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潮汐成因探析

投稿时间:2017-04-14 11:38 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

从牛顿至今,所有关于潮汐运动的研究者几乎都犯了一个共同的错误。因为潮汐周期都与感觉到的日月运动周期同步,从而都瞄准了月亮和太阳对地球上海水的引力,而忽视了它们对地球本体的引力。地球是由最外层的固体岩石圈界定的地球本体,和岩石圈之外的水圈共同组成的星球。地球本体的密度远大于液态水圈的密度。若只考虑日、月与地球间的万有引力的作用,密度大的地球本体首先应被拉向日、月的方向,而密度小的液态的水圈则被推向背离日、月的方向。我在《地球洋陆分布的成因分析》一文[1]中对此已经有过简单的解释。把一块鹅卵石放入装有水的杯中,在地心引力下,它很快向着地心方向下沉到杯子的底部,它下面的水被推到远离地心的上方。这就是万有引力的作用,所以我认为潮汐现象根本不是日、月引力的直接结果,而是绕二体质心转动产生的离心力作的怪。为了简化,我们先分别考虑地月、地日各双星体系引起的月潮和日潮现象。

一、   地球海平面受地球自转离心力的影响

通常离心力是相对于向心力提出的。它的本质是质点作曲线运动时,其惯性力在曲率半径矢量方向上的分量,因此它也属于惯性力。地面上的质点受到的地心引力为向心力,向心力都是指向地心的。地球沿地轴自转时,地面各质点的自转半径都垂直于地轴,而不是地心,因此,它随纬度升高而减小。在赤道处质点的自转半径最大,等于地球半径,在两极自转半径趋于零。如果地球是一个正圆球,地面上任一质点的自转半径,等于地球半径与该质点所在地理纬度的余弦之积。离心力是地球自转产生的,与质点的自转半径成正比。离心力所在的直线与地轴垂直,而不一定过地心。从这一点上看,离心力叫作“离轴力”更合适。

地球表面上的海水,在同一高度所受的地心引力相同,但离心力不同,也是在赤道最大,越向两极越小。海水就有了一种从两极向低纬度的赤道区集中的趋势,这样,全球的海平面就不是一个正球形,而是两极的轴向压缩,赤道发胖的偏球形。

二、日潮只有背日潮

我们考虑日地双星体系,地球质量为5.97×1027g,太阳质量为1.99×1033g,日地平均距离为1.50×1011m。由杠杆原理,可求出日地质心所在的位置,离太阳的阳心仅450km,而太阳半径为696265km,所以,此质心处于太阳内部,几乎与阳心重合。地球和太阳都绕此质心运动。由此质心的吸引,地球本体被拉向质心所在的太阳方向,公转对地球产生的离心力使地球上的海水涌向背离太阳的方向。所以在午夜前后地球上出现太阳潮,也就是背日潮。这种太阳潮只会出现在背日面,在白天的正午前后不会出现。

三、月潮有背月大潮和面月次潮

我们再考虑地月系统,地月间的长期平均距离约为385,000 公里,相当于地球半径的60倍,或是地球直径的30倍。两者共同的质心大约离地心4,670公里,也在地球内部,在地面以下1700公里的深处。月球公转轨道和地球赤道可近似为同一平面,过地月质心且垂直于月球公转平面的轴为地月共同绕转的轴线,我们暂且称它为质轴,它与地轴大致平行,从地球内部穿过。地月绕此质轴大致每月一个周期的转动,我们称其为地月公转。这种公转在地球背月面中心产生的离心力最大,此离心力在该处与地球的向心引力(或地月质心引力)共同作用的结果,就会使那里的海水产生背月潮。

地球面对月亮的一侧,也绕位于地球内部的质轴旋转。由于面月侧到质轴的公转半径要比背月侧小,所以公转产生的离心力也要小一些。不过,面月侧在地月连线方向上的地月间引力,削弱了地心引力作用。地心引力和公转离心力都减小的共同结果,仍能使地球的面月侧中心的海水产生面月潮。因此,不像日潮,月潮有背月大潮和面月次潮一天两次潮。

四、日月潮汐对比

由上述分析可知,海洋潮汐是地球绕地月(或日地)双体的共同质心旋转时产生的离心力与地心引力共同作用的结果,根本不是受月亮或太阳直接吸引的原因。

根据万有引力定律,地球受太阳的引力为

F = GM0M/R2 = (6.67×10-11Nm2/kg2×5.97×1024kg×1.99×1030kg)/(1.50×1011m)2

= 3.52×1022N;

地球与月球间的引力为

f = GM0m/r2 = (6.67×10-11Nm2/kg2×5.97×1024kg×7.35×1022kg)/(3.85×107m)2

= 1.97×1022N;

从计算结果可知,太阳对地球的引力大致是月亮的两倍。如果潮汐是万有引力对海水的直接作用,那么太阳潮将远大于月亮潮。面对背日潮及背月潮明显强于面月潮的现象,是众多相关人士一起难以解释的迷。依据本文的观点,无论背月潮还是面月潮,都是以位于地球内部的地月质心轴产生的离心力与地球向心力共同作用的结果,其轴枢核心在地球内部;而日潮的作用轴枢核心在太阳内部,所以月潮明显大于日潮。

另外我们可以推测,太阳与八大行星的轴枢核心也都在太阳内部,无论是背行星潮还是面行星潮也都会在太阳表面发生。这些行星潮肯定会对太阳表面液态或气态物质的起伏产生重要影响,例如太阳周期性的黑子或耀斑活动等。

还可以推测,在月亮的月质史上,当年表面的液态水也好,液态岩浆也好,还是岩石圈下的软流层也好,很可能也曾发生过像地球今天的潮汐现象。不过在月球上发生的只能是背地潮。这种单面潮汐必定对月亮当年的自转产生巨大的拖曳阻力,使月亮的自转更快地变慢而成为今天的模式。还有,这种单面潮汐作用,必定使月亮在当年的背地侧比面地侧的火山活动更加剧烈,山峰也会更大更陡峻。

上述对地球海洋的潮汐发生机制的解释同样适用于地球的固体潮汐运动,只不过影响的不再是地表的海洋之水,而上岩石圈之下的软流层中的轻流质。

四、影响每日潮峰数及大小的因素

在上面对简化的地月和地日双星体系的潮汐解析之后,我们就可以把它们合并到三星体系中一起考虑。在地球各地看到的海水的潮汐现象,就是两个月潮和一次日潮在每天三波交叉重叠的结果。因为每天月潮和日潮的运动速度不同,又加上潮汐固有的极弱赤强、面弱背强,海岸海湾及河口河道地形的影响,还要考虑当天的黄道、白道倾角的影响,再加洋流海风的作用,海水与海水、海水与海底间的粘滞拖曳延迟,使得不同纬度,不同地点的潮汐形态及最大潮高、时间,都会出现各种复杂的情况。本文避开纬度的影响,选近赤道区的黄岩岛和永暑岛的每日潮汐官方发布图,从中得出本文的结论:日月潮每天一共不超过三个峰。这也与每天夜间潮往往比白日潮要大的现象一致。

参考文献:

王孝恩 地球洋陆分布的成因分析.中科院科学智慧火花