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。