我们来详细分析一下潮汐涨落与月球引力的相互作用,并介绍沿海地区潮汐变化的规律。
核心原理:月球引力是潮汐的主要驱动力
引力的基本作用: 月球对地球有引力作用。这个引力在地球上距离月球最近的点(近月点)最强,在距离月球最远的点(远月点)最弱。
地球-月球系统的运动: 地球和月球并非静止不动,而是作为一个系统围绕共同的质心(位于地球内部,偏向月球一侧)旋转。这种旋转产生了离心力。
引潮力的形成: 潮汐现象不是由月球引力单独造成的,而是由
月球引力与地球-月球系统旋转产生的离心力之间的差异造成的。这个差异力被称为
引潮力。
潮汐隆起:- 近月点隆起: 在靠近月球的一侧,月球引力大于离心力,合力(引潮力)指向月球,将海水“拉”向月球,形成涨潮。
- 远月点隆起: 在远离月球的一侧,离心力大于月球引力,合力(引潮力)背向月球,将海水“甩”离月球,也形成涨潮。
- 中间区域: 在地球上与月球连线垂直的方向(赤道两侧约90度处),引潮力指向地心,导致海水被“压”向地心,形成落潮。
地球自转的影响: 地球在一天内自转一周。对于一个固定的沿海地点来说,随着地球自转,它会依次经过:
- 近月点隆起区域(涨潮)
- 落潮区域(落潮)
- 远月点隆起区域(涨潮)
- 另一个落潮区域(落潮)
- 因此,在大多数地方,一天内会经历两次涨潮和两次落潮(半日潮)。两次涨潮(或两次落潮)之间的时间间隔平均约为 12 小时 25 分钟(比太阳日24小时长大约50分钟),这是因为月球每天也在绕地球公转(相对位置变化)。
太阳的作用:调制潮汐的幅度
太阳引力的影响: 太阳对地球也有引力,同样会产生引潮力,形成太阳潮汐。虽然太阳质量远大于月球,但它距离地球太远,因此太阳引潮力的大小只有月球引潮力的
大约46%。
大潮与小潮:- 朔(新月)和望(满月): 当太阳、地球、月球几乎成一直线时(朔:月球在中间;望:地球在中间),月球引潮力和太阳引潮力相互叠加,形成最大的引潮力。此时,涨潮最高,落潮最低,潮差(高潮与低潮水位差)最大,称为大潮。
- 上弦月和下弦月: 当太阳、地球、月球三者连线成直角时(即月球处于上弦或下弦位置),月球引潮力和太阳引潮力相互垂直,部分抵消,形成最小的引潮力。此时,涨潮不高,落潮不低,潮差最小,称为小潮。
- 大潮小潮周期: 大潮和小潮大约每14.8天(即半个朔望月周期)交替出现一次。
沿海地区潮汐变化的规律
沿海地区的潮汐变化规律受多种因素综合影响,呈现出复杂性和多样性,但主要规律如下:
潮汐类型:- 半日潮: 这是最常见的类型(如中国大部分沿海、欧洲大西洋沿岸)。一天内有两次高潮和两次低潮,两次高潮(或两次低潮)的高度相差不大。相邻的高潮和低潮之间的时间间隔约为6小时12.5分钟。
- 全日潮: 主要出现在某些特定海域(如南海北部湾、墨西哥湾沿岸部分地区)。一天内只有一次高潮和一次低潮。这种类型通常发生在月球赤纬较大(即月球在赤道南北较远位置)且受地形影响显著的地区。
- 混合潮:
- 不规则半日潮: 一天有两次高潮和两次低潮,但两次高潮(或两次低潮)的高度有明显差异(如中国厦门、美国西海岸)。这是最常见的混合潮类型。
- 不规则全日潮: 有时一天出现一次高潮一次低潮(全日潮特征),有时出现两次(半日潮特征),主要出现在全日潮向半日潮过渡的区域(如南海部分区域)。
潮汐周期:- 日不等现象: 由于月球赤纬(月球轨道面与地球赤道面的夹角)的变化,一天内两次高潮的高度通常不相等(尤其是在混合潮区),两次低潮的高度也不相等。较高的一次高潮称为高高潮,较低的一次称为低高潮;较低的低潮称为低低潮,较高的低潮称为高低潮。
- 半月周期(大潮小潮): 如前所述,受日月相对位置影响,潮差呈现约14.8天的周期变化,大潮时潮差最大,小潮时潮差最小。
- 月周期(回归潮与分点潮): 月球赤纬的变化周期约为27.2天。当月球赤纬最大时(月球在赤道南北最远位置),日不等现象最显著,此时的潮汐称为回归潮;当月球赤纬接近零(月球在赤道上方)时,日不等现象最弱,两次高潮/低潮高度接近,此时的潮汐称为分点潮。
- 年周期: 地球绕太阳公转轨道是椭圆,地球在近日点(1月初)受到的太阳引力最大,此时若发生大潮,则可能是全年最大的大潮(近地点大潮)。反之,在远日点(7月初)的大潮相对较小。季节性的风向和气压变化也会影响平均海平面高度,从而调制潮差。
地方性因素的影响: 上述天文因素是基础,但具体到某个海岸的潮汐表现,还受到以下地方性因素的强烈影响:
- 海底地形(水深): 浅海大陆架会放大潮汐振幅(能量聚集),而深海则影响较小。
- 海岸线形状和海底摩擦: 复杂的海岸线(如海湾、河口、海峡)会反射、折射潮波,形成驻波或共振,显著改变潮汐的高度和时间。例如:
- 喇叭形河口(如钱塘江口): 潮波能量在河口急剧集中,加上沙坎抬升作用,形成世界闻名的钱塘江大潮(涌潮)。
- 狭长海湾(如芬迪湾): 海湾的自然周期与潮汐周期接近,产生共振,形成世界上最大的潮差(可达15米以上)。
- 科里奥利力(地转偏向力): 地球自转导致潮波在北半球向右偏,在南半球向左偏。这影响了潮波传播路径和旋转潮波系统的形成(如北海、墨西哥湾)。
- 气象因素: 强风(尤其是向岸风)、低气压(风暴潮)会显著抬升海面,叠加在正常的天文潮之上,可能导致异常高潮甚至海水倒灌。相反,离岸风和高气压会抑制潮高。持续的强风还会产生风增水或风减水效应。
- 河流径流: 在河口地区,丰水期河流带来的大量淡水会抬高水位,影响低潮位,有时会减弱潮波的上溯。
总结关键点:
主要驱动力: 月球引力是潮汐形成的主要驱动力,其与地球-月球系统旋转产生的离心力之差(引潮力)是根本原因。太阳引力起调制作用。
基本周期: 大多数沿海地区每天经历两次涨潮和两次落潮(半日潮),周期约为12小时25分钟。两次高潮高度不等是普遍现象。
半月周期: 朔望(新月满月)时发生大潮(潮差最大),上下弦月时发生小潮(潮差最小),周期约14.8天。
多样性: 潮汐类型多样(半日潮、全日潮、混合潮),具体表现受天文因素(月球赤纬变化等)和强烈的地方性因素(地形、水深、摩擦、科氏力、气象等)共同塑造。
预测与应用: 基于精确的天文计算和复杂的数值模型(考虑地形摩擦等),可以制作
潮汐表,对航海、渔业、港口作业、沿海工程建设、防灾减灾(风暴潮预警)等至关重要。钱塘江大潮、芬迪湾巨潮等特殊现象是天文因素与独特地形完美(或剧烈)结合的产物。
理解潮汐规律,不仅是认识自然奇观的基础,更是人类安全、高效利用海洋的重要前提。