潮汐現(xiàn)象及其成因

1、潮汐現(xiàn)象及其成因第1頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 一、與潮汐有關(guān)的天文學(xué)知識 （一）天球 如圖所示，天球是一個以地球?yàn)橹行?，以無限長為半徑，內(nèi)表面分布著各種各樣天體的球面。這是一個假想的圓球。因?yàn)樘祗w離地球都很遙遠(yuǎn)，人的眼睛無法區(qū)別它們的遠(yuǎn)近，只能根據(jù)它們的方向來定位，于是，所有天體在天球上的位置就是它們沿視線方向在天球內(nèi)表面的投影。 天球上的天軸指的是將地軸無限延長所得到的一根假想的軸。天軸與天球的交點(diǎn)叫天極，和地球上北極所對應(yīng)的那一點(diǎn)叫北天極，或天球北極；和地球上南極對應(yīng)的那一點(diǎn)叫南天極，或天球南極。若將觀測點(diǎn)的鉛垂直線無限延伸后也可與天球交于兩點(diǎn)，向上與天球

2、的交點(diǎn)稱為天頂，而向下延伸與天球的交點(diǎn)，稱為天底。 在天球上，以地心為圓心，通過天極和天頂所作的大圓圈叫做天子午圈；通過天極和天體所作的大圓圈叫做天體時圈；通過天頂、天底和天體的大圓圈稱為天體方位圈。 天體通過天子午圈叫中天。由于地球作周日旋轉(zhuǎn)，每個天體一晝夜內(nèi)有兩次中天，即天體的時圈在一晝夜內(nèi)有兩次與天子午圈重疊。天體靠近天頂時叫上中天，靠近天底時稱下中天。第2頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四第3頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 （二）天赤道、黃道與白道 1天赤道 將地球的赤道面無限延伸后和天球相交的大圓圈，叫做天赤道，或天球赤道。 2黃道

3、 太陽的周年視運(yùn)動軌道叫做黃道。如圖所示，地球每年繞著太陽在橢圓形軌道上公轉(zhuǎn)一周(即a b c d e a)，但在地球上的人看來好像是太陽在天空眾星之間繞著地球旋轉(zhuǎn)，那么，太陽在天球上的投影每年也繞 著地球作一周的視運(yùn)動(相應(yīng)為AB C D E A)，此視運(yùn)動軌道即為黃道。黃道面與天赤道面的交角為23o27。 3白道 月球繞著地球公轉(zhuǎn)的結(jié)果使得月球在天球上也有一個視運(yùn)動的軌道，這個軌道稱為白道。此視運(yùn)動軌道并非指月球繞地球公轉(zhuǎn)的真正軌道(橢圓形)，而是指月球公轉(zhuǎn)過程中在天球上的投影點(diǎn)(從地球上看)連成的圓形軌道。白道面與黃道面的平均交角為5o09。第4頁，共34頁，2022年，5月20日，13

4、點(diǎn)37分，星期四第5頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四（三）春分點(diǎn)、秋分點(diǎn)、升交點(diǎn)及降交點(diǎn) 太陽從南向北穿過天赤道的點(diǎn)稱為春分點(diǎn)（一般用表示），從北向南穿過天赤道的點(diǎn)稱為秋分點(diǎn)。同樣，月球由南向北和黃道相交的點(diǎn)稱為升交點(diǎn)（一般用表示），由北向南和黃道相交的點(diǎn)稱為降交點(diǎn)。 升交點(diǎn)平均以每小時0.002o沿黃道西退，即每年沿黃道向西移動約19o21。約經(jīng)過18.61年，升交點(diǎn)可在黃道上移動一周。由于升交點(diǎn)的西退，使得白道面與天赤道面的交角發(fā)生變化。當(dāng)升交點(diǎn)位于春分點(diǎn)時，此交角達(dá)最大（23o27+5o09=28o36）；而當(dāng)升交點(diǎn)位于秋分點(diǎn)時，為最小（23o 27 5o09=

5、18o18） （四）赤緯、時角和天頂距 1赤緯 從天赤道沿著天體的時圈至天體所張的角度稱為該天體的赤緯，常用表示。以天赤道為赤緯0o，向北為正，向南為負(fù)，分別從0o到90o。 2時角 觀測者所在的天子午圈與天體時圈在天赤道上所張的角度稱為時角。時角是沿著天赤道由觀測者的天子午圈向西量至天體時圈，可從0o到360o。當(dāng)天體上中天時，時角為0o ；當(dāng)天體下中天時，時角為180o。 3天頂距 在天體方位圈上，天體與天頂之間所張的角度稱為天頂距。它由天頂起算，由0o量到180o。第6頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四第7頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四

6、時間單位 時間的計量是天文學(xué)中的一個基本問題，也是討論潮汐時必須參考的要素。以下僅就以后討論潮汐時用到的幾個時間單位，加以簡單的說明。（一）平太陽日和平太陽時 天文學(xué)上假定一個平太陽在天赤道上(而不是在黃道上)作等速運(yùn)行，其速度等于運(yùn)行在黃道上真太陽的平均速度，這個假想的太陽連續(xù)兩次上中天的時間間隔，叫做一個太陽日，并且把124個太陽日取為1個太陽時。通常所謂的“日”和“時”，就是平太陽日和平太陽時的簡稱。（二）平太陰日和平太陰時 假想的、等速在天赤道運(yùn)行的平太陰連續(xù)兩次上中天的時間間隔，叫做一個太陰日，而124平太陰日取為1平太陰時。 因?yàn)樵虑虻墓D(zhuǎn)速度大于太陽在天球上的視運(yùn)動速度，當(dāng)?shù)厍蜃?/p>

7、轉(zhuǎn)一周，平太陰已運(yùn)行了一個大約12.19o的角度，所以當(dāng)?shù)厍蛏夏骋稽c(diǎn)由第一次正對月球中心到第二次正對時約需要旋轉(zhuǎn)372.19o，這樣以來，平太陰日便比平太陽日長，可以算出： 1平太陰日=24.8412平太陽時24h50min第8頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四一個平太陰日24h50min第9頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四二、潮汐現(xiàn)象1、潮汐過程線高潮、平潮、低潮、停潮、漲潮歷時、落潮歷時、潮差、落潮潮差、漲潮潮差2、潮汐類型潮汐現(xiàn)象中的一些術(shù)語和示意圖第10頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四第11頁，共34頁，202

8、2年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 海港或海灘地帶由于漲潮而使水位不斷升高，達(dá)到一定高度后，水位短時間內(nèi)不漲也不退，這種現(xiàn)象稱為平潮, 平潮的中間時，就是高潮時(參見圖)。平潮時間一般很短，從幾分鐘到幾十分鐘不等。 平潮時過后水位開始下降，這時，退潮開始了，水位退到最低的時候和平潮情況相似，也發(fā)生水位不退不漲的現(xiàn)象，我們把它叫做停潮。停潮的中間時就是低潮時，停潮過后，水位又開始上漲了。如此周而復(fù)始地運(yùn)動著。 從低潮時到高潮時這一段時間間隔叫做漲潮時，從高潮時到低潮時的時間間隔則稱為落潮時，漲潮時和落潮時在許多地方并不一樣長。 海面上漲到最高位置時的高度稱高潮高。下到最低位置時的高度叫做低潮

9、高，相鄰的高潮高與低潮高之差叫做潮差，潮差各地不同，就是同一地方的潮差每天也不相同，并有著周期性的變化。總之，潮汐現(xiàn)象不論在潮時、潮高與潮差都有周期性的變化。 海面周期性的升降，是沿著某一面作上下振動，這個面就叫平均海面，它是由長期觀測記錄算出來的。海圖深度基準(zhǔn)面或陸上高度計算，都根據(jù)平均海面來確定。 潮高，是從潮高基準(zhǔn)面算起的。潮高基準(zhǔn)面一般與海圖深度基準(zhǔn)面相同，某時某地潮高加上當(dāng)?shù)睾D水深便得某地某時實(shí)際水深，但是，目前有些港口的海圖深度基準(zhǔn)面與潮高基準(zhǔn)面不盡一致，還有些港口當(dāng)?shù)亓?xí)慣基準(zhǔn)面(如水尺零點(diǎn))與潮高基準(zhǔn)面也不盡一致，因此，在計算水深或使用潮汐表時應(yīng)注意訂正。 潮汐的周期變化大體有

10、三種類型(參見圖) 第12頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四全日潮 如圖中之(a)，在一個太陰日內(nèi)只有一次高潮和一次低潮， 南海有許多地點(diǎn)的潮汐屬全日潮類型，其中北部灣是世界上最典型的全日潮海區(qū)之一。半日潮 如圖中之(b)。在一個太陰日內(nèi)(24小時50分)有兩個高潮和兩個低潮，前一個高潮時到下一個高潮時時間間隔，以及前一個低潮時到下一個低潮時的時間間隔，都是十二小時二十五分，同時從高潮到低潮和從低潮到高潮的時間間隔幾乎相等?；旌铣?混合潮可分為不正規(guī)半日湖和不正規(guī)全日期兩種。圖中的(c)為不正規(guī)半日潮過程線，這種潮汐一般說來在一個月中，大多數(shù)日子里有兩次高潮兩次低潮，但

11、在一日內(nèi)相鄰的兩個高潮或低潮的潮高相差很大，漲潮時和落潮對也不等。我省的不少地方，比如核電站所處的大亞灣,就屬于不正規(guī)半日潮。 潮汐變化除一日和半日周期外，還有半月的周期變化，在半個月中有一次大潮，漲潮漲得很高，退潮也退得很低，這是因?yàn)槿铡⒌?、月的相對位置具有半月周期的緣故。?jīng)過長期的觀測，就還會發(fā)現(xiàn)，潮汐還有一年周期及18.6年的長周期變化。 潮差每日不同，從潮汐過程線可以看出，在半日潮的地方，“朔”“望”后的兩三天潮差最大，這個時候的潮差叫大潮差，反之在上、下弦附近，就有小潮差。 第13頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四第14頁，共34頁，2022年，5月20日，1

12、3點(diǎn)37分，星期四 凡是一天中，兩個潮的潮差不等，漲潮時和落潮時也不等，這種不規(guī)則現(xiàn)象稱為潮汐的日不等現(xiàn)象，高潮中的一個叫高高潮(參見圖(c)，(HHW)，比較低的一個叫低高潮(LHW)，低潮中比較低的叫低低潮(LLW)，比較高的叫高低潮(HLW)。這是日不等現(xiàn)象中的幾個特殊的名稱。 在潮汐現(xiàn)象中，月球引潮力是一個主宰者，往往月球在最接近我們頭頂時(月上中天)潮汐并不最大，而是要經(jīng)過一段時間潮高才最大。從月中天時刻到第一個高潮時為止的時間稱為高潮間隙，從月中天到第一個低潮時為止的時間稱為低潮間隙，二者總稱月潮間隙。月潮間隙每天有些不同，但變化不大。第15頁，共34頁，2022年，5月20日，1

13、3點(diǎn)37分，星期四 三、引潮力及潮汐成因1、引潮力 潮汐是由月球和太陽的引潮力所產(chǎn)生的，由于它們產(chǎn)生潮汐的過程相似，現(xiàn)只討論月球的引潮力。 倘若只考慮月球的作用時，可把地球和月球視為一個引力系統(tǒng)，它們相互吸引著。為了保持系統(tǒng)內(nèi)的平衡，即為了使地月中心的平均距離不變，作用于地球上的力的矢量和必須分別為零。就地球而言，作用于地球上的力有兩個：其一是月球的引力，這是為人們熟知的引力，它與地月二球質(zhì)量的乘積成正比，與它們的距離的平方成反比，方向指向月心。該力在地球上各點(diǎn)的大小和方向都是不同的。其二為地月運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性離心力。為理解這個力，首先就應(yīng)了解地月的相互運(yùn)動過程。一般認(rèn)為，地球繞太陽運(yùn)動的，而

14、月球則作為地球的衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)，其實(shí)，按橢園軌道繞太陽運(yùn)動的并非地球的中心，而是地球月球中心，即地月公共質(zhì)心，月球繞公共質(zhì)心運(yùn)動既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)，周期均為一個月，而地球繞公共質(zhì)心的運(yùn)動則是一種平移運(yùn)動。在這種狀況下，地球各點(diǎn)所產(chǎn)生慣性離心力的大小均相等，方向亦相同，并與月球?qū)Φ匦囊Φ姆较蛳喾?。由于地球的質(zhì)量為月球質(zhì)量的81.5倍；故公共質(zhì)心位于地球內(nèi)部0.73R的地方(R為地球半徑)。圖為地球繞地月公共質(zhì)心所產(chǎn)生離心力的矢量。第16頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四公轉(zhuǎn)慣性離心力、月球引力與引潮力矢量 第17頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四地

15、球所受月球的引力為 月球（M）對A點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)（m）的萬有引力A點(diǎn)的慣性離心力: A點(diǎn)的不平衡力是 由于，所以第18頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 如果將地球作為一個質(zhì)點(diǎn)，全部質(zhì)量集中在地心，對上述兩種力依據(jù)合力為零的原理，有： 式中：E 地球質(zhì)量 M月球質(zhì)量 D地月中心距離 K萬有引力常數(shù) f 慣性離心力 i 慣性離心力的單位矢量 j月球引力的單位矢量 由于地球上各點(diǎn)慣性離心力都相同而各點(diǎn)的月球引力不同，矢量合成力的大小及方向各點(diǎn)也不盡相同。圖為地球各點(diǎn)這兩種力之合力相對地球A、B兩點(diǎn)(以這兩點(diǎn)的力為一個單位來表示)，各點(diǎn)的份量大小與方向，雖然，這是引起潮水上漲的力。

16、因此，月球的引潮力可定義為：地球上單位質(zhì)量的物體，其所受到的月球引力，為與因地月運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性離心力的合力。 第19頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四2、引潮力的性質(zhì) 根據(jù)引潮力的定義，我們可以導(dǎo)出引潮力的公式。設(shè)地球的質(zhì)量為E，平均半徑為R，月球的質(zhì)量為M，地月中心距離為D，為天頂距，那么對地球表面(圖)必然可寫出月球?qū)λ囊八艿膽T性離心力的公式來，經(jīng)過合并化簡，利用近似公式及三角變換，最后可得P點(diǎn)垂直方向及水平方向的引潮力公式，分別為：地表水質(zhì)點(diǎn)受力圖第20頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 同理可以寫出由太陽產(chǎn)生的引潮力公式不過，垂

17、直方向所產(chǎn)生的引潮力與地球重力相比，可以說是微不足道的，據(jù)估計，月球在天頂時,人的體重也許只減輕原來體重的百萬分之十，因此，能引起水位變化的只是水平方向的引潮力了。設(shè)太陽的質(zhì)量S333400E，地球質(zhì)量E81.5M，日地距離D389D，D60.3R，當(dāng) =0時，代入公式可知： 第21頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 引潮力的一些結(jié)論: (1)月球最大引潮力為太陽引潮力的2.17倍。雖然太陽的質(zhì)量比月球大，但是日地之間的距離也大，故引潮力反而小。可見，潮汐主要是由月球所產(chǎn)生，其它天體對地球潮汐的作用甚小。 (2)引潮力的水平分力隨天頂距的變化而變化，而且有一定的變化周期

18、，誠然，水位振動也應(yīng)隨地月的相對位置而有復(fù)雜的周期變化。 (3)從引潮公式及圖可知，月球引潮力在A、B兩點(diǎn)達(dá)到最大，但方向相反，而在C、D兩點(diǎn)引潮力均指向地心，量值為A、B兩點(diǎn)的一半。 (4)月球引潮力的水平分量在A、B、C、D點(diǎn)為零。當(dāng)月球位于天體赤道上，即月赤緯為零時，月球引潮力的水平分量與地軸或赤道成對稱分布，這些水平分量在一個半球上都指向A，從而在另一半球上都指向B。當(dāng)月赤緯不為零時，月球引潮力對地軸或赤道的分布便不對稱。 第22頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四 當(dāng)月球和太陽與地球處于同一平面時，潮汐出現(xiàn)最大值，這種朔望大潮每隔14天出現(xiàn)一次，即在新月和滿月時

19、出現(xiàn)。當(dāng)月球和太陽彼此成直角時，就出現(xiàn)低潮。這種小潮每隔14天出現(xiàn)一次，即總是在上下弦時出現(xiàn)(圖)。 全日潮和半日潮起因于地球，月球和太陽之間的引力。由于月球離地球近，因而對潮汐的影響最大。月球的引潮力，為太陽引潮力的兩倍。月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)一周需要2953天(塑望月)。在其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，地球和月球相互吸引，但這個引力被地月相對的軌道運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性離心力所平衡(圖)。引力和離心力的相互作用是產(chǎn)生潮汐的主要原因。 第23頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四分點(diǎn)潮和回歸潮第24頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四3、潮汐成因及潮汐理論（1）引潮勢：自地心(t

20、he earths center)移動單位質(zhì)量物體克服引潮力所做功。 等勢面 （2）潮汐靜力學(xué)理論(或稱平衡潮理論) 理論假定；形成潮汐橢球 （3）潮汐的不等現(xiàn)象 分點(diǎn)潮和回歸潮 、 朔望大潮和兩弦小潮 近點(diǎn)潮與遠(yuǎn)點(diǎn)潮 潮汐的年不等現(xiàn)象 潮汐多年不等現(xiàn)象 分點(diǎn)潮和回歸潮第25頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四(4)靜力潮潮高公式第26頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四潮高公式中天項(xiàng)距Z與緯度 、月球赤緯 和時角T有關(guān) ，可應(yīng)用球面三角公式 代入得平衡潮潮高公式得 把 展開后得 第27頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四其中第

21、28頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四(4)靜力潮潮高公式上述三項(xiàng)中， 與 比例，這表示在24太陰時內(nèi)，它變化一個周期，而且于月上中天時出現(xiàn)最大值，月下中天時出現(xiàn)最小值，所以 所代表的是日潮，日周期部分隨赤緯的增大而增大，赤緯為零時，日周期部分為零； 與 成比例，這表示在24太陰時內(nèi)，它變化兩個周期，且于月上、下中天時均出現(xiàn)最大值，故 所代表的是半日潮，半日周期部分隨月赤緯的增大而減小，月赤緯為零時，半日周期部分為最大； 這一項(xiàng)與T無關(guān)，而與 有關(guān)，由于 的周期為半個回歸月，故 具有長周期(半月周期)的特性。 第29頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星

22、期四4、對潮汐靜力理論的評價潮汐靜力理論主要貢獻(xiàn)(1)潮汐靜力理論是建立在客觀存在的引潮力之上；(2)根據(jù)潮汐靜力理論導(dǎo)出的潮高公式所揭示出的潮汐變化周期與實(shí)際基本相符；(3)由潮高公式計算出來的最大可能潮差為78cm，這一數(shù)值與實(shí)際大洋的潮差相近 第30頁，共34頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)37分，星期四4、對潮汐靜力理論的評價潮汐靜力理論主要缺點(diǎn)(1)此理論脫離實(shí)際地假定整個地球完全被海水包圍，這與實(shí)際情況相差較大；(2)完全沒有考慮到海水的運(yùn)動，而且假設(shè)海水沒有慣性也與實(shí)際不符合，事實(shí)上，當(dāng)月赤緯改變時，海水必將產(chǎn)生運(yùn)動，否則一個高潮面不可能在地面上移動，另外海水要集中也需要一定的時間，所以潮汐靜力理論認(rèn)為每當(dāng)月球在某處上中天或下中天時，該處便會發(fā)生高潮，與實(shí)際