潮汐 海水因为受天体(主要是月球和太阳)的引力作用而定时涨落的现象。其中“汐”特指晚上出现的潮水。
你喜欢去海边游玩吗?当海水落潮时,去海边沙滩上“赶小海”、捉螃蟹,趣味十足。当涨潮时,海水又会把人们在沙滩上玩耍时留下的脚印全部冲刷掉。
海水的涨落究竟是由什么引起的呢?
古人对潮汐非常好奇,并尝试用对自然的理解去解释它。有人认为海水的涨落是由大海中巨人的呼吸造成的,也有人认为是由某种个头巨大的神兽出入海面造成的。一千年前,宋朝著名的潮汐学家余靖发现海水的涨落时间和月亮每日、每月显现出来的样子之间存在某种紧密的联系。于是他提出了月亮引起潮汐的观点,这个观点也一直影响着后世对潮汐的理解。
先贤的观察非常细致,他发现了月亮和潮汐之间存在着某种联系。但是,造成潮汐的真正原因却比余靖想象得更复杂。
●太阳、地球、月亮与“水衣服”的示意图
地球表面的海洋之间相互连接,就像一件用水做的大衣一样,包裹在地球圆乎乎的“身体”外面。对于“没手没脚”的地球,只能依靠自己的引力,也就是重力,将这件“水衣服”紧紧地裹在“身上”。那这件“水衣服”长什么样呢?像上图里展示的,它中间凸,两头扁,是椭球形状的。两边凸起的部分分别朝向太阳和月亮。
需要注意的是,为了让大家看清楚,图中的尺寸都进行了一定程度的夸张处理,比如太阳和地球的距离远比地球和月亮的距离远。海水凸起的部分比扁平的部分远没有高出这么多。
假设地球上有一个小孩,地球带着小孩自转一周,分别经过A、B、C、D四个点。
沿着A、B、C、D转一圈正好是一天,对应两次涨潮,两次退潮。所以涨潮和退潮的时间间隔大致是6个小时。
●涨潮与退潮变化示意图
海水水体为什么会呈现椭球形呢?
原因之一正是很早以前余靖推测的:月亮通过万有引力改变了地球上的水体。按照牛顿定律,任何有质量的两个物体都会相互吸引。吸引力的大小受两个物体质量的大小和距离的远近的影响。物体之间的距离越远,引力就越小;两个物体的质量越大,引力就越大。
小实验
月亮的引力作用导致海水水体呈现椭球形。这有点像拉扯一个放在桌面上的圆形皮筋。由于皮筋的特性,当我们在一侧拽皮筋的时候,皮筋被牵拉的这一侧的受力比远离我们手的另一侧大。所以在受力方向的变形就会严重,从整体上看,两侧对称,呈椭圆形。
在万有引力的作用下,月亮不断地牵拉着地球。由于地球巨大,在靠近月亮的一侧,月亮造成的万有引力比远离月亮的那一侧大。相比地球上的岩石,水更容易变形,所以月亮对地球两侧不对称的引力会使地球呈现出临近月亮方向和相反方向上水体厚、垂直方向上水体薄的现象。这种引力差造成了地球上的潮汐现象,所以被称为潮汐力。对于宇宙中所有有质量、有大小的物体,潮汐力都是普遍存在的。
当月亮围绕地球公转时,就会带动地球的“水衣服”一起转。月亮公转一周的时间是一个月,所以“水衣服”的形状变动一圈也是一个月。这就是这件“水衣服”变形远比地球自转慢得多的原因。
月亮只是造成这种现象的原因之一,还有什么原因引起了潮汐的变化呢?
既然月亮可以引起潮汐的发生,那么比它大得多的太阳自然也可以。虽然太阳的质量极大,但是相对月亮,太阳与地球的距离却非常遥远,所以太阳对地球产生的潮汐力影响连月亮的一半也达不到。但无论如何,这两个天体都在同时对地球施展着潮汐力。如果拎出它们中的任何一个,地球潮汐变化最大的方向永远是太阳和地球的连线方向,或者月亮和地球的连线方向。如果两者同时作用,就会出现相互增强或相互抵消的情况。满月时,太阳、地球、月亮在一条直线上,月亮和太阳的潮汐力相互增强,使水体变形最大,这时就会产生大潮。上(下)弦月时,太阳和地球、月亮和地球的两条连线相互垂直,潮汐力相互抵消,水体变形最小,这时就会产生小潮。
●大潮与小潮时太阳、月亮与地球的位置关系示意图
所以潮涨潮落并不是因为海水的增减,而是在潮汐力的影响下,地球的水体发生了变形。在宇宙中,潮汐力是普遍存在的。月亮总是以同一面朝向我们、地球现在的自转速度比早期的自转速度慢等现象都与潮汐力有关。