4.6: 海潮和月亮

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述是什么原因导致了地球上的潮汐
解释为什么潮汐的振幅在一个月内会发生变化

生活在海边的人都熟悉每天两次潮汐的上升和下降。在历史早期，很明显，潮汐必须与月球有关，因为涨潮的每日延迟与月球升起的每日延迟相同。然而，对潮汐的令人满意的解释等待着牛顿提供的引力理论。

月球在地球上的吸引力

图中说明了月球在地球上多个点施加的引力\(\PageIndex{1}\)。这些力量彼此之间略有不同，因为地球不是一个点，而是具有一定的大小：所有部分与月球的距离并不相同，它们与月球的方向也不完全相同。此外，地球并不是完全僵硬的。因此，月球在地球不同部分的吸引力（称为差力）之间的差异会导致地球稍微扭曲。离月球最近的地球一侧比地球中心对月球的吸引力更强，而地球中心反过来又比月球对面更具吸引力。因此，差分力往往会将地球稍微拉伸成椭球体（足球形状），其长直径指向月球。

alt — 人物\(\PageIndex{1}\)拉月球。月球的不同吸引力显示在地球的不同部分。（请注意，出于教育目的，差异已被夸大。）

如果地球是由水组成的，它就会扭曲，直到月球在其表面不同部分上的差异力与地球自身的引力相平衡。计算表明，在这种情况下，地球将从球体中扭曲的幅度最大可达近1米。对地球实际变形的测量表明，固体地球确实会扭曲，但由于地球内部的刚性更大，其扭曲程度仅为水的三分之一左右。

由于固体地球的潮汐变形在最大时仅为大约 20 厘米，因此地球的扭曲不足以平衡月球的微分力和自身重力。因此，地球表面的物体会遇到微小的水平拖拉，往往会使它们滑动。这些涨潮的力量微不足道，无法影响天文学学生或地壳中的岩石等固体物体，但它们确实会影响海洋中的水域。

潮汐的形成

涨潮力量在数小时内起作用，产生水运动，从而在海洋中产生可测量的潮汐凸起。地球一侧面向月球的水流向月球，最大的深度大致在月球下方。在月球对面的地球一侧，水也会流动，产生潮汐凸起（图\(\PageIndex{2}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{2}\)：重力的差异会导致潮汐力将水推向地球上潮汐凸起的方向。

您可以运行此动画来直观地演示潮汐膨胀。

请注意，海洋中的潮汐凸起不是由月球压缩或膨胀水造成的，也不是月球将水 “抬离地球” 造成的。相反，它们是由于水在地球表面向月球下方和对面的两个区域实际流动，导致水在这些地方堆积到更深的深度（图\(\PageIndex{3}\)）。

alt — 计算\(\PageIndex{3}\)涨潮和低潮。这是加拿大芬迪湾在涨潮和退潮时的并排比较。（来源 a，b：Dylan Kereluk 对作品的修改）

在刚才描述的理想化（而且正如我们将看到的，过于简单的）模型中，潮汐的高度将只有几英尺。地球的自转将把任何给定地点的观察者交替带到水深和较浅的区域。被带到月球下方或对面水最深的区域的观察者会说：“潮水来了”；当被带离这些区域时，观察者会说：“潮水消失了。” 在一天中，观察者将被带过两个潮汐凸起（地球两侧一个），因此会经历两次涨潮和两次低潮。

太阳也会在地球上产生潮汐，尽管在涨潮时它的效果还不到月球的一半。我们所经历的实际潮汐是月球的较大影响和太阳的较小效应的结合。当太阳和月亮排成一列时（在新月或满月时），产生的潮汐会相互增强，因此大于正常水平（图\(\PageIndex{4}\)）。它们被称为春潮（这个名字与季节无关，而是与更高的潮汐 “涌起” 的想法有关）。无论太阳和月亮在地球的同一侧还是对面，春季的潮汐都大致相同，因为潮汐凸起发生在两边。当月球处于第一季度或最后一个季度（与太阳的方向成直角）时，太阳产生的潮汐部分抵消了月球的潮汐，使其低于平时。这些被称为 neap tides。

alt — 人物\(\PageIndex{4}\)潮汐是由太阳和月亮的不同对齐方式引起的。 (a) 在春季潮汐中，太阳和月亮的拉力相辅相成。 (b) 在潮汐中，太阳和月亮彼此成直角拉动，由此产生的潮汐比平时低。

如果地球旋转非常缓慢并且完全被非常深的海洋包围，那么前面几段中描述的 “简单” 潮汐理论就足够了。但是，阻碍水流的陆地的存在、海洋中以及海洋与海底之间的摩擦、地球的自转、风、海洋的可变深度以及其他因素都使情况复杂化。这就是为什么在现实世界中，有些地方的潮汐很小，而在其他地方，巨潮变成了旅游胜地。如果你去过这样的地方，你可能知道需要计算和发布每个地点的 “潮汐表”；一组潮汐预测并不适用于整个地球。在本介绍性章节中，我们不会进一步探讨这些复杂性。

乔治·达尔文与地球减速

水在地球表面的摩擦消耗了大量的能量。在很长一段时间内，潮汐的摩擦力正在减缓地球的自转。我们的一天每个世纪都会延长大约0.002秒。这看起来很小，但是如此微小的变化加起来可能会持续数百万和数十亿年。

尽管地球的自旋速度正在减慢，但诸如地月系统之类的系统中的角动量（参见 Orbits and Gravity）无法改变。因此，其他一些自旋运动必须加速才能获得额外的角动量。一个多世纪前，博物学家查尔斯·达尔文的儿子乔治·达尔文研究了所发生事件的细节。乔治·达尔文（见图）对科学有浓厚的兴趣，但学习法律六年并获得律师资格。但是，他从未执业过法律，而是重返科学领域，最终成为剑桥大学的教授。他是十九世纪最伟大的物理学家之一开尔文勋爵的门生，他对太阳系的长期演变产生了兴趣。他专门对轨道和运动在地质时间内的变化进行详细（且困难的）数学计算。

乔治·达尔文的照片。 — 图\(\PageIndex{5}\)乔治·达尔文（1845-1912）。乔治·达尔文最出名的是研究地球自旋与角动量的关系。

达尔文为地月系统计算得出的结果是，月球将缓慢地向外旋转，远离地球。当它移动得更远时，它的轨道运行速度会降低（就像距离太阳较远的行星在轨道上移动得更慢一样）。因此，这个月会更长。此外，由于月球会更远，因此从地球上看不到太阳的全食。

尽管请记住，影响是非常缓慢的，但日子和月份都会继续变长。阿波罗11号宇航员在月球上放置的镜子证实了达尔文的计算。这些数据表明，月球每年移动3.8厘米，最终（未来数十亿年）日和月的长度将相同（大约是我们现在的47天）。此时，月球将在地球上的同一地点静止在天空中，这意味着地球的某些部分将看到月球及其相位，而其他部分则永远看不到它们。对于冥王星的卫星 Charon（除其他外）来说，这种对齐方式已经是正确的。它的旋转和轨道周期与冥王星上的一天长度相同。

摘要

每天两次的海潮主要是月球对地壳和海洋物质的力差的结果。这些潮汐力量使海水流入地球两侧的两个潮汐凸起；地球每天都在这些凸起中旋转。太阳的额外影响以及海岸和海洋盆地的形状使实际的海潮变得更加复杂。

词汇表

潮汐: 由于月球对地球不同部分的引力强度不同，导致海平面交替上升和下降