《以文化的名义说海洋》96说:海水物语之六:自然的潮汐
作者:李明春 来源:海洋文化教育研究中心 访问:205 日期: 2022-11-11

自然的潮汐

 潮汐的核心物质是海水。

        水能载舟,亦能覆舟,海水覆舟于江河湖海不足为奇,试问谁敢与海水比肩争多寡论高下?!

        潮汐,是一种自然现象,是地球上的海水受月球和太阳(作用较小)的万有引力作用而引起的涨落现象,人们把吸引海水涨潮的力称为引潮力。

        凡是到过海边的人都会看到海水有一种周期性的涨落现象:到了一定时间,海水推波助澜,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“地球的呼吸”。

        潮汐,每昼夜两次高潮,昼称潮,夜称汐。显然,天文的意义在于天体引潮力作用产生的周期性运动,其产生的原因是球、月球与太阳的位置发生变化。

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图:潮汐现象

        以文化的名义解读,潮汐是地球的呼吸。

        平常人也许会问:为何大海会有潮汐现象?涨潮时海水从哪里来?退潮后又去了哪里?

        自然潮汐现象的特点是每昼夜有两次高潮,而不是一次“昼涨称潮,夜涨称汐”,简言之“潮”指白天海水上涨,“汐”指晚上海水上涨,不过通常我们往往将潮和汐通常都叫做“潮”。

        潮汐现象,一般正对着月亮的地方引潮力就大,而背对着月亮的海水所受引潮力变小,又因离心力变大,海水在离心力的作用下,向背对月亮那面跑,于是也会出现涨潮。

        满月和新月时,太阳、地球、月亮处于同一线上,此时地球受到的太阳引力和月球引力正好处于两个相反的方向或同一方向,于是此时海洋涨潮达到最高潮。

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图:大潮、小潮与月球的位置

        毋容置疑的是潮汐的物质主体是水,进一步确切地表述其物质主体是海水,海水在月球的引力作用下形成的潮汐其天文意义是什么?

        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,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。一般正对着月亮的地方引潮力就大,而背对着月亮的海水所受引潮力变小,又因离心力变大,海水在离心力的作用下,向背对月亮那面跑,于是也会出现涨潮。

       毫无疑问潮汐是一种自然现象,那么潮汐与人类的关系是什么?

        潮汐是所有海洋现象中较先引起人类注意的海水运动现象,它与人类的关系非常密切。从人类先人始于亘古洪荒的蒙昧时期闯海获得的渔盐之利,舟楫之便,到现在世界上的海港工程,航运交通,军事活动,近海环境研究,海洋污染治理,海洋生态系统恢复等等,都与潮汐现象密切相关,无一例外离不开直接的主体对象一一海水与潮汐,尤其是永不休止的海面铅直涨落运动蕴藏着极为巨大的能量,这一能量的开发利用长时间吸引着人类和人们的兴趣。

        解读潮汐形成的原因,有这样一个事实不容忽视,这就是在任何时刻,围绕地球的海平面有两个突出的部分,在理想情况下涨潮在地表面离月球最近和最远的地方发生。如果说潮汐是月球的引力作用造成的,在离月球最近的地方海水隆起是可以理解的,但为什么在远离月球的地方海水也隆起?如果说潮汐是万有引力现象,似乎应该与质量乘积成正比,与距离平方成反比?

        太阳的质量比月球大2.7×107倍,而太阳到地球距离的平方只比月球到地球距离的平方大1.5×105倍, 两者相除,似乎太阳对海水的引力比月球还应该大180倍,可为什么月球对潮汐起主要作用?这一现像通过分析计算才能加以说明。

        随着人们对潮汐现象的不断观察,对形成潮汐现象的真正原因逐渐有了更为深入的认识。我国古代余道安在其著的《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”。哲学家王充在《论衡》中写道:“涛之起也,随月盛衰。”指出了潮汐跟月亮有关系。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提出了万有引力定律,科学地解释了产生潮汐的原因。

         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。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。

        那么,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。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,但却没有“离心力”的概念和定义,不过“离心力”的本意正是惯性力。

        今天解释潮汐现像,如果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,同样太阳的引力也是如此。

        截止到2012年世界物理学界出现了最新颖的重力概念和定义,其定义的内容是:“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。

        对此要注意的是,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力抵消了。

        详细论述可阅读重力词条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。由于月球和太阳的共同作用,使潮汐现象变得复杂。

        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,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。生活在海边有经验的人,大都能推算出潮汐发生的时间。

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图:涨退潮是个循环

        以上是自然潮汐的科学解释,与科学同行的尚有社会科学遐想。许多人文学者探讨过这一问题,曾提出过一些假想。如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。我国晋朝还曾有人认为,海水的定期涨落是因为有一条无比巨大的海生动物定期出入海宫而造成的……