潮汐产生的原因及其应用

潮汐产生的原因及其应用

到过海边的人都知道，海水有涨潮和落潮现象。涨潮时，海水上涨，波浪滚滚，景色十分壮观；退潮时，海水悄然退去，露出一片海滩。我国古书上说：“大海之水，朝生为潮，夕生为汐。”那么，潮汐是怎样产生的？

古时候，很多贤哲都探讨过这个问题，提出过一些假想。古希腊哲学家柏拉图认为地球和人一样，也要呼吸，潮汐就是地球的呼吸。他猜想这是由于地下岩穴中的振动造成的，就像人的心脏跳动一样。

随着人们对潮汐现象的不断观察，对潮汐现象的真正原因逐渐有了认识。我国古代余道安在《海潮图序》一书中说：“潮之涨落，海非增减，盖月之所临，则之往从之。”汉代思想家王充在《论衡》中写到：“涛之起也，随月盛衰。”他们都指出了潮汐与月球有关系。到了17世纪80年代，英国科学家牛顿发现了万有引力定律以后，提出了潮汐是由于月球和太阳对海水的吸引力引起的假设，从而科学地解释了潮汐产生的原因。

原来，海水随着地球自转也在旋转，而旋转的物体都受到离心力的作用，使它们有离开旋转中心的倾向，这就好像旋转张开的雨伞，雨伞上水珠将要被甩出去一样。同时海水还受到月球、太阳和其它天体的吸引力，因为月球离地球最近，所以月球的吸引力较大。这样海水在这两个力的共同作用下形成了引潮力。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。

一、潮汐起因的理论分析

海洋潮汐主要是受月球和太阳引潮力引起的，现在以月球为例来说明这个问题，如图所示，在地球和月球构成的引力系统中，地球上的不同点，月球

引力的方向不同，大小也不相等。在离月球最近的A点引力最

大，在最远的C点引力最小。

又由于在地球和月球引力系统中，月球并不同以地球球心

为圆心作圆周运动，而是地、月均围绕二者的共公共质心转动。

通过简单计算可知，这个公共质心位于距离地心0.73R(R为地

球半径)的地方。月球对地球的引力使地球产生指向月天的加紧

速度。设地月之间距离为d，则这一加速度大小等于GM月/d2。因此，在相对于地心静止的参照系中，地球上的物体要受到惯性离心力的作用。由于地球在绕公共质心运动时，地球上各之间处于平动状态，所以在地球的不同地方，惯性离心力的大小相等，方向相同。

在地心处，惯性离心力的大小相等，方向相反，

因而能使地月之间始终保持着一定的距离。但在地

球上其它地方，二者并不相等。月球引力和惯性离

心力的矢量和，就是月球使海水产生潮汐现象的原

因，我们称之为“月球引潮力”。如图所示，地球

离月球最近的A点处，质量为m的物体所受的万有引力大于惯性离心力，

这两个力的和，即引潮力

引潮力的方向背向月球，也造成海水上涨现象。

在B点和D点，万有引力和惯性离心力的合力接向地心，其作用效果造成海水向下运动。结果地球表面水的形状成椭圆，该椭圆我们称之为潮汐椭圆。

地球在不停地自转，地球对月球自转一周的时间称为一个太阴日，等于24小时50-分。在地球自转的过程中，地球表面上任意一点（除两极外）都有经过图中类似A、B、C、D四点位置的机会，因此一般来说，在一个太阴日内常见到的潮汐有两涨两落现象。

二、月球与太阳对地球的引力的比较以及引潮力的比较

现在人们已经知道太阳的质量为Ｍ太阳＝２.0×1030kg,月球的质量为M月=7.35×1022kg,太阳与地球之间的距离为D=1.5×1011m. 月球与地球之间的距离为d = 3.84×108m.根据这些数据我们可计算出太阳对地球的引和月球对地球的引力的大小比为 5.6×107,由此可知月球对地球的引力远远大于太阳对地球的引力.同样我们可以计算出月球和太阳对地球的引潮力的比为 2.2,月球的引潮力也太阳的引潮力大.从这两个计算我们可得出这样的结论:月球对地球的潮汐现象起主要作用.

太阳潮虽然较小且不易单独观察到，但它却影响着潮汐的大小。一个太阳日（太阳连续两次上或下所经历的时间间隔即24小时）同样也有海水的两涨两落现象。当太阳潮12小时25分的周期吻合时，就形成大潮；交错时就形成小潮。

从理论上推测，当农历初一（朔）或十五（望）时，地球同月球、太阳的位置几乎在同

一直线上，其迭加结果出现大潮。而农历初七、八（上弦）或二十二、三（下弦）时，月球引潮力的方向与太阳引潮力的方向垂直，太阳引潮力削弱了月球引潮力，因而出现小潮。但实际上出现大、小潮的时间，往往比上述推测要迟二、三天，这主要是由于海水在流动时其本身的粘滞作用和地理条件等因素的影响。例如举世闻名的钱塘江潮就是在每年农历八月十八日达到最大的。2000年9月14日浙江海宁形如万马奔腾的钱塘江大潮，由于热带风暴“桑美”作怪，原本预报大潮到来的时间是11时50分，但大潮提前了半个多小时，使一些“按时”来观潮的游人只能望洋兴叹。

三、潮汐发电

由于地球上的潮汐作用，海水与海底摩擦的结果，一部分动能转化为热能，这就使得地球自转速度逐渐减速慢。如果我们把影响地球自转速度减慢的其它因素（冰雪、洋流、的季节变化，大气的环流作用和固体潮等）忽略，不难计算出海洋潮汐的功率：Ｐ＝△EK/T=8π2mR2△T/T4.式中T为地球自转周期，△T为地球自转周期的增加量，R为地球的平均半径,m 为地球的质量。根据观测的结果，每100年地球上的一昼夜中长10-3，即平均每天加长△T=10-8/31536秒，所以P=2×1012W，可同地球的海洋潮汐蕴藏亲着巨大的能量。

由于引潮力的作用，使海水不断地涨潮、落潮。涨潮时，大量海水汹涌而来，具有很大的动能；同时，水位逐渐升高，动能转化为势能。落潮时，海水奔腾而去，水位陆续下降，势能又转化为动能。海水在运动中所具有的动能和势能统称为潮汐能。

潮汐能的重要应用之一是发电。潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建筑一座拦水堤坝，形成水库，并在坝中或坝旁放置水轮发电机组，利用潮汐涨落时海水水位的升降，使海水通过水轮机时推动水轮发电机组发电。从能量的角度说，就是利用海水的势能和动能，通过水轮发电机转化为电能。潮汐发电的优点是成本低，每度电的成本只相当火电站的八分之一。

1913年德国在北海海岸建立了世界上第一座潮汐发电站。我国大陆海岸线长，潮汐能资源很丰富。1957年我国在山东建成了第一座潮汐发电站。据不完全统计，我国潮汐能蕴藏量为1.1亿千瓦，年发电量可达2750千瓦时，其中可供开发的约3850万千瓦，年发电量870亿千瓦时，大约相当于40多个新安江水电站。