月球、太陽對地球的潮汐影響

2021-01-08 經典力學007

本文主要是計算月球和太陽對地球表面的潮汐力的大小,以及廣闊海域的潮汐高度。

前提條件:

1、地球本身是完全剛性的球

2、海水的分子間作用力忽略,不考慮液體張力

3、月球、太陽看成質點

4、非相對論

01月球對地球的潮汐力

如下圖,一個單位質量的物體在地球表面的P點,P到月球的距離為L,地球中心為O,半徑為R,質量為M,地月中心距為r,PO與r的夾角為θ,月球質量為m,則(月球看成質點)

月球在P點產生的引力勢為:

由幾何關係可知:

於是得

只需要把後面展開即可,這裡根據一個簡單的展開公式

代入,得

由於地月之間的中心距r遠大於地球半徑R,則(R/r)很小,可以略去(R/r)的三階和高階小量,得

於是

P點單位質量受到的徑向力為

第一項類似於

其含義是整個地球受到月球的引力在地球半徑R上的分量,是地球上所有物質都受到的一個力,不是潮汐力。

於是潮汐力只能是第二項。因此,地球表面單位質量物體所受到的潮汐力為

從公式中可以得出下列結論:

1、由於地球的自轉、月球的公轉,潮汐力會按周期性變化。

2、月球引起的潮汐力在赤道附近最為明顯。

3、赤道附近的潮汐力變化範圍最大,越往兩極走,變化範圍越小。

4、在南北極點月球的潮汐力按月周期變化,太陽的潮汐力按年周期性變化。

潮汐力方向

可以看出,θ=0或π時,對應的潮汐力最大。此時,月球在頭頂,或者腳下

02地球的潮汐高度公式

繼續考慮月球對地球的潮汐力作用,如果在赤道附近的廣闊海面上,由於潮汐力作用使海面升高了h,那麼地球的引力在h上的高度減小的量必須剛好等於潮汐力,則

或者

化簡得

月球引力下潮汐高度為

(其中,m月球質量,M地球質量,R地球半徑,r地月中心距)

同理可求得,赤道附近的廣闊海面,

太陽引力下潮汐高度為

(最大高度)

03潮汐高度具體值

根據百科數據(2020年數據)

地球質量為5.965×1024kg

地球半徑為6378.137km

月球質量為7.349×1022kg

月球公轉半徑為363300km~405493km

太陽質量為1.9291×1030kg

地球公轉半徑為147098074km~152097701km

根據上述數據代入公式,可得

月球引力的潮汐高度為

近地點h=0.425m

遠地點h=0.305m

太陽引力的潮汐高度為

近日點H=0.173m

遠日點H=0.145m

容易看出,太陽的潮汐約等於月球的潮汐的一半。所以,地球上潮汐受月球和太陽共同影響。在赤道附近廣闊海域上,產生的最大潮汐高度為

Hmax=0.598m

這個理論高度稍微低了點,因為地球並不是完全的剛性的。在沿海或者入海口由於地形的原因,海水匯聚造成的潮汐高度比這數字高几十倍。

相關焦點

  • 月球已被地球潮汐鎖定,若地球也被太陽潮汐鎖定,會有哪些變化?
    以地球為例,地球自轉一周的時間約為24小時,也就是我們所說的一天,而地球圍繞太陽公轉一周約為365天,也就是我們所說的一年,地球的自轉是一種自主行為。但月亮就不同了,由於月球已經被地球潮汐鎖定,所以月球的自轉並不是自主行為,而是受地球引力控制的。正因如此,月球自轉一周的時間與其繞行地球公轉一周的時間是相等的。簡言之,月球上的一天和一年都等同於地球上的一個月。
  • 月球對地球產生潮汐作用的基本分析
    前面幾節運用二體運動向心力導出計算式與萬有引力定律相結合,就月球對地球產生的引潮力進行了粗略的計算分析,我這裡的分析結論是:1.根據月球對地球產生的引潮力計算結果可知,在面對月球的一面,由月球引起的引潮力方向與月球引力方向相同,月球對單位質量的引力大於單位質量隨地球環繞月球做圓周運動產生的慣性離心力,潮汐由引力引起,體現為引力潮;在背離月球的一面,由月球引起的引潮力方向與月球引力方向相反
  • 若地球被太陽的潮汐鎖定,人類還會出現嗎?
    因為月球被地球的潮汐鎖定了,所以,月球的背面是永遠不會對著地球的,所以,多年來關於月球的「陰謀論」才會層出不窮,不多,在我國的嫦娥四號成功在月球背面著陸之後,很多人也就對此不再感到懷疑了。那麼,月球被潮汐鎖定了,它還會圍繞著地球運行嗎?
  • 月亮引力對地球的影響更大,主要表現為潮汐,因為月亮離地球較近
    其實海水覆蓋海灘的面積每時每刻都在改變,而這就是我們常說的「潮汐」。牽動潮汐的主要力量則是月亮對地球的引力,其實宇宙中的每個物體之間都互相存在引力,距離越近,引力表現得越明顯。太陽和地球之間也存在引力,只不過太陽距離地球比較遠,相距一點五億千米,所以對潮汐的影響並不十分明顯。而月球距離地球三十七萬六千千米,對地球的引力就大得多了。
  • 月球如果加速離開地球,會對地球產生什麼樣的影響?
    現在月球的確是在加速離開地球,根本不需要假設如果,只不過這種加速離開的速率仍然比較低而已。之所以月球會逐漸遠離地球,根本原因在於地月之間的潮汐力的影響。在月球與地球之間的相互萬有引力,以及地球自轉產生離心力的共同作用下,地球上的所有物體包括海水,在赤道和兩極、面對月球和正對月球的區域都會出現勢能差。對於地球上分布廣泛的海洋來說,這種勢能差促使了海水的定向流動,也就是我們常說的潮汐現象。當然,太陽對地球潮汐的產生也起到一定作用,但是由於月球和地球的距離相對於日地距離非常近,月球對地球潮汐的貢獻,要比太陽至少大3倍左右。
  • 什麼是潮汐鎖定?我們在地球上為什麼看不到月球的背面?
    想想地球和月球。我們總是看到月球的同一面,從未從地球上瞥見它的另一面。這是因為月球被地球潮汐鎖定。月球每28天繞地球旋轉一周,而月球每28天自轉一周。潮汐鎖定對於雙方都有作用,在之前的例子中可知月球和地球對彼此產生作用力,這種作用力總在彼此相對的那側更強,也就是說這種作用力在月球和地球相對的那側更強。
  • 月球是否如美國宇航局所說正在縮小?這對我們的潮汐有什麼影響?
    你所說的「收縮」是月球內部冷卻的結果。在過去的幾億年間,月球的直徑可能減少了約50米。50米與月球的直徑約350萬米相比幾乎不算什麼。即使月球直徑的變化遠遠大於50米,也不會對我們的潮汐產生任何影響。潮汐是由月球引力相互作用引起的,而引力取決於質量。
  • 事實上月球對潮汐有影響外,生命的發展也離不開月球,關鍵是氣候
    當問起,月球對地球有何影響時,你的回答很可能是,月球對地球上的潮汐有影響。沒錯,你的回答是正確的。但是,地球的天然衛星不僅要對美麗的風景和潮汐負責。除了這些影響因素外,月球對地球上的生命也起著至關重要的作用。
  • 用以太風法計算月球引起地球潮汐
    地球同樣處在月球的以太風錐中,地球的相對月球的相對加速度狀態相當於自由落體,就是地球向月球自由落體。地球體積龐大,在距離月球近的位置和遠的位置比較大,所以在自由落體過程當中,整體是質心部分與以太風相對速度為零,距離近的就要超前一些,距離遠的就會滯後一些,形成潮和汐。
  • 考慮月球影響,日月相衝(月全食)時太陽引起的海洋潮汐計算分析
    連接文字圖片經計算對比可知,當日月相衝(月全食)時,太陽對地表正垂點單位質量的引潮力是太陽對地表反垂點單位質量引潮力的約6.496倍;而太陽對地表反垂點單位質量的引潮力僅為太陽對地表正垂點單位質量引潮力的約0.1540。
  • 月球的存在對人類有多大的影響?
    月球自形成以來就就一直圍繞著地球旋轉,由於月球離地球的距離不算「太遠」,地球、月亮一直相互影響著。關於月球的形成,目前最主流的說法是小行星撞擊說,因為上個世紀美國的阿波羅號登月活動帶回來的巖石樣本與地球上的地殼內部的巖石樣本差距不大。從這點看來,月球像是地球的孩子一樣。
  • 月球以每年3.8釐米的速度離開地球,這是為什麼?
    然而我對月球正在越來越靠近太陽的說法無法苟同,它的確是在逐漸遠離地球,所以在其運行到靠近太陽一側的軌道上時它的確是離太陽更近了,但是在遠離太陽的另一側軌道它卻是在逐漸遠離太陽。軌道變大的原因是月球引力引起的地球上的潮汐現象。因為地球面向月球的那一面離月球更近,所以它受到的引力比地球中心更強。同樣地,地球背對月球的那部分受到的引力小一些。這種效應使得地球被拉伸,從而變得更像橢圓形。
  • 月亮對潮汐的作用
    但潮汐是怎麼形成的,要搞清楚可不容易。直到公元1000年,北宋官員餘靖根據實測,認為潮汐的形成主要與月亮有關,即「月亮起潮論」,並將之寫入自己的《海潮圖序》中。他指出潮汐是以月亮作用力為主而引起的,這個後來成為中國科技史上一篇重要的論文,並為地方海塘建設、治潮防災和海洋貿易等產生了指導性作用,有效地促進了生產活動。潮汐現象具體是如何形成的?
  • 神秘的月亮,探索太陽和月亮對地球的引潮力與潮汐的關係
    何以解憂,唯有東風,大家好我是你們的老朋友小東,通過一個比例的關係可以知道太陽地球的引力是月球地球引力的174倍,乍一看上去感覺是太陽潮汐的影響更大,這裡面所說的是萬有引力,所以還是會受到月球或太陽引力的。同時那地球本身也是受到引力的作用。
  • 月球上看太陽會動嗎?看地球會下山嗎?能看到星星嗎?
    太陽日:地球自轉一周後太陽在同一個位置時的時間,這個周期和地球的自轉周期並不一一對應,而是是要稍微晚那麼一點點,因為地球在軌道上有經過了大約1/366周,根據地球在軌道上不自覺的自轉一周時間計算,這個增加的時間為1/365×23時56分4秒,大約為3分56秒!
  • 在月球上看到的地球有多大?
    月球每隔大約27天會環繞地球運動一周,在此期間,我們可以看到月相的變化。雖然月球的公轉會造成它的陰晴圓缺,但由於月球的自轉周期與公轉周期同步,我們實際上只能看到月球正面。我們都在地球上看過月球,那麼,在月球上看地球又會是怎樣的景象呢?地球看起來會有多大呢?
  • 神秘的月亮與潮汐現象:潮汐是如何形成的(圖)
    配圖:資料圖    大洋潮汐是在月球、太陽等天體引力作用下所產生的,在萬有引力的作用下,月亮對地球上的海水有吸引力,人們把吸引海水漲潮的力叫引潮力,地球表面各地離月亮的遠近不一樣,所以,各處海水所受的引潮力也出現差異,一般正對著月亮的地方引潮力就大,而背對著的月亮的海水所受引潮力變小,離心力變大了,海水在離心力的作用下,象背對月亮那面跑,於是也會出現長潮,由於天體是運動的,各地海水所受的引潮力不斷在變化,使地球上的海水發生了時漲時落的運動,從而形成了潮汐現象。
  • 從地球上明明看不到月球的背面,為什麼還說它有自轉?
    為什麼從地球上永遠只看到月亮的一面在地球引力的作用之下,月球被地球「鎖定」,永遠以同一面朝向地球,這種「鎖定」,有一個專有名詞,叫做「潮汐鎖定」。什麼叫潮汐鎖定我們通常計算地球與月球之間的萬有引力時,是將地球和月球當作兩個無限小的點,物理學上通常稱為質點,來計算的。但這種計算其實忽略了天體本身的大小和形狀。
  • 月亮和其他天體的引力會對地球造成什麼影響?
    根據科學家的推測,約在十四億年前,地球上的一天只有18個小時,而這是因為那時的地月距離比現在小很多。在接下來的一百年中,月球還將進一步遠離地球,那時候的「一天」將會比現在長1.5毫秒。地球最親近、最忠誠的密友會在地球上掀起潮汐,也正是因此它正在逐漸遠離我們。月球與地球的距離太近了,以至於月球能將地球表面的海水拖向自己——它的引力令海水上湧,形成潮汐。
  • 月球離地球越來越遠,地球自轉周期或延長到30天,為何會這樣?
    筆者:三體-小遙太陽東升西落,地球每天上演著不同的故事,大海也有潮漲潮落的過程,億萬年來滄海桑田,一切都值得我們觀察和研究。在此過程中,人們發現大海的潮汐作用十分有趣,並且試圖通過深入的研究找到其中的奧秘,好在牛頓發現了萬有引力,為我們打開了新世界的大門。