潮汐现象及应用

潮汐现象及应用

摘要：潮汐能是一种洁净无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源。我国海岸线漫长曲折, 蕴藏着丰富的潮汐能资源。开发和利用潮汐能,进行潮汐发电对于缓解我国能源危机具有重大意义。本文从潮汐形成的原因分析了潮汐现象，介绍几种潮汐的应用，重点介绍了潮汐发电。在可支配的资源日益匮乏的今天, 探索和开发潮汐发电, 是解决未来世界能源危机的有效办法之一。

关键词：潮汐现象；潮汐应用；潮汐发电

The tide phenomenon and application

Abstract：Tidal energy is a clean, pollution-free, abundant renewable and new energy. Our country has long and tortuous coastline which is rich in tidal energy resource. With the development and utilization of tidal energy, tidal power generation is of major significance for alleviating China's energy crisis. This article has analyzed the tidal phenomenon from the cause of the tides, introduced several applications of tidal, focusing on tide power. Today, due to the increasing scarcity of the resources at their disposal, the exploration and exploitation of tidal power is one of the effective ways to solve the world's future energy crisis.

Key words：tidal phenomena；tidal applications；tidal power generation

1 前言

波涛汹涌的大海，在太阳和月亮万有引力的作用下，时而潮高百尺，时而悄然隐退,海水夜以继日、年复一年、有规律的起起落落，宛如大海在有节奏的进行“呼吸”，这就是人们常说的潮汐现象[1]。潮汐天天发生，循环不已，永不停息，为人们的航海、捕捞和晒盐提供了方便。随着科学技术的进步，潮汐发电给人类带来了光明和动力。在满足用电需求的同时，降低石油等非再生资源的消耗，减少环境污染，开发新型环保电站迫在眉睫。我国至今开发的潮汐能不足可开发量的1‰，潮汐能作为一种清洁、可再生能源，开发潜力巨大。

2 潮汐现象

2.1 潮汐现象的定义

潮汐是海水的一种周期性涨落运动。“潮者, 据朝来也；汐者, 言夕至也”( 葛洪,公元281-361,东晋),即一昼夜中两次涨起、两次跌落。白天上涨的叫做“潮”, 晚上上涨的叫做“汐”,合称“潮汐”。在潮汐涨落的期内, 当水位上涨到最高位置时, 叫做高潮;当水位下降到最低位置时, 叫做低潮。相邻高潮与低潮的水位差叫做潮差。从低潮到高潮的过程中,水位逐渐上升,叫做涨潮;从高潮到低潮的过程中, 水位逐渐下降, 叫做落潮[2]。我国钱塘江入海口就是世界两大观潮胜地之一(另一为亚马逊河北河口),惊心动魄的自然界景观很早就引起人们的关注。中国公元前2世纪早期的文献已记载月望(满月)之日十分壮观的海潮。东汉王充在论衡中写道“涛之起也,随月盛衰,大小、满损不齐同”, 指出潮汐与月球的依赖关系。封演的见闻记精确地记述了涨潮时间的逐日变化。其后更有余靖、张君房、燕肃、沈括、郭守敬等人对潮汐观测的精确描述。李约瑟(1900-1995)曾说:“在近代以前,中国对潮汐现象的了解与兴趣,总的来说多于欧洲”。近代潮汐的研究, 是利用牛顿提出的万有引力定律, 后又经伯努利、欧拉及拉普拉斯等人的工作而趋于完善。20世纪以来, 大型电子计算机的应用使潮汐的研究结合实际海陆分布、深海、浅海等不同因素, 数据更加精确。根据牛顿的理论分析, 潮汐现象是由于太阳、月球的引力在地球上分布的差异产生的。2.2 潮汐的分类

潮汐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运动，事实上潮汐有多种，就海洋潮汐而言，就有根据太阳、月亮、地球排列位置分的“大潮”和“小潮” [3]；根据月球与地球距离分的“近地潮”和“远地潮”；根据引潮力方向分的“顺潮”和“对潮”。

以一昼夜高、低潮出现次数的不同又可分为以下几类：半日潮，是指一昼夜内出现两次高潮和两次低潮；全日潮，是指一昼夜内只有一次高潮和一次低潮；混合潮，是指一个月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，有些日子出现一次高潮和一次低潮。所以潮汐现象不仅仅是一昼夜中海水的两涨两落现象。

3 潮汐形成的原因

3.1 月球对海水的引潮力

地球在绕着太阳高速运动的同时，也绕着地球的轴在自转，所以地球是一个非惯

性系[4]。在非惯性系中，存在一个惯性力。随着地球的自转而旋转的海水，一方面受到惯性力的作用，同时也受到月球对海水的万有引力的作用。月球对海水的万有引力跟月球距海水的距离有关，致使月球对海水的引力不均匀，所以不同处海水受到的惯性力与月球对海水的万有引力的合力就不同。我们把海水的惯性力与月球对海水的万有引力的合力叫引潮力。正是由于月球和太阳对海水的引潮力引起了海水的涨落，形成了潮汐现象[5]。

3.2 月球的引潮力公式

以地月两球心的连线为平面坐标系的Z 轴，垂直于地月连线的直线为Y 轴，以

地心为坐标系的原点。则对地心有0=+=惯引合F F F ，其中引F 为月球对地球的万有引

力，惯F 为地球的惯性力。由此式得：2r M GM F F 月地引惯-=-=，式中地M 、月M 分别表示地、月两球的质量，r 表示地月两球球心间的距离[6]。

地球 对于地球上任意处的海水m ∆来说，不论哪个方位的海水，其受到的惯性力是3r r m GM F ''⋅∆-= 月惯，同样对于地球上任意方位的海水，其受到月球的万有引力是

3r r m GM F ''⋅∆= 月引[7]，r '是m ∆的海水P 到月球的距离[7]，所以海水的引潮力为：

引惯潮F F F +=。

海水的引潮力在x 、y 轴上的分力分别为：

()23c o s r m GM r R r m GM F F F x x '∆-'-∆=-=月月惯引潮α，

(1) 3c o s r mR GM F F y y '∆-==α月引潮 ， (2)

αcos 222Rr R r r -+='，

所以，()()22322cos 2cos r m GM Rr R r R r m GM F x ∆--+-∆=月月潮αα，

图 1 月球对海水引潮力的示意图