摘要:本文指出了“引潮力” 学说中“潮汐椭圆”存在的局限性,进而对“月球和太阳对海水的直接引力”是引起潮汐现象“引潮力”的观点加以质疑,提出了“变化的离心力”是引起潮汐现象“起潮力” 的新观点,同时用新观点对“每天两个潮汐,以及初一、十五涨大潮”等潮汐自然现象作出了
本文指出了“引潮力” 学说中“潮汐椭圆”存在的局限性,进而对“月球和太阳对海水的直接引力”是引起潮汐现象“引潮力”的观点加以质疑,提出了“变化的离心力”是引起潮汐现象“起潮力” 的新观点,同时用新观点对“每天两个潮汐,以及初一、十五涨大潮”等潮汐自然现象作出了解释。
在解释潮汐现象时,“起潮力”观点超越了“引潮力”学说。
目前,对于潮汐现象公认的解释是“引潮力”学说。其中1972 年 10 月出版、由“上海师范大学河口海岸研究室”编著的《潮汐》一书具有代表性。然而,阅读该书后发现,书中的相关解释存在疏漏及错误,难以切实证实“引潮力”就是潮汐现象的成因,主要体现在以下几个方面:
“引潮力”观点对于月球引力和公共质心离心力的解释如下:
月球对地球存在引力,同样,地球对月球亦有引力。于是,地月之间形成一个相互吸引的引力系统,且存在一个公共的质心,称为“地月系中心”,位于距地心 0.73 倍地球半径之处。
地球在不停自转和绕日公转的同时,还要绕地月系中心公转,进而产生离心力。在地球上的不同位置,此离心力被认为”方向相同、大小相等”,见图 1。
然而,这种“地月公共质心离心力方向相同,大小相等”的说法应受到质疑。
月球在围绕地球转动的过程中,总有一面始终朝向地球。从地球的视角来看,月球并非独自旋转,而是围绕地心转动。这恰似在一个转动的圆盘外侧套着一个圆环,圆环与圆盘同向围绕圆盘的中心转动,只不过圆环的转动速度比圆盘慢。圆环需一个月才围绕盘心转一圈,而圆盘一天就能围绕盘心转一圈。现今假设将圆环与圆盘之间的缝隙无限扩大,并且把圆环去掉绝大部分,剩余的小部分如同月球,而圆盘则相当于地球。
也就是说,月球和地球的相互位置,决定公共质心的位置。
首先,公共质心指的是在由多个物体构成的系统中,存在的一个特殊点,能够视作整个系统质量的集中点。
地月公共质心的特性在于地球和月球并非彼此紧挨。
倘若让月球和地月相挨在一起,经计算,其公共质心距离地心约 100 公里,接近地心。此时,月球上各点的公共质心离心力和地球上各点的公共质心离心力应如图 2 所示, 大小不等,方向由公共质心向外呈放射状。
其次,即便公共质心离心力是平行的,其方向也应该如图 3 所示,以公共质心为分界点,方向指向公共质心的两侧。
其三,倘若将月球放回原位,那么地月引力系统的公共质心离心力应该如图4 所示,大小不等,方向由公共质心向外呈放射状。
小结:由图 2、图 3、图 4 以可知,“引潮力”学说中将“地月系统”公共质心离心力定义为“方向相同,大小相等”这一观点应当受到质疑。
本文认为,在地球上不同的地方,其“地月公共质心离心力方向不同,大小不等。”
附:《潮汐》一书第 17 页照片,见图5。
首先对《《潮汐》书中的“引潮力”解释进行概括。
如图 6 所示,在月球的直射点 B,引力大于离心力,二者合成向上(向月球方向)的引潮力,促使海水向上运动,形成海水上涨的态势。在对应点 D,离心力大于引力,两者同样合成向上(背向月球方向)的引潮力,也致使 D 点的海水向上运动,造成海水上涨现象。
在 A 点和 C 点,引力和离心力两者合成向下(向地球中心)的引潮力,使海水向下运动,导致海水下降现象。
假设地球表面完全被海水覆盖,那么在引潮力的作用下,海水会形成一个椭球体,对于通过 A、B、C、D 四点的一个剖面而言,就是一个椭圆,潮汐学中将其称为“潮汐椭圆”。
但实际情况是,只有月球轨道平面上的纬圈处,才会出现“潮汐椭圆”现象。
图 7 中的 ABCD 纬圈位于月球轨道的平面上,月球引力和离心力也处于这个平面上,所以 ABCD 所在的纬圈会呈现“潮汐椭圆”。
事实上,大多数的纬圈并不在月球的运行轨道上。
在图7 中,纬圈 EFGH 不在月球轨道的平面上,月球对纬圈上各点海水的引力与该纬圈平面在方向上存在一个交角,致使这个引力和离心力所合成的合力也不在该纬圈的平面上,那么,在这个纬圈上行不成“潮汐椭圆”,也就是形不成平行于赤道平面(或者说平行于月球围绕地球转动的轨道平面)的 “潮汐椭圆”了。
进而推出,在同一时刻,在地球上,只有在月球围绕地球运行的轨道上出现一个潮汐椭圆,在其它位置,行不成“潮汐椭圆”现象。因此,“引潮力”学说定义为地球上任何一点都会出现“潮汐椭圆”现象是狭隘的,也是错误的。
黄道面与赤道面交角的平均值约是 23°27′,黄道面与白道面夹角的平均值为 5°09′,不考虑其它因素这样,太阳和月球是在 28°36′范围内围绕地球运动。这就是说,28°36′范围外,根本不会出现“潮汐椭圆”现象。
若不出现“潮汐椭圆”,那么,“引潮力”对于“一天两次潮汐”的解释就是失败的。
在图8,《潮汐》书解释落潮时说:“在 A 点和 C 点,引力和离心力两者合成向下(向地球中心)的引潮力,使海水向下运动,造成海水下降现象。”这一论述有误。
其实,只有月球所在的纬圈在赤道平面上时,落潮时的引力和离心力的合力才指向地球中心,其它位置仅指向所谓的潮汐椭圆中心,这样,引力、离心力及其合力,才在一个平面上。
附图8,《潮汐》书关于“潮汐椭圆”的解释
太阳与地球之间的距离极为遥远,太阳的体积又十分庞大,即便把太阳的中心看作一个点,这个点也要比地球的体积大无数倍。在如此巨大的尺度下,太阳对不同位置海水引力的方向差异及其微小,就如同太阳光一样近乎平行,对不同处海水引力的大小也近乎相等。这说明,太阳对海水的引力与“日地公共质心离心力”是平行的,这两个力的合力产生不了指向“潮汐椭圆”中心的合力;在地球上不同的地点,这两个力的合力的大小也近乎相等,因此,关于太阳引力引起潮汐现象这一说法,应该受到质疑。
那么,在“引潮力”学说中,由于月球和太阳的相对位置变化出现的“初一、十五涨大潮,初八、二十三涨小潮”的解释也理应受到质疑。
综上所述,“引潮力”学说在多个方面存在问题和错误。地月公共质心离心力的“方向相同、大小相等”定义应受质疑;“潮汐椭圆”仅在月球正在运行的轨道平面上的纬圈处出现;落潮时引力和离心力的合力指向并非如《潮汐》书中所论述,只有月球所在纬圈在赤道平面上时合力才指向地球中心,其他位置仅指向所谓的潮汐椭圆中心;太阳引力引起潮汐现象的说法也缺乏合理性。
这些问题表明,“引潮力”学说在严谨性和说服力方面存在欠缺乃至错误。以存在错误或具有争议之处的定义作为基础去推导结论,往往难以得出准确无误的结果,甚至可能得出存疑或错误的结论。因此,“引潮力”学说需要重新进行审视和修正,从而准确地揭示潮汐现象的本质。
上网了解到,地球自转时存在“章动”和“进动”现象,其自转轴在方向改变呈现犹如“点头”般的摇晃,这种摇晃的原因与月球和太阳的引力有关,见图9。
简单而言,就是地球的这个摇晃,是海水产生潮汐现象的原因。
太阳、月球和地球这三个天体互相之间存在引力。太阳对地球的引力与月球对地球的引力所形成的合力(后文称为日月合力),会拉引、撬动地球的自转轴(地轴)朝着日月合力的方向倾斜,如图10。
通常来说,月球与地球之间的引力方向作用于月心和地心的连线上。然而,月球并非始终在地球赤道的平面上围绕地球运动,而是在其他的纬圈上进行环绕运动。由于月球运动的轨道平面与地球自转轴相交的垂点位置时刻在变化,所以月球引力会对自转轴(地轴)产生力矩,从而导致地球自转轴的倾斜。
同样地,太阳的引力也会致使地球自转轴发生倾斜。
此时,地球上的各点,不仅围绕自转轴(地轴)转动,同时也在围绕旋转轴转动。
由于自转轴的倾斜,致使地球上各点的离心力半径发生了改变。
假设自转轴与旋转轴之间的交角θ增加,见图11。
地球上的A点偏移到B点,离心力半径增加,即r₂>r₁;A点的对应点A₂点偏移到了B₃点,离心力半径减小,即r₄<r₃;
同理,在南半球,C点偏移到D点,离心力半径减小,R₆<R₅;C₂点偏移到D₃点,离心力半径增加,即r₈>r₇。
根据公式“离心力 = 质量*半径*角速度^2”可知,在质量和角速度不变的情况下,离心力的大小和半径成正比。
因此图11中,A点偏移到B点以及C₂点偏移到D₃点后,离心力半径增大,离心力也随之增大;由于离心力增大,A区域及C2区域的海水向上运动,造成海水上涨现象。
在图11中,对应点A₂点偏移到B₃点,以及C点偏移到D点,离心力半径减小,离心力随之减小,但海水同样向上运动,造成海水上涨,这是为什么呢?
这时因为在图11中,低纬度处的纬圈周长比高纬处的纬圈周长长。当A₂点以及C点由底纬处向高纬处偏移时,底纬处的部分海水带到了高纬处,致使高纬度处的海水厚度增加,造成一些海水上涨;同时,虽然B₃点和D点的离心力虽然变小,但角速度未变,依然存在指向外侧的离心力,造成海水上涨现象。
当自转轴与旋转轴之间的交角θ减小时,如图12所示,A点偏移到B点处后,半径减小;A₂点偏移B₃点处后,半径增加,结合以上讲解,同样会引起海水上涨。
总而言之,地球表面的离心力半径不论是增加还是减小,都会造成海水上涨。
也就是说,地球表面的离心力无论是增加还是减小,都会造成海水上涨现象。
进而能够表明,自转轴与旋转轴之间的交角不管是增大还是减小,都会引起海水上涨。
地球在月球引力和太阳引力的共同作用下,使得海水受到的离心力发生变化,造成海水上涨,形成潮汐。本文将这个变化的离心力,称作引起潮汐现象的“起潮力”。
视频1
见视频1,红绳可以伸缩。
水视频球开始旋转时,红绳长度不变,球中各点的水位相同。
当红绳伸长时,水球的自转轴发生倾斜,水球表面的离心力半径和离心力都发生了变化,红绳方向及红绳的对面方向的水位也发生了变化,这就是简单的潮汐现象。
当红绳拉到不可伸长时,水球将无法再继续倾斜,离心力半径不再变化,两端的水位也不再发生变化,这时将不再出现潮汐现象。
图13是与赤道平面平行的一平面,A点在日月合力方向上。由于受日月合力的作用,地球的自转轴与旋转轴之间的交角增大或减小,海水所受到的离心力也随之增加或减小, A区域海水的离心力克服海水自身的重力,形成向上(朝向日月合力方向)的起潮力,造成海水上涨现象;
在A区域的对应点,即C区域,海水的离心力克服海水自身的重力,同样形成向上(背向日月合力方向)的起潮力,也使海水向上运动。
需要注意的是,离心力的方向是沿着离心力半径指向远离圆心的方向,而重力的方向则指向地心的近似方向,只有在赤道上,离心力的方向与重力的方向大致呈相反方向。
B区域和D区域,离心力几乎没有变化,按理来说,海水即不上涨也不下落。然而,由于地球的自转,将A区域和C区域内上涨的海水携带到了B区域和D区域,致使海平面升高,在海水本身重力的作用下,B区域和D区域的海水形成向下(朝向地球中心)的起潮力,使海水向下运动(遵循水往低处流的原理),造成海水下降现象。
具体而言,地球按顺时针方向转动,从 B 点到 A 点,离心力逐渐增大,B 点处的海水向 A 点方向补充,使得 A 点处的海水上涨至最高;从 A 点到 D 点,所受的离心力逐渐减小,与此同时,在重力的作用下,海水下降,D 点下降到最低;同理,C 点的海水上涨至最高,B 点的海水下降到最低。
假设地球表面全被海水所覆盖,则在起潮力作用下,海水将形成一椭球体,对于通过A、B、C、D四个点的一个剖面而言,就是一个椭圆,称之为“潮汐椭圆”,如图13。
通俗的讲,就是变化的离心力使海水涨潮,海水自身的重力使海水落潮。
在地球表面任何一点,在地球自转的过程中,都有经过类似于A、B、C、D四个位置(如图13)的机会,因此,这就是一个太阴日内常见到潮汐有两涨两落现象的原因。
以上表明,“起潮力”观点在任意纬圈所在的平面上都能形成潮汐椭圆,从而超越了“引潮力”学说只能在月球轨道所在纬圈平面上形成潮汐椭圆。
实际上,地轴偏移的角度及其微小,所以,只有大面积的海洋中水圈才会表现出潮汐现象,而一般湖泊由于面积小,就难以观察到潮汐现象了。
另外,因为倾斜角度很小,所以引发的是潮汐;倘若倾斜角度很大,那就会天天海啸了。
这里需要补充说明的是,人之所以感觉不到地球的晃动,甚至一般科研仪器也难以测出地球的晃动,这是由于地球的晃动强度极其微小。而海水的面积广大,水又具有极高的灵敏性,因而形成了潮汐现象。
这就如有一个特大的盆和一个小盆,两者里面都装有相同高度的水。当提起盆子一侧的边沿,且使提起的角度相同,那么,小盆里的水几乎不会产生明显的涌动,而大盆里的水涌动则较为明显。这是因为大盆的直径大,边侧提起的高度大。
五、大潮和小潮每个潮汐,从潮涨到潮落,都是从低潮(零)开始涨潮,形成高潮;而后下落,再回归低潮(零)。
从前文可知,无论地球表面的离心力半径增大还是减少,都会引起海水上涨,从而形成潮汐。而离心力半径的变化最终体现在日月合力的变化上。以下重点描述日月合力。
这里涉及到“日月合力”、“日月合力变化量”和“日月合力变化量差值”三个概念。
从后文可知,“日月合力图像”图形类似“余弦函数图像”,然而,此图像全部在“第一象限”。这表明日月合力仅体现了某一时刻日月合力对地球引力的大小,但其并未反映出这种合力在时间序列上的动态变化趋势,所以,日月合力无法解释潮汐在每天的变化模式。
从后文可知,“日月合力变化量图像”并非“正比例图像”,而是“正弦函数图像”,即图像并非直线,而是曲线。因此,日月合力变化量虽展现了合力在相邻时间点的变化情况,可它仍然是一种相对局部和短期的衡量,无法全面反映潮汐在每天的变化模式。
因为地球是球形的,海水实际上是在曲面(球面)上运动,所以,与在平面上运动的规律不同,不要用正比例的感念研究潮汐的变化规律。
从后文可知,“日月合力变化量差值图像”类似“余弦函数图像”。“日月变化量差值”反映出了引力相互作用的动态变化趋势,其变化规律呈现出了与潮汐在不同日期的对应关系,能够解释潮汐在不同月相时期高潮和低潮的周期性变化以及潮汐强度的差异。日月合力变化量差值(绝对值)越大,潮汐上涨的幅度就越大;反之,潮汐上涨的幅度就越小。
设定自转轴与旋转轴之间交角的大小和日月合力的大小成正比例关系,实际情况应较为复杂,不过此设定应当占据主导地位。
在图14中,经过圆心O点的连线OA为太阳中心与地球中心的连线。假设月球从A点(塑月)运动到B点,月地引力F月(月地连线)与日地引力F日(日地连线)的交角为α。那么,地月引力 F月与地日引力 F日的合力 F合为:
F合²=F月²+F日²+2*F月*F日*COSα ……公式①
通过上网查询得知,太阳对地球的引力是月球对地球引力的167倍。为了简化起见,此处设定月球对地球的引力为单位1,则太阳对地球的引力为单位167。
那么,地月引力与地日引力的合力为:
F合²= F月²+F日²+2*F月*F日*COSα
=1²+167²+2*1*167*cosα
=27890+334*cosα ……公式②
F合=√(27890+334*cosα)……公式③
月球从塑月的位置出发,经过上弦月、望月、下弦月,再回到塑月的位置,所经历的时间即为一个“朔望月”,即29.53个太阳日。如果按30天计算,则月球每天围绕地球转动的角度是12°(12°*30 天=360°)。
那么,地月连线与地日连线每天的交角α分别是:初一 12°、初二 24°、初三 36°……二十八 336°、二十九 348°、三十 360°。
将α值代入公式③中,得出《日地合力变化量差值表》上 D 列“日月合力”数据,见表 1。
在表1中,将D列里“日月合力”的数值通过Excel转换为图像,从而得到一个朔望周期内的“日月合力示意图”,如图15所示。该图形类似于余弦函数图像,并且全部位于X轴的上侧。
在表1中,将D列相邻两个“日月合力”的数值相减,从而得到E列“日月合力变化量”的数据。
“日月合力变化量”可用公式④表示:
日月合力变化量=F₂ - F₁……公式④,
其中F₁表示前一天的“日月合力”数值,F₂表示当天的“日月合力”数值,F₃表示后一天的“日月合力”数值。
之后将表1中 E 列“日月合力变化量”的数值通过 Excel 转换为图像,进而得到一个朔望周期内的“日月合力变化量示意图”,如图16 所示,该图形类似为正弦函数图像。
将表1中E列相邻两个数值“日月合力变化量”相减,从而得到G列“日月合力变化量差值”的数据。
“日月合力变化量差值”还可用公式⑤表示:
日月合力变化量差值=(F₃-F₂)-(F₂-F₁)
=F₁+ F₃-2*F₂……公式⑤
接着将表1 中 G 列“日月合力变化量差值”的数值通过 Excel 转换为图像,进而得到一个朔望周期内的“日月合力变化量差值示意图”,如图17 所示,该图形类似为余弦函数图像。
从图 17 能够看出,在塑月(初一)位置,月球的日月合力变化量差值(绝对值)达到最大;
月球从塑月朝着上弦月(初七、八)的方向移动时,日月合力变化量差值逐渐减小,至上弦月这一天减小至零;
月球从上弦月朝着望月(十五、十六)的方向运动,日月合力变化量差值逐渐增大,至望月这一天增大到最大值;
月球从望月朝着下弦月(二十二、二十三)的方向运动,日月合力变化量差值逐渐减小,至下弦月这一天减小到零;
月球从下弦月朝着塑月(三十)的方向运动,日月合力变化量差值逐渐增大,到塑月时再次回到最大值。
日月合力变化量差值在塑月和望月处达到最大,这表明日月合力变化量在此处的变化剧烈程度最大。日月合力变化量差值在上弦月和下弦月处为零,这意味着日月合力变化量在此处的变化相对平缓。
结论:每逢朔(阴历初一)、望(月半)之时,太阳、月球和地球三个天体近乎成一直线,此时海水涨得最高,落得最低,出现一月中两次最高的高潮和最低的低潮,即“初一、十五涨大潮”。这时的潮差最大,被称作“大潮”。
朔望过后,至上弦(阴历每月初八)、下弦(阴历每月廿三)时,高潮逐渐变低,低潮日益增高,潮差日益变小,从而出现一月中两次最低的高潮和最高的低潮,即“初八、廿三,到处见海滩”。这时的潮差最小,叫做“小潮”。
由于大潮和小潮是由月球相对位置的改变所引发的,其周期是从朔(望)到望(朔)的半个朔望月,由此便产生了潮汐的半月周期变化。
理论上,自转轴应向日月合力方向倾斜。但实际情况是,太阳体积巨大,距离地球太远,其引力呈平行状态且相对地球均衡,可认为是对地球平行拉动,使得自传轴与旋转轴之间的交角几乎不变化,见图18。当然,太阳引力并不是不重要,如果没有太阳引力,就没有日月合力,也就无法解释大潮、小潮。
月球围绕地球做圆周运动,位置不断变化,其引力方向时刻改变。
因此,在自传轴与旋转轴之间的交角变化时,月球位置起到了主导作用,所以自转轴与旋转轴之间交角的变化主要是由月球的变化决定的,并且在月球方向,交角的变化量最大。正如民间谚语“月上天,潮涨滩” 的道理也在此。
月球对地球的引力致使地球自转轴发生倾斜。通常情况下,如果此引力仅仅源自月球中心并且径直指向地球中心,那么地球自转轴理应保持恒定,不会出现倾斜现象。然而实际状况并非如此,这表明月球对地球的引力作用点并非全部集中于地球中心,而是有一部分力作用在了地轴之上,正因如此才致使地轴发生倾斜。同时前文也写到,月球引力和太阳引力会对地轴产生力矩。
这就好比当人们对一棵幼小的树木施加同等大小的力进行扳动时,扳动的位置距离树的根部越远,小树倾斜的角度就会越大;反之,扳动的位置距离根部越近,小树倾斜的角度则越小;而扳动树根中心时,小树一般不会倾斜。
总之,月球引力作用点与地球中心的距离差别直接左右着地球自转轴倾斜角度的大小。当作用点距离地球中心较近时,其对地球自转轴产生的影响相对较弱,倾斜角度较小;而当作用点距离地球中心较远时,对地球自转轴的作用更为显著,倾斜角度也就更大。
由此得出结论,当月球处于天赤道附近时,自转轴与旋转轴之间的交角较小;而当月球相对天赤道的距离越远,自转轴与旋转轴之间的交角就越大。当然,自转轴与旋转轴之间的交角与太阳和月球对地球引力的大小有关。
黄道与赤道平面存在 23°27’的交角,白道与黄道平面亦有 5°09’的交角,故而月球并非始终处于地球的赤道之上,而是在赤道两侧往来徘徊。
如图 19 所示,当月球赤纬等于零,即月球处于天赤道时的潮汐状况。当月球在 A 点上中天时,A 点产生第一次高潮;当 A 点因地球自转至 A₁点时,出现第一次低潮;转至 A₂点时,出现第二次高潮;转至 A₃点时,出现第二次低潮。
由上述内容可知,当月球位于天赤道上时,由于地球自转轴与旋转轴之间的交角较小,致使 A 点和 A₂点的离心力半径较为接近。此时,第一次高潮和第二次高潮的高潮高度近乎相等。从高潮至低潮以及从低潮至高潮的时间间隔也几乎等同。此乃典型的半日潮。
由此可见,当月球处于天赤道上时,全球同纬度的各地在一个太阴日内,皆会出现两次高潮和两次低潮,且潮差相等。两次高潮的时间间隔为 12 小时 25 分,涨、落潮时间各为 6 小时 12.5 分。潮汐高度自赤道向两极逐渐递减且与赤道对称。这时的潮汐被称为“赤道潮”,或者称作“分点潮”。
事实上,月球处于天赤道上的时间颇为有限,其大部分时间位于天赤道平面两侧各约 28°36’的区域内。在此状况下,由于自转轴与旋转轴之间的交角相对较大,致使 A 点与 A₂点的离心力半径不再相同,A 点与 A₂点的离心力也随之不再相等。于是,地面上各地潮汐的高度不再与赤道呈对称状态,相邻两高潮的高度未必相等,在一个太阴日内潮汐出现的次数亦存在差异。
如图 20 所示,是月球赤纬不等于零,且自转轴与旋转轴之间的交角增大时的潮汐情形。鉴于 OA 比 OA₂的离心力半径更大,因而 A 点的高潮高于 A₂点的高潮,A 点为高高潮,A₂点为低高潮。
当地球相对月球约自转半圈多一点之后,月球在 A 点和 A₂点产生第二次高潮。但此时 A 点为低高潮,A₂点为高高潮。由此不难看出,A(A₂)点在一个太阴日中出现的两次高潮,其高度并不相等。
在一个太阴日内,两次低潮的潮高同样存在差异,较低的一次被称作低低潮,较高的一次被称作高低潮。
在图 20 中,A₁为高低潮,A₃为低低潮。相邻两次高(低)潮高度不等的现象被称作“潮高周日不等”。
一天当中,不仅存在潮高不等的状况,潮时也不尽相同。由图 17 可见,弧长 AA₁大于弧 A₁A₂。由于旋转轴角速度保持恒定,所以显而易见,通过较长的弧 AA₁比通过较短的弧 A₁A₂需要耗费更多的时间。即在这种情形下,第一次高潮到第一次低潮的时间要长于第一次低潮到第二次高潮的时间,此即为“潮时周日不等”。
潮高周日不等与潮时周日不等共同被称为“潮汐周日不等”。
当月球赤纬不等于零,且自转轴与旋转轴之间的交角减小时,高低潮 A 点和 A₂点的时间交替后,依然呈现出“潮汐周日不等”的现象。
当月球赤纬增大到回归线附近时,潮汐周日不等现象最为显著,此时的潮汐被称作“回归潮”。
需要加以说明的是,“大、小潮”采用的是“离心力半径变化量差值”的概念,“赤道潮”和“回归潮”运用的则是“离心力半径”概念。这是因为“大、小潮”重点强调的是不同日期的潮汐,“赤道潮”和“回归潮”着重突出的是同一天内的潮汐。
九、地带看潮汐不同纬度的起潮力,由离心力半径和离心力半径变化量差值共同决定。同纬度的起潮力,由离心力半径的变化量决定,见图21。
在图21中,当自转轴与旋转轴倾斜相同的角度时,在南北极附近,虽然离心力半径小,但是离心力半径变化量最大;在赤道附近,虽然离心力半径大,但是离心力半径变化量小;在回归线附近,离心力半径及离心力半径变化量均取大概中间值。
在整个地球上,根据潮汐在一日间变化的不同,可分为几个不同的地带,见图22。
自北极至AA₁和自南极至BB₁两个高纬地带内,虽然自转轴倾斜时,离心力半径变化量差值较大,但是离心力半径本身短,即基础值小(见图21) ,潮高只有在达到一定高度时,海水才能在重力的作用下回落,因此发生的是全日潮,见图23。
即在一个太阴日内只有一次涨潮和一次落潮。当月球位于天赤道以北时,北极至AA₁这一地带,朝向月球时为涨潮,背向月球时为落潮;而南极至BB₁地带,背向月球为涨潮,朝向月球时为落潮。
上述两个地带范围的大小,随月球距离天赤道的远近而定。由于月赤纬的最大值为28°36’,故这两个地带范围最大时,AA₁和BB₁的纬线离极地为28°36’,就是在61°24’的纬线上,见图22。
自AA₁到赤道和自赤道到BB₁这个地带内,在一个太阴日内有两次涨潮和两次落潮。但是,涨、落潮历时以及两次高潮的高度是不相等的。只有在赤道上两次高潮相同,故在这一地带内,除赤道上为半日潮外,其余地区均为混合潮,见图24、图25。
为什么赤道附近上为半日潮呢?见图21,虽然赤道离心力半径大,但是离心力半径变化量特别小,在赤道上几乎没有变化,所以赤道上体现半日潮。
混合潮:月球位于天赤道以北且自转轴与旋转轴交角增加时,见图26,A区域和D区域涨潮时间长于落潮时间;B区域和C区域涨潮时间短于落潮时间。
混合潮;月球位于天赤道以北且自转轴与旋转轴交角减小时,见图26,A区域和D区域涨潮时间短于落潮时间;B区域和C区域,涨潮时间长于落潮时间。
混合潮:月球位于天赤道以南且自转轴与旋转轴交角增加时,见图27,A区域和D区域涨潮时间短于落潮时间;B区域和C区域涨潮时间长于落潮时间。
混合潮;月球位于天赤道以南且自转轴与旋转轴交角减小时,见图27,A区域和D区域涨潮时间长于落潮时间;B区域和C区域,涨潮时间短于落潮时间。
怎样判定自转轴与旋转轴之间的交角是增加还在减小呢?由图15可知,阴历初一到十五,日月合力逐渐减小,交角也随之减小;十五到三十,日月合力逐渐增加,交角也随之增加。
同样地,由于太阳赤纬的变化,也能引起潮汐周日不等现象。在太阴和太阳赤纬都大的时候,潮汐周日不等现象更加显著。
如图28,在近地点月球对地球的引力较大,致使离心力的变化量及离心力变化量差值也大些,起潮力也随之而大,所以说在近地点发生的潮汐,潮差要大一些;同样道理,在远地点发生的潮汐,潮差要小一些。前者称为“近地潮”,后者称为“远地潮”。
在近日点,太阳对地球的引力大;在远日点,太阳对地球的引力小,由此,由此,潮汐产生了因日地距离变化而引起的年周期变化。
月球轨道长轴的方向不是固定不变的,而是在不断地变化着。近地点不停地向东移动,其周期是8.85年(3,232天)。这便是潮汐具有8.85年长周期变化的原因。
另外,因为黄白交点移动的周期为18.61年,潮汐还具有18.61年的长周期变化。
一个“平太阳日”24小时,一个“太阴日”24小时48分钟,月球公转自西向东,造成月亮每天都会滞后48分钟,所以在同一地点,高潮或低潮出现的时间后一天比前一天也要推迟48分钟,15天轮一回。
潮汐主要是由于起潮力(涨潮)和海水本身重力(落潮)而产生的,按理应该在某地的月中天时刻出现高潮。但实际上,因海水粘滞性以及海底地形崎岖不平、深浅不一等因素的影响,使得海水在运动时受到很大的摩擦力。由于摩擦力作用的结果,各地的高潮并不在月中天时出现,往往要在该地月中天后一段时间从发生,造成了潮汐的“迟到”现象。
图29中,实际潮汐比月中天迟到两个小时
涨潮和落潮是起潮力与海水本身的重力相互斗争的过程,也是积攒或释放潮波能量的过程。
都知道,快艇劈出的道道波浪,还需要一段时间消失,那么,海水的潮波中存储的能量大得无法现象,潮汐转换,更需要时间了。
塑月开始,起潮力越来越小,海水本身的重力相应增大,海水下降,潮汐一天比一天小,到上弦月这天,起潮力减小到最小值。
按理说,上弦月这天潮汐应该最小。实际情况是,上弦月过后,起潮力开始增大,然而,潮波中暗藏的潮汐能量负值(为了区别涨潮时的能量正值)仍在增加,到了初九、初十,能量负值才增加到零。
初九、初十过后,起潮力越来越大,起潮力克服海水本身的重力,海水上涨,潮汐一天比一天大,到望月这天,起潮力增加到最大值。
按理说,望月这天潮汐应该最大。实际情况是,望月过后,虽然起潮力开始减小,但是,潮波中暗藏的潮汐能量正值仍在增加,到了十七、十八,能量增加到最大值。
同理,二十四、二十五能量负值增加到零,初二、初三能量正值增加到最大。
所以,大潮一般不是发生在阴历初一、十五,而大都是发生在初二、初三和十七、十八;小潮不是发生在初八、廿三,而大都是发生在初九、初十和廿四、廿五。因此:“八月十八,海宁观潮。”
顺着“起潮力”这一观点进一步研究,或许能够对一些自然灾害进行预测,比如海水倒灌及海啸现象。
本文推测,海水倒灌产生的原因在于“日月合力变化量差值”在某一时刻突然大幅增大,致使地球的离心力也骤然猛增。又由于地形等因素的影响,使得地球上的某一区域的潮汐瞬间变大,海水涌上陆地,进而形成了海水倒灌现象。
同时,地球离心力的骤然增加,可能引发或加大某地的海底滑坡,从而导致海啸的发生。
国家应当保存有各地每日海水涨落的记录,天文学家必然掌握着每日月球、地球和太阳的相互位置状况,同时也具备多年来海水倒灌和海啸的相关记录。倘若借助大数据展开分析,确认发生海水倒灌和海啸时离心力的变化量差值(包括日月合力的方向变化情况,方向的变化也相当主要)与平常存在关联,那么便能够认定本文的预想是正确的,进而能够对今后的海水倒灌及海啸等自然灾害进行预测,降低由于自然灾害所带来的损失。
由于对传统“引潮力”学说持有质疑,故而另辟蹊径来阐释潮汐现象,于是有了本文所提出的“起潮力”之说。
潮汐作为一种极为复杂的自然现象,对其进行全面且精准的解释,需要融合多个学科的专业知识。然而,受限于自身水平,本文在诸多方面存在不足。例如,未能对日月合力与自转轴倾斜角度的逻辑关系进行量化,未能对起潮力与自转轴倾斜角度的逻辑关系加以量化,也未能量化在不同纬度上起潮力与海水所受重力的逻辑关系等等。正因如此,文中或许存在诸多缺点与错误,在此,诚邀各位不吝赐教。
若您认可“起潮力”这一观点,望您能够给予指导、补充和完善。若您认为“起潮力”观点是错误的,请指出其错误所在。
本文对于“引潮力”学说的错误判定,以及对“起潮力”观点的认定,均是基于高中文化水平层面来展开的。
全文完(第四版)
二0二五年一月二十五日
来源:雨田小诗