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潮汐韵律的宇宙牵引:月球引力如何制造每日四次的海面起伏

我们来详细解释一下月球引力如何制造每日四次的海面起伏(即两次高潮和两次低潮)。

核心原理:引力的不均匀分布

月球对地球施加引力,这是潮汐最主要的驱动力。但关键在于,这个引力作用在地球上并非均匀

地球朝向月球的一侧(近月点):

  • 这里受到的月球引力最强。
  • 海水被月球直接“吸引”或“拉扯”起来,形成高潮
  • 同时,地球本身(包括陆地)也被向月球方向拉扯,使得海水相对“堆积”在这一侧。

地球背向月球的一侧(远月点):

  • 这里受到的月球引力最弱。
  • 然而,地球和月球作为一个系统,围绕一个共同的质量中心(质心)旋转。这个质心位于地球内部,但偏向月球一侧。
  • 地球绕这个质心旋转产生的离心力,在背向月球的一侧最为显著。
  • 这个离心力倾向于把物体(包括海水)“甩”出去。
  • 因此,在背向月球的一侧,离心力克服了较弱的月球引力,导致海水也“堆积”起来,形成另一个高潮

地球的侧面(与地月连线垂直的方向):

  • 在靠近月球和远离月球之间的区域(即地球的“赤道”两侧,相对于地月连线),引力作用相对较弱。
  • 海水会从这些区域流向近月点和远月点的高潮区。
  • 因此,在这些区域形成了低潮

地球自转的作用:带来周期性

地球在不停地自转。想象一下:

  • 地球上任何一个地点,随着地球自转,会依次经历以下位置:

    • 朝向月球 -> 高潮
    • 朝向与地月连线垂直的区域(之一) -> 低潮
    • 背向月球 -> 高潮
    • 朝向另一个与地月连线垂直的区域 -> 低潮
    • 然后回到起点,继续循环。
  • 因为地球自转一圈大约是24小时,而月球也在绕地球公转(方向与地球自转相同),所以月球相对于地球上某个固定点的位置每天会“推迟”约50分钟出现(即月出时间每天推迟约50分钟)。

  • 因此,地球上某点经历一次完整的潮汐周期(从高潮到高潮或从低潮到低潮) 所需的时间大约是 24小时50分钟

  • 在这个约24小时50分钟的周期内:

    • 该地点会经历两次高潮(一次在近月点,一次在远月点)。
    • 也会经历两次低潮(在两次高潮之间)。
  • 所以,在一个太阳日(24小时)内,该地点大约会经历略少于两次完整的潮汐周期。但由于周期是24小时50分钟,在24小时内,它依然会经历两次高潮和两次低潮,总共四次海面起伏(从低到高是一次起伏,从高到低是另一次起伏)。

总结:

  • 根本原因: 月球对地球的引力作用不均匀(近月点最强,远月点最弱)。
  • 双重效应: 在近月点,引力直接拉扯海水形成高潮;在远月点,地球公转产生的离心力“甩出”海水形成另一个高潮。
  • 低潮形成: 海水流向高潮区,导致侧面区域出现低潮。
  • 周期性: 地球自转使得地球上任何地点每天依次经过近月点高潮、侧面低潮、远月点高潮、另一个侧面低潮的位置。
  • 周期时长: 约24小时50分钟(一个太阴日),包含两次高潮和两次低潮。
  • 每日四次起伏: 在约24小时内(一个太阳日),地球自转结合月球公转,导致某地点经历两次高潮(两次上升)和两次低潮(两次下降),合起来就是四次海面起伏。

补充:太阳的影响

太阳的引力也会产生潮汐效应(太阳潮),但其强度大约是月球潮的一半左右。当太阳、地球、月球排成一条直线时(新月或满月),太阳潮会叠加在月球潮上,产生更高的高潮和更低的低潮(大潮)。当三者成直角时(上弦月或下弦月),太阳潮会部分抵消月球潮,产生较小的潮差(小潮)。但这不影响每日四次起伏的基本模式,主要影响的是潮差的大小。