住在海邊的朋友一定對潮汐現象不陌生,每到清晨或傍晚,總有一部分地區的海水會沿著海岸緩緩升起;而一段時間過後,這部分海水又漸漸褪去。古人為這一現象起了一個美麗的名字,叫做“潮汐”,可數千年來,一直有一個問題困擾著他們,那就是這潮水究竟從哪裡來?往哪裡去?
廣義上的潮汐實際上包括地潮、海潮和氣潮三種,分別對應地球岩石圈、水圈以及大氣圈受到日月引力所產生的週期性運動變化。至於我們通常所說的潮汐,往往指的是“海潮”,也就是海水受日月引力影響產生的海平面週期性漲落現象。當然,這其中還可以進一步劃分,比如白天出現的海水上漲現象稱之為潮,夜晚出現的則稱之為汐。
古人對長期的現象多有觀察,以至於雖然不解其原理,但也總結出了不少規律,比如每月初八、二十三之後都。會有一次小潮;再比如每月初一、十五後都將發生一次大潮。而就今天來看,潮汐可以根據週期不同大致分為三類,也就是半日潮、全日潮和混合潮。
什麼是半日潮呢?其實指的就是一日之內出現兩次高潮、兩次低潮,而且兩次潮差也大致相仿。由於其兩次漲潮過程幾乎相同,所以其掌握時間也接近相等,大約都在6小時左右。像我國境內出現這種潮型的水域、城市還是不少的,比如說東海、黃海、渤海地區,以及青島、廈門、大沽等城市。
至於全日潮,顧名思義,指的是潮水在一日內只進行一次漲落,而這種潮型在我國南海汕頭地區表現的尤為經典。
最後一種潮型為混合潮,指的是在一個月的範圍內,半日潮和全日潮交替出現,這種潮水是稍微顯得有些混亂的,因此潮差也相當大,主要在我國榆林港地區表現的很明顯。
針對這個問題,其實前面已經有了簡述,但這裡我們要引入一個更復雜的概念:天體引潮力。
在研究潮汐現象的過程中,很多人會將引潮力與萬有引力混為一談,可實際上萬有引力只是引潮力的一部分。如何去理解呢?我們將引潮力分為水平和豎直兩個方向,其水平方向為慣性離心力、豎直方向即萬有引力。慣性離心力促使海水發生了一定的輻射和聚散,引起了潮水的起伏;至於萬有引力,則是被重力所抵消,幾乎可以忽略不計。
在理解了引潮力的影響後,有關海面變化的闡述,也就不難理解了。我們取地球上的一點海水作為例子,在任何時刻下,海水都是在影潮力水平分量、重力以及壓強梯度力的平衡之下的。也就是說當海水受到了引潮力的水平力分量影響後,為了維持原定的平衡期,海平面就必須要相對於原靜止海面發生傾斜,而在引潮力水平分量的輻聚點和南北兩段的輻散點,海水的堆積與流失情況最多,而這也就促進了潮汐現象的形成。
當然,也有人說潮汐形成的本質原因並不是月球引力作用,而是天體質心變換,但是目前針對這方面的討論仍然沒有得到統一結論,因此人們還是普遍將牛頓在著作中解析的潮汐理論視作主流。
提到潮汐的作用,大家很容易就會想到水力發電,而實際潮汐也的確具備很強的位能與勢能。根據有關資料顯示,目前全世界潮汐能蘊含的能量總量,理論上高達三乘以十的九次方千瓦。而我國更是潮汐能大國,潮汐能蘊藏量高達一點一乘以的八次方千瓦,尤其是浙江福建兩省所蘊藏的潮汐能能量最多,高達全國的80.9%。當然,這都是理論數值,由於很大一部分潮汐能根本無法利用,所以真實資料是遠小於以上數字的。
潮汐發電與水庫發電有什麼區別呢?其實這裡主要集中在雙方水位落差以及水量上,當海水漲潮時,我們以勢能的形式將潮汐能儲存起來,在落潮的時候將海水放出、換取動能。由於前後海平面落差並不大,反倒是流量較大,同時還呈現出一定的間歇性,所以潮汐發電的水輪機結構是特定的,符合低水頭大流量的特點。
世界上最早的潮汐能發電站是由德國建造的,1912年建於德國布斯姆。世界上最大的潮汐能發電站源於法國,1966年被建造於法國朗斯。除這兩國外,世界各國也都陸續選定了不少超效能開發地址,我國也不例外,像我國廣東旅順、山東乳山以及上海崇明等地區,都陸續建立了潮汐發電站。
除了創造巨大的經濟效益,潮汐本身還被廣泛地運用到了軍事之中。
1961年鄭成功攻打赤嵌城的時候,就藉著潮汐將自己的軍隊駛入了港口,之後更是力求攻破敵人防線;1936年德國與英國作戰的時候,同樣也運用潮汐原理,佈置了很多的錨雷,給英軍帶來了很大麻煩……
潮汐的作用頗多,這裡我們就不一一舉例了,接下來我們來看看潮汐對於天體造成的影響。
科學家們的報道稱,由於潮汐現象的出現,地球自轉週期將逐漸變慢,只不過變慢的幅度很小,每世紀僅會變成1~2毫米左右。這代表著什麼呢?這代表著在很早以前地球的一年遠不止365、366天,而這也與人們發現3億7,000萬年前的泥盆紀每年有400多天的情況產生了印證。
除此之外,隨著潮汐的不斷髮生,地球自轉角動量會逐漸減少,而在地月系統總角動量保持不變的大前提下,月球對地月系統制質心的角動量必然增大,而這樣最終會導致月球以每年3.81釐米的速度遠離地球。雖然說這個資料很小,但是與前面我們所說的情況一印證就會發現,這在以後也是個必須要考慮的問題。