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为什么会涨潮:涨潮主要受天体引力,特别是月球和太阳的影响

时间:2024-10-10 11:12:50阅读:

为什么会涨潮:涨潮主要受天体引力,特别是月球和太阳的影响

一、涨潮的主要原因:天体引力

涨潮的主要原因是月球和太阳对地球的引力,也就是引潮力。地球上海洋面积广阔,海水受到月球和太阳的引力影响而产生周期性的涨落现象。

月球虽然质量比太阳小很多,但由于它距离地球相对较近,根据万有引力定律(引力的大小与两个物体的质量成正比,与它们之间的距离的平方成反比),月球对地球的引潮力是太阳引潮力的2.17倍,所以月球对地球上海水涨潮的影响更为显著。

在地球 - 月球系统中,地球和月球以两者的共同重心为中心互相旋转。月球的引力作用在地球上,会使得地球朝向月球一侧的海水受到的引力较大,形成一个指向月球的凸起,这就是涨潮;同时,在地球的背月侧,由于地球绕地月共同重心旋转产生的离心力,也会导致海水向外凸起,形成涨潮。也就是说,地球上面对月球的一面和背面会同时涨潮。

太阳的引力同样对地球海水有影响。当月球和太阳处于同一方向(例如农历每月的十五或十六,此时太阳、月亮和地球处于一条直线上)时,它们的引潮力合力最大,会在海面上引起“大潮”;而当太阳、地球、月亮三者方位成直角(例如农历每月的初八和二十三)时,太阳引潮力和月球引潮力因部分相互抵消,形成的潮汐幅度相对较小。

二、海洋涨潮的科学解释:引潮力的具体作用

从科学原理上讲,涨潮是由于天体(主要是月球和太阳)对地球的引潮力作用。引潮力是万有引力和地球公转、自转所产生的离心力的合力。

月球引潮力的影响

月球对地球的引力在不同位置的海水上有不同的效果。在地球靠近月球的一侧,月球的引力较大,海水被吸引向月球方向,从而使这部分海水的水位升高。例如,在海洋的某些区域,当月球位于头顶上方或者正下方(相对地球而言)时,附近海域的海水会明显上涨。

在地球的背月侧,由于地球整体在做圆周运动(地月系统的公转运动),这里的海水会因为离心力的作用而向外“甩”,同样造成海水水位的升高。这种离心力的效果可以类比为在旋转的圆盘上,物体有向外运动的趋势。

太阳引潮力的作用

太阳虽然距离地球较远,但质量巨大,其引力也不可忽视。当太阳的引力与月球的引力叠加时(如新月或满月时),会加大引潮力,导致更大幅度的涨潮。

当太阳和月球的引力方向相互垂直时(上弦月或下弦月时),它们的引潮力会相互抵消一部分,涨潮的幅度就会相对较小。

三、影响涨潮的因素:多方面的综合作用

天体因素

日地月相对位置

如前面提到的,当太阳、月球和地球处于同一直线时(农历初一、十五左右),引潮力最大,会出现大潮,此时涨潮的幅度明显增大。这是因为太阳和月球的引潮力同向叠加,使得海水受到的引力作用更强。相反,当太阳、地球和月球成直角关系时(农历初八、二十三左右),引潮力部分抵消,出现小潮,涨潮幅度相对较小。

月球绕地球公转的轨道并非是正圆形,而是椭圆形。当月球处于近地点时,它对地球的引潮力会比处于远地点时更大,从而导致涨潮的幅度更大。同样,地球绕太阳公转时,距离太阳的远近变化也会对引潮力产生微弱影响。

天体质量与距离

月球对地球的引潮力比太阳大,是因为虽然太阳质量远大于月球,但距离因素起到了关键作用。根据万有引力定律,距离的平方反比关系使得距离地球较近的月球引潮力更为显著。如果假设月球质量不变,距离地球更近或更远时,引潮力的大小会按照距离的平方反比规律发生变化,进而影响涨潮的幅度和周期。

地球自身因素

地形地貌

海洋底部的地形对涨潮有很大影响。在浅海区域,海底地形复杂,如存在海沟、大陆架等地形。当涨潮时,海水涌入浅海区域,由于浅海的容积相对较小,海水的堆积会使涨潮高度增加。例如,在一些海湾地区,如我国的钱塘江口,由于河口呈喇叭状,外宽内窄,当潮水涌入时,受到地形的约束,潮水不断堆积,形成壮观的涌潮现象,涨潮高度可达数米甚至更高。

海岸线的形状也会影响涨潮。曲折的海岸线会使潮水的传播方向发生改变,在一些海湾、海角等特殊地形处,潮水可能会形成局部的堆积或消散,影响涨潮的具体情况。

地球自转

地球自转产生的惯性力会影响涨潮的时间和周期。地球自转会使地球上不同的地点周期性地经过引潮力最大的区域。由于地球自转一圈大约是24小时,在大多数地区,会出现一天两次涨潮和两次落潮的现象。地球自转的速度如果发生变化(虽然在短期内这种变化非常微小),也会对涨潮的周期和时间产生影响。

海洋自身特性

海洋深度

深水区和浅水区对引潮力的响应不同。在深水区,海水的流动性较好,引潮力可以较为均匀地作用于整个水体,涨潮的过程相对较为平稳。而在浅水区,由于海底的摩擦等因素,海水的流动受到限制,涨潮时海水的堆积更为明显,涨潮高度可能会更高。

海洋深度的不均匀性也会影响涨潮。如果海洋中有深沟或者浅滩相间的情况,潮水在传播过程中会发生折射、反射等现象,从而改变涨潮的模式和幅度。

海水密度

不同海域的海水密度可能存在差异,这主要受盐度和温度的影响。密度较大的海水对引潮力的响应相对较小,因为它需要更大的力才能使其发生移动。例如,在高盐度的海域,海水密度较大,涨潮的幅度可能会比低盐度海域略小。而且,海水密度的不均匀性还会导致海水内部的压力差,影响潮水的流动方向和涨潮的形态。

四、涨潮的自然规律和原理:周期性与引力平衡

周期性规律

半日潮

在大多数沿海地区,存在半日潮现象,也就是在一个太阴日内(约24小时50分钟)会出现两次高潮和两次低潮。这是因为地球自转的同时,月球也在绕地球公转,大约每12小时25分钟,地球上的同一地点就会经过月球引力影响下的涨潮和落潮区域各一次。例如,在我国的渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型。在半日潮的涨潮过程中,海水会逐渐上涨,达到高潮位后开始落潮,如此循环往复。

全日潮

少数地区存在全日潮,即一个昼夜(24小时)只有一次涨潮和一次落潮。全日潮的出现与当地的海洋地形、地理位置以及日地月的相对位置等多种因素有关。比如,在某些特定的海湾或者海峡地区,由于特殊的地形和水流条件,导致海水对引潮力的响应呈现出全日潮的特点。

混合潮

除了半日潮和全日潮,还有混合潮类型。混合潮是半日潮和全日潮的混合形式,其特点是在一个太阴日内,有时会出现两次高潮和两次低潮,有时会出现一次高潮和一次低潮。混合潮的出现往往是由于多种因素相互作用的结果,如不同的海洋地形、不同的引潮力组合等。

引力平衡与涨落原理

涨潮是地球 - 天体系统中引力平衡的一种表现。从宏观角度看,地球、月球和太阳之间存在着复杂的引力相互作用。在地球表面的海水,在月球和太阳引力以及地球自转离心力等多种力的共同作用下,形成了涨潮和落潮现象。

当引潮力使海水向某个方向凸起(涨潮)时,周围的海水会在重力作用下有向低水位区域流动的趋势,这就形成了落潮。在涨潮和落潮的过程中,海水的势能和动能不断转换。涨潮时,海水获得势能,落潮时,海水的势能转化为动能,推动海水向其他区域流动。这种能量的转换和流动在整个海洋系统中不断进行,维持着涨潮和落潮的周期性循环。

五、天文现象与涨潮的关系:月球和太阳的关键影响

月球的主导作用

月球是引起涨潮的最主要天体因素。由于月球距离地球相对较近,其引潮力对地球海水的影响占主导地位。月球的公转周期大约是27.3天,在这个周期内,月球相对于地球的位置不断变化,导致地球上的潮汐现象也呈现出周期性变化。

随着月球的盈亏变化(月相变化),涨潮的幅度也会有所不同。例如,在满月(农历十五)和新月(农历初一)时,月球、地球和太阳大致在一条直线上,月球的引潮力和太阳的引潮力同向叠加,此时涨潮幅度最大,形成大潮。而在上弦月(农历初八)和下弦月(农历二十三)时,月球与太阳的引潮力相互垂直,引潮力部分抵消,涨潮幅度相对较小,形成小潮。

太阳的辅助影响

虽然太阳的引潮力相对月球较小,但它仍然对涨潮有着重要的辅助影响。当太阳、月球和地球的相对位置发生变化时,太阳的引力与月球的引力相互作用,共同影响着涨潮的幅度和周期。

在一些特殊的天文现象下,如日食(当月球位于地球和太阳之间时)或月食(当地球位于太阳和月球之间时),虽然这些现象本身主要是光的遮挡现象,但由于此时日地月的特殊位置关系,也会对引潮力产生一定的影响,可能会导致潮汐幅度出现一些细微的变化。

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