關於潮汐知識的學習筆記

這是我學習潮汐知識過程中整理的文章，文章寫完，我以前對潮汐的很多問題也都梳理清楚了。這次學習主要參考了百度詞條。實話說，百度的「潮汐」詞條寫得不錯，很詳細，可信度也很高，但存在條理不足、描述拖沓的問題。希望我的這篇文章能彌補百度詞條的不足。

一、什麼是潮汐

嚴格意義的潮汐，是指由於日、月引力的作用，地球的巖石圈、水圈和大氣圈產生的周期性運動和變化。完整的潮汐研究對象包括地潮、海潮和氣潮。

• 地潮：又稱固體潮，指固體地球在日、月引力作用下發生的彈性—塑性形變，稱固體潮汐。

• 海潮：海水在日、月引力作用下發生的海面周期性升降、漲落與進退，稱海洋潮汐。

• 氣潮：大氣各要素（如氣壓場、大氣風場、地球磁場等）受引力的作用而產生的周期性變化，稱大氣潮汐。

由於海潮現象十分明顯，且與人們的日常生活、經濟活動、交通運輸等關係密切，所以習慣上將潮汐狹義理解為海洋潮汐。海洋潮汐一般每日發生兩次，發生在早晨的稱為「潮」，發生在晚上的稱為「汐」，部分地區只發生一次。當外海潮波沿江河上溯，又會引起江河下遊發生潮汐。

根據周期潮汐又可分為三種類型：

1. 半日潮型：一日內出現兩次高潮和兩次低潮，前一次高潮和低潮的潮差與後一次高潮和低潮的潮差大致相同，漲潮過程和落潮過程的時間也幾乎相等（6小時12.5分）。我國渤海、東海、黃海的多數地點為半日潮型，如大沽、青島、廈門等。

2. 全日潮型：一日內只有一次高潮和一次低潮。如南海汕頭、渤海秦皇島等。南海的北部灣是世界上典型的全日潮海區。

3. 混合潮型：一個月內有些日子出現兩次高潮和兩次低潮，但兩次高潮和低潮的潮差相差較大，漲潮過程和落潮過程的時長也不同；而另一些日子則出現一次高潮和一次低潮。我國南海多數地點屬混合潮型。如榆林港，十五天出現全日潮，其餘日子為不規則的半日潮，潮差較大。

不論那種潮汐類型，在農曆每月初一、十五以後兩三天內，各要發生一次潮差最大的大潮。在農曆每月初八、二十三以後兩三天內，各有一次潮差最小的小潮。

由太陽引起的潮汐稱太陽潮，由月球引起的稱月球潮汐，也稱太陰潮。

二、潮汐產生的原因

古人早已發現潮汐與月相變化之間存在密切的關係。事實上，漲潮現象同時發生在地球上正對月球、太陽和背離月球、太陽的海面區域，使得球形的海平面變成紡錘體形。但只考慮月球和太陽的引力無法解釋紡錘體的形成，應把月球圍繞地球的公轉和地球圍繞太陽的公轉所導致的離心作用考慮進來，才能很好地解釋潮汐的形成。

為便於分析，這裡忽略太陽，只考慮月球。所謂月球繞地球做圓周運動，實際上是月球和地球圍繞兩者的共同質心做圓周運動，只是地球的圓周運動半徑（L1）比月亮（L2）小得多。見下圖：

實際L1僅4736公裡，小於地球半徑，地月繞轉軸線位於地表之下1600餘公裡的地方。

在不考慮地球自轉的情況下，海面上任一點受到的力主要有地心引力ma1、月球引力ma2和該點下部水體對它的託力。這三個力的合力產生該點做地月繞轉的向心加速度-a3。

如果以該點自身為非慣性參照物，該點的重力mg是該點所受地心引力、月球引力與離心慣性力的合力。即：

重力加速度g = a1 + a2 + a3 （注意：矢量相加，不是標量相加）

由於該點海面需要與該點的g垂直，而在a2+a3≠0時，g與地心引力偏離了一個角度，由此可以看出，假如地球表面全部覆蓋海水，將不會呈現完美的圓球形。下表為相關數據。

從表中可以看出，在向月點圓周運動的軌道半徑很小，該點所受月球的萬有引力大於慣性力，兩個力的合力與地心引力方向相反，使該點的重力加速度變小。如果這裡是海水，就會有漲潮發生。背月點月球引力小於慣性力，兩者合力依然與地心引力方向相反，也使該點的重力加速度變小。所以背月點海水也會同時有漲潮發生。因此本應是球形的海平面微微呈現出紡錘體形狀。

按照上圖，理論上可以計算出海平面各點g的方向，從而繪製出海平面形狀，計算出潮汐高度。不過這只是理論上的分析，實際情況遠比這複雜，需要考慮的因素還有很多，比如：地球自轉造成的離心力、太陽或其它天體的引力、地球自轉軸的傾角、月球公轉軌道與地球公轉軌道間的夾角、洋流、陸地分布、海洋深度，等等。

研究太陽對潮汐的作用，方法同上。可近似認為地球繞太陽的中心做圓周運動，計算將更為簡單，這裡不詳細論述。見下圖：

朔點時刻太陽和月球在地球的一側，有最大的引力，所以會引起大潮，在農曆每月的十五或十六附近，太陽和月亮在地球的兩側，太陽和月球的引力你推我拉也會引起大潮；在月相為上弦和下弦時，即農曆的初八和二十三時，太陽抵消了月球的一部分潮汐效應，所以就發生了小潮。

由於月球每天在地球上東移13度多（360/27.32），地球自轉這個距離需50分鐘左右，所以每天月亮上（下）中天時刻比前一天推遲約50分鐘（即：1太陰日 ≈ 24時50分），故每天漲潮時刻也推遲50分鐘左右。

地潮、海潮和氣潮的發生都是由上述原因引起的，三者之間又互有影響。因為月球距離地球比太陽近，月球與太陽的引潮力比約為11:5。大洋底部地殼的彈性和塑性也會導致海潮形變，即地潮對海潮有一定影響影響；而海潮引起的海水遷移，改變地殼承受的負載，又會使地殼發生變曲；氣潮作用於海面上引起附加的振動，使海潮的變化更趨複雜。

三、潮汐的應用

（一）能源開發

1. 潮汐能

潮汐能是指海水潮漲和潮落形成的水的勢能。由於地球的自轉，這種水位變化以周期12小時25分的深海波浪形式由東向西傳播（太陽潮周期為12小時）。

根據平衡潮理論，如果地球完全由等深海水覆蓋，月球所產生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太陽引潮力的作用為0.246m。和水力發電相比，潮汐能的能量密度很低，但一般平均潮差達到3m以上就有實際應用價值。世界大的潮差能達13～15m。

2. 開發潛力

儘管潮汐很複雜，但對任何地方的潮汐都可以進行準確預報。海洋潮汐從地球的旋轉中獲得能量，並通過淺海區和海岸區的摩擦以1.7TW的速率消散。吸收能量過程會使地球旋轉減慢，但減慢非常微小，也不會由於潮汐能的開發利用而加快。只有在地理條件適宜的地方，才有可能從潮汐中提取能量。據估算，有開發潛力的潮汐能量每年約200TW·h。

3. 潮能儲量

全世界潮汐能的理論蘊藏量約為3×109kw。我國海岸線曲折，全長約1.8×104km，沿海還有6000多個大小島嶼，組成1.4×104km的海岸線，漫長的海岸蘊藏著十分豐富的潮汐能資源。我國潮汐能的理論蘊藏量達1.1×108kw，其中浙江、福建兩省蘊藏量最大，約佔全國的80.9%，但這都是理論估算值，實際可利用的遠遠比這少。

4. 發電站

1912年，世界上最早的潮汐發電站在德國的布斯姆建成。1966年，世界上最大容量的潮汐發電站在法國的朗斯建成。我國在1958年以來陸續在廣東省的順德和東灣、山東省的乳山、上海市的崇明等地，建立了潮汐能發電站。加拿大安納波利斯潮汐電站、法國朗斯潮汐電站、基斯拉雅潮汐電站是世界三大著名潮汐電站。

（二）軍事應用

1661年4月21日，鄭成功率領兩萬五千將士從金門島出發，到達澎湖列島，進入臺灣攻打赤嵌城。鄭成功的大軍捨棄港闊水深、進出方便但有重兵把守的大港水道，選擇了鹿耳門水道。鹿耳門水道水淺礁多，航道不僅狹窄而且有荷軍鑿沉的破船堵塞，所以荷軍此處設防薄弱。鄭成功乘著漲潮航道變寬且深時，攻其不備，順流迅速通過鹿耳門，在禾寮港登陸，直奔赤嵌城，一舉成功。

1939年，德國布置水雷，攔襲夜間進出英吉利海峽的英國艦船。德軍根據精確計算潮流變化的大小及方向，確定錨雷的深度、方位，用漂雷戰術取得較大戰果。

1950年韓戰初期，朝鮮人民軍長驅直入打到釜山一帶。美國糾集聯合國多國部隊殺到朝鮮，但在選定登陸地點時犯了難——適合登陸的港口都有朝鮮人民軍重兵把守，強行登陸代價巨大。最終美軍司令麥克阿瑟指揮美軍於仁川成功登陸。原來，仁川港位於朝鮮的西海岸，平時易守難攻，朝鮮人民軍認為美軍不可能從仁川登陸，加之戰線拉得太長，所以對仁川港疏於防守，兵力薄弱。可是仁川每年有3次最高的大潮，潮差可達9.2米，為亞洲之最。美軍利用9月15日的大潮，穿過了平時原本狹窄、淤泥堆積的飛魚峽水道和礁灘，出人意料地在仁川港登陸。朝鮮人民軍因此被攔腰截斷，前線後勤完全失去保障，腹背受敵，損失慘重，幾乎陷入絕境。麥克阿瑟指揮的美軍和聯合國軍，僅用1個月，幾乎席捲朝鮮半島，兵臨鴨綠江邊，取得空前勝利。

四、潮汐對天體的影響

（一）潮汐與地球自轉變慢

由於各層海水做相對運動時的粘滯力以及海水與陸地和海床的摩擦作用，潮汐對地球自轉有制動作用，使地球自轉逐漸變慢。研究表明，地球自轉周期每個世紀變長1-2毫秒。按這個減慢效應推算，距今3.7億年前的泥盆紀一年約有400天，這與泥盆紀珊瑚化石的生長環數目相符（珊瑚環一天長一環）。

（二）月球總是以同一面對著地球

人們發現月球總是以同一面對著我們，它的另一面在地球上是看不到的。這是因為月球自轉周期恰好和月球繞地球轉動的周期相等，而這兩個周期相同則是潮汐長期作用的結果。地球對月球的引潮力為月球對地球引潮力的22.17倍，加上月球的轉動慣量比地球小得多，因此潮汐造成的自轉速度減慢對於月球尤為顯著。早期的月球有較大的自轉速度，在潮汐的作用下，月球自轉逐漸減慢，最後和月球繞地球轉動的周期相等，此時，月球潮汐消失，月球的自轉周期不再發生變化，所以今天的月球總是以相同的一面對著地球。

（三）潮汐與月地距離的增大

潮汐使得地球自轉變慢，導致地球自轉角動量減少。由於地月系統的總角動量保持不變，且月球繞地球旋轉的方向與地球自轉方向相同，故地球自轉角動量減少，勢必使得月球對地月系統質心的角動量增大，以保持地月系統的總角動量守恆。這一效應使得月球與地球的距離緩慢增加。據觀測，月球正以每年3.81釐米的速度遠離地球。

月球緩慢地遠離地球，也可以用地球潮汐凸起部分形成的月球加速來解釋。潮汐的凸起部分被地球的自轉帶向東面，因為凸起部分離月球更近，凸起部分對月球的引力更大，使得地球引力中心偏向地球和月球質量中心連線的東面，於是對月球在它的軌道運動方向產生了一個很小的加速度，使月球的速度加快，緩慢地向外盤旋。