住在海边的朋友一定对(dui)潮汐现象不陌生,每到清晨(chen)或傍晚,总有一(yi)部分地区的海水会沿着海岸缓缓(huan)升起;而一段时间过后,这部分海(hai)水又渐渐褪去。古人为这一现(xian)象起了一个美丽(li)的名字,叫做“潮汐”,可数千年来,一直有(you)一个问题困扰着他们,那(na)就是这潮水究竟(jing)从哪里来?往哪里去?
广义上的(de)潮汐实际上包括地潮、海潮和气潮三种,分别对(dui)应地球岩石圈、水圈以及大气圈受到(dao)日月引力所产生的周期性运动变化。至(zhi)于我们通常所说的潮(chao)汐,往往指的是“海潮”,也就是海水受日月引(yin)力影响产生的海平面周期性涨落现象。当然,这其中还可以进(jin)一步划分,比如白天出现的海水上涨现(xian)象称之为潮,夜晚出现(xian)的则称之为汐。
古人对长期的现象多有观察,以(yi)至于虽然不解其原(yuan)理,但也总结出了不少规律,比如每月初八、二十三之(zhi)后都。会有一次小(xiao)潮;再比如每月初一、十五后都将发(fa)生一次大潮。而就今天来看,潮(chao)汐可以根据周期不同大致分为三(san)类,也就是半日潮、全日潮和混合潮。
什么是半日潮呢?其实(shi)指的就是一日之内出现两次高(gao)潮、两次低潮,而(er)且两次潮差也大致(zhi)相仿。由于其两次涨潮过程几乎相(xiang)同,所以其掌握(wo)时间也接近相等,大约都在6小时左(zuo)右。像我国境内出现这种潮(chao)型的水域、城市还是(shi)不少的,比如说东海、黄海(hai)、渤海地区,以及青岛、厦(sha)门、大沽等城市。
至于全日潮(chao),顾名思义,指(zhi)的是潮水在一日内只进行一次涨落,而(er)这种潮型在我国南海汕头地区(qu)表现的尤为经典。
最后一种(zhong)潮型为混合潮,指的(de)是在一个月的范围内,半日潮和全日(ri)潮交替出现,这种潮水是稍微显得(de)有些混乱的,因此潮差也相(xiang)当大,主要在我(wo)国榆林港地区表现的很明(ming)显。
针对这个问题,其实前面已经有了(le)简述,但这里我们要引(yin)入一个更复杂的概念:天(tian)体引潮力。
在研究潮汐现(xian)象的过程中,很多人会(hui)将引潮力与万有引力混为一谈,可实(shi)际上万有引力只是引潮力的一(yi)部分。如何去理解呢?我(wo)们将引潮力分为(wei)水平和竖直两个方向,其水(shui)平方向为惯性离心力、竖直方向即(ji)万有引力。惯性离心力促使(shi)海水发生了一定的辐(fu)射和聚散,引起了潮(chao)水的起伏;至于万有引力(li),则是被重力所抵消,几(ji)乎可以忽略不计。
在理解了引潮力的影响后,有关(guan)海面变化的阐述,也就不难(nan)理解了。我们取地球上的一点海水作(zuo)为例子,在任何时刻下,海水(shui)都是在影潮力水平分量、重力(li)以及压强梯度力的平衡之下的。也就是(shi)说当海水受到了引潮力的水平力分量(liang)影响后,为了维持原定的平衡期,海平(ping)面就必须要相对于原静止海(hai)面发生倾斜,而在(zai)引潮力水平分量(liang)的辐聚点和南北两段的辐散点,海水(shui)的堆积与流失情况最多,而这也就促(cu)进了潮汐现象的形成。
当然,也有人说潮汐形成的本质(zhi)原因并不是月球引力作(zuo)用,而是天体质心变换(huan),但是目前针对这方(fang)面的讨论仍然没有得到统一结(jie)论,因此人们还是普遍将牛顿(dun)在著作中解析的潮汐理论视作主(zhu)流。
提到潮汐的作用,大家很容(rong)易就会想到水力(li)发电,而实际潮汐也的确具备很强的(de)位能与势能。根据有关(guan)数据显示,目前(qian)全世界潮汐能蕴(yun)含的能量总量,理论上高达三乘以十的九次(ci)方千瓦。而我国更是潮汐能大国,潮(chao)汐能蕴藏量高达一点一乘以的八(ba)次方千瓦,尤其是浙江福建两省所蕴(yun)藏的潮汐能能量最多com,高达全国的80.9%。当然,这都(dou)是理论数值,由于很大一(yi)部分潮汐能根本无法利(li)用,所以真实数据是远小于以上数字(zi)的。
潮汐发电与水(shui)库发电有什么区别呢?其实这里主(zhu)要集中在双方水位落差以及水量上(shang),当海水涨潮时,我们以势能的形(xing)式将潮汐能储存起来,在落潮的时(shi)候将海水放出、换取动能。由于前后(hou)海平面落差并不大,反倒是流(liu)量较大,同时还呈现出一(yi)定的间歇性,所以潮汐发电的水(shui)轮机结构是特定的,符合(he)低水头大流量的特点。
世界上最早的潮汐(xi)能发电站是由德国建造的,1912年建于德国布斯姆(mu)。世界上最大的潮汐能发电站源于法(fa)国,1966年被建造于法国朗斯(si)。除这两国外,世界各国(guo)也都陆续选定了不(bu)少超性能开发地址,我国也不例(li)外,像我国广东旅顺(shun)、山东乳山以及上海(hai)崇明等地区,都(dou)陆续建立了潮汐发电站(zhan)。
除了创造巨大的经济效益,潮(chao)汐本身还被广泛地运用到了军事之中(zhong)。
1961年郑成功攻(gong)打赤嵌城的时候,就借(jie)着潮汐将自己的(de)军队驶入了港口,之后更是力求攻破(po)敌人防线;1936年德国与英(ying)国作战的时候,同样也运用潮汐(xi)原理,布置了很多(duo)的锚雷,给英军带来了很大(da)麻烦……
潮汐的(de)作用颇多,这里我们就不一一举(ju)例了,接下来我(wo)们来看看潮汐对于天体造成的影响(xiang)。
科学家们的报道(dao)称,由于潮汐现象的出现,地球自(zi)转周期将逐渐变慢(man),只不过变慢的幅度(du)很小,每世纪仅(jin)会变成1~2毫米左右。这代表着什么(me)呢?这代表着在很早以前地球的(de)一年远不止365、366天,而这也与人们发现3亿7,000万年前的泥盆纪每年有400多天的情况产生了印证。
除此(ci)之外,随着潮汐的(de)不断发生,地球自转角动量会逐渐(jian)减少,而在地月系统总角动量(liang)保持不变的大前提(ti)下,月球对地月系统制质心的角动量(liang)必然增大,而这样最终会导致月球(qiu)以每年3.81厘米的速度远离地(di)球。虽然说这个数据很小,但(dan)是与前面我们所说的情况一印(yin)证就会发现,这在以后也是(shi)个必须要考虑的问题(ti)。