潮力为月球对地球起潮力的22.17倍。如此强大的起潮力,加上月球的转动惯量又比地球小得多,因此,潮汐所造成的自转速度减慢对于月球尤为显著.可以设想,早期的月球有较大的自转速度,在潮汐的作用下,使月球自转逐渐减慢,最后,月球自转周期和月球绕地球转动的周期相等,此时,月球潮汐消失,月球的自转周期不再发生变化,所以今天的月球总是以相同的一面对着地球。

潮汐与月一地距离的增大

潮汐使得地球自转变慢,导致地球自转角动量减少.由于地一月系统的总角动量应保持不变,且月球绕地球旋转的方向与地球自转方向基本相同,故地球自转角动量减少,势必使得月球对地一月系统质心的角动量增大,以保持地一月系统的总角动量守恒.这一效应的实际效果是使得月球与地球的距离缓慢增加.据近年观测,月球正以每年3.81厘米的速度远离地球.月球缓慢地远离地球,也可以用地球潮汐凸起部分形成的月球加速度来解释。

由于潮汐的凸起部分被地球的自转带向东面,凸起部分A比B离月球更近,因而这两部分对月球的引力不同,使得地球引力中心发生漂移,偏在地球和月球质量中心连线的东面.于是月球在它的轨道运动方向产生了一个很小的加速度,使月球的速度加快缓慢地向外盘旋.

钱塘江大潮

钱塘江大潮是世界三大涌潮之一,是天体引力和地球自转的离心作用,加上杭州湾喇叭口的特殊地形所造成的特大涌潮。钱塘江口外宽内窄,呈明显的喇叭状。出江口的江面有一百千米宽,越往里江面越窄到海宁盐官镇一带时江面骤然降到只有3千米宽。钱塘江暴涨潮和深入内陆六百多公里的长江潮。主要是由于潮流沿着入海河流的河道溯流而上形成的。潮水涌入三角形海湾中,潮位堆高,潮差增大。当潮流涌来时,潮端陡立,水花四溅,象一道高速推进的直立水墙,前面的还没有疏通,后面的浪又赶上来,一浪高过一浪,十分壮观,形成"滔天浊浪排空来,翻江倒海山为摧"的壮观景象。

余亚飞诗云:“钱塘一望浪波连,顷刻狂澜横眼前;看似平常江水里,蕴藏能量可惊天”。潮头初临时,江面闪现出一条白线,伴之以隆隆的声响,潮头由远而近,飞驰而来,潮头推拥,鸣声如雷,顷刻间,潮峰耸起一面三四米高的水墙直立于江面,喷珠溅玉,势如万马奔腾。观潮始于汉魏,盛于唐宋,历经2000余年,已成为当地的习俗。

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