住在海边的朋友一定对潮汐现象不陌生,每到清晨或傍晚,总有一部分地区的海水会沿着海岸缓缓升起;而一段时间过后,这部分海水又渐渐褪去。古人为这一现象起了一个美丽的名字,叫做“潮汐”,可数千年来,一直有一个问题困扰着他们,那就是这潮水究竟从哪里来?往哪里去?
广义上的潮汐实际上包括地潮、海潮和气潮三种,分别对应地球岩石圈、水圈以及大气圈受到日月引力所产生的周期性运动变化。至于我们通常所说的潮汐,往往指的是“海潮”,也就是海水受日月引力影响产生的海平面周期性涨落现象。当然,这其中还可以进一步划分,比如白天出现的海水上涨现象称之为潮,夜晚出现的则称之为汐。
古人对长期的现象多有观察,以至于虽然不解其原理,但也总结出了不少规律,比如每月初八、二十三之后都。会有一次小潮;再比如每月初一、十五后都将发生一次大潮。而就今天来看,潮汐可以根据周期不同大致分为三类,也就是半日潮、全日潮和混合潮。
什么是半日潮呢?其实指的就是一日之内出现两次高潮、两次低潮,而且两次潮差也大致相仿。由于其两次涨潮过程几乎相同,所以其掌握时间也接近相等,大约都在6小时左右。像我国境内出现这种潮型的水域、城市还是不少的,比如说东海、黄海、渤海地区,以及青岛、厦门、大沽等城市。
至于全日潮,顾名思义,指的是潮水在一日内只进行一次涨落,而这种潮型在我国南海汕头地区表现的尤为经典。
最后一种潮型为混合潮,指的是在一个月的范围内,半日潮和全日潮交替出现,这种潮水是稍微显得有些混乱的,因此潮差也相当大,主要在我国榆林港地区表现的很明显。
针对这个问题,其实前面已经有了简述,但这里我们要引入一个更复杂的概念:天体引潮力。
在研究潮汐现象的过程中,很多人会将引潮力与万有引力混为一谈,可实际上万有引力只是引潮力的一部分。如何去理解呢?我们将引潮力分为水平和竖直两个方向,其水平方向为惯性离心力、竖直方向即万有引力。惯性离心力促使海水发生了一定的辐射和聚散,引起了潮水的起伏;至于万有引力,则是被重力所抵消,几乎可以忽略不计。
在理解了引潮力的影响后,有关海面变化的阐述,也就不难理解了。我们取地球上的一点海水作为例子,在任何时刻下,海水都是在影潮力水平分量、重力以及压强梯度力的平衡之下的。也就是说当海水受到了引潮力的水平力分量影响后,为了维持原定的平衡期,海平面就必须要相对于原静止海面发生倾斜,而在引潮力水平分量的辐聚点和南北两段的辐散点,海水的堆积与流失情况最多,而这也就促进了潮汐现象的形成。
当然,也有人说潮汐形成的本质原因并不是月球引力作用,而是天体质心变换,但是目前针对这方面的讨论仍然没有得到统一结论,因此人们还是普遍将牛顿在著作中解析的潮汐理论视作主流。
提到潮汐的作用,大家很容易就会想到水力发电,而实际潮汐也的确具备很强的位能与势能。根据有关数据显示,目前全世界潮汐能蕴含的能量总量,理论上高达三乘以十的九次方千瓦。而我国更是潮汐能大国,潮汐能蕴藏量高达一点一乘以的八次方千瓦,尤其是浙江福建两省所蕴藏的潮汐能能量最多,高达全国的80.9%。当然,这都是理论数值,由于很大一部分潮汐能根本无法利用,所以真实数据是远小于以上数字的。
潮汐发电与水库发电有什么区别呢?其实这里主要集中在双方水位落差以及水量上,当海水涨潮时,我们以势能的形式将潮汐能储存起来,在落潮的时候将海水放出、换取动能。由于前后海平面落差并不大,反倒是流量较大,同时还呈现出一定的间歇性,所以潮汐发电的水轮机结构是特定的,符合低水头大流量的特点。
世界上最早的潮汐能发电站是由德国建造的,1912年建于德国布斯姆。世界上最大的潮汐能发电站源于法国,1966年被建造于法国朗斯。除这两国外,世界各国也都陆续选定了不少超性能开发地址,我国也不例外,像我国广东旅顺、山东乳山以及上海崇明等地区,都陆续建立了潮汐发电站。
除了创造巨大的经济效益,潮汐本身还被广泛地运用到了军事之中。
1961年郑成功攻打赤嵌城的时候,就借着潮汐将自己的军队驶入了港口,之后更是力求攻破敌人防线;1936年德国与英国作战的时候,同样也运用潮汐原理,布置了很多的锚雷,给英军带来了很大麻烦……
潮汐的作用颇多,这里我们就不一一举例了,接下来我们来看看潮汐对于天体造成的影响。
科学家们的报道称,由于潮汐现象的出现,地球自转周期将逐渐变慢,只不过变慢的幅度很小,每世纪仅会变成1~2毫米左右。这代表着什么呢?这代表着在很早以前地球的一年远不止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。
除此之外,随着潮汐的不断发生,地球自转角动量会逐渐减少,而在地月系统总角动量保持不变的大前提下,月球对地月系统制质心的角动量必然增大,而这样最终会导致月球以每年3.81厘米的速度远离地球。虽然说这个数据很小,但是与前面我们所说的情况一印证就会发现,这在以后也是个必须要考虑的问题。
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