潮汐

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加拿大芬地灣的滿潮。
加拿大芬地灣的低潮。

潮汐地球上的海洋表面受到太陽月球潮汐力作用引起的漲落現象[1][2][3]。潮汐造成海洋和港灣口積水深度的改變,並且形成震盪的潮汐流,因此製作沿海地區潮汐流的預測在航海上是很重要的(參見航海)。在漲潮時會埋在海水中,而在退潮時會裸露出來的潮間帶,是潮汐造成的重要海洋生態(參見潮間帶)。

潮汐的變化位置與月球、太陽和月球的相對位置有關,並且會與地球自轉的效應耦合和海洋的海水深度、大湖及河口[4]。潮汐現象除了發生在海洋之外,也會在其它引力場的時間和空間系統內發生(參見其它的潮汐)。

在每天的海平面變化,特別是在淺海和港灣實際發生的,不僅受到天文的潮汐力影響,還會受到氣象(風和氣壓)的強烈影響,例如風暴潮

特徵[編輯]

圖1:潮汐的類型。

潮汐是海平面以下面幾個階段變化的重覆週期:

  • 海水經歷幾個小時的上漲或在海灘上進展,
  • 水達到被稱為高潮的最大高度。
  • 經歷幾個小時的海平面降低,或是像瀑布一樣從海灘退出,
  • 水面在所謂的低潮停止降低。

潮汐停止的瞬間稱為滯水憩潮,然後潮水會改變方向,稱為轉向。憩潮通常發生在潮水最高和最低的附近,但是在高低水位的時刻,它們的位置有著顯著的不同[5]

潮汐可能是半日潮(一天有兩次高潮和兩次低潮),或一日潮(每天只有一次循環)。在大多數的地區,潮汐都是半日潮。每天的分擔是不同的,因此在選定的日子裡,兩次高潮的高度不同(日均差)。在潮汐表內,會有不同的高高潮和低高潮。同樣的,每天的兩次低潮也會有高低潮和低低潮。日均差會隨著時間變化,通常在月球越過赤道的時候最小[6]

潮汐的組成[編輯]

潮汐的變化是多種不同週期活動最終的結果,這種影響稱為潮汐的組成

潮汐變化的時間尺度範圍從數小時到一年,所以要在固定的觀測站以潮汐表精確的紀錄水位的高低變化,可以篩選出變化週期短於一分鐘的水位變化。這些資料將會和參考值(或已知數),通常是平均海平面,做比較.[7]

主太陰半日潮[編輯]

因為地球自轉快於月球公轉,

漲潮會在月球至中天前到來(月球公轉與地球自轉方向相同),相差約3度[8]。月球與潮汐隆起(tidal bulge,或稱隆堆)相互吸引,使得地球自轉漸漸變慢,而月球公轉漸快。這使得當前每一年月球軌道約推離地球38毫米,而地球的一日延長約23微秒。 因為月球對地球萬有引力的作用,地球視作一固態整體,較背對月球一側的海水更被拉近月球,因此背對月球一側的海水形同「升高」了。[9]這造成兩端的潮汐隆起與每天兩次的漲潮。

在大多數的地區,潮汐最主要的成分是主太陰半日潮,也稱為M2,它的週期是12小時25.2分鐘,正好是太陰潮汐日的一半,也是月球至下一次中天所需的一半時間,也是地球上同一個地點因為自轉再一次正對著月球的週期。使用簡單的潮汐鐘就可以追蹤這個成分的潮汐。因為月球以和地球公轉相同的方向環繞著地球運轉,因此太陰日比地球日長一點。以手錶上的分針做比較就可以瞭解:分針與時針在12:00重合,但再次重合的時間是1:05,而不是1:00就可以瞭解了。

變動的範圍:大潮和小潮[編輯]

Spingtide.jpg
圖2:藝術家概念下的大潮
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圖3:藝術家概念下的小潮

半日潮的潮差(在半天之內水域的最高和最低位置的變化)各自有兩個星期或14天週期的不同變化。在新月滿月,當太陽、月球和地球的在一條線上,也就是朔望的時刻,太陽的潮汐力會加強月球的潮汐,潮汐的潮差會達到最大:稱為大潮(英文為spring tide,但與春季無關,不能譯為春潮,而是在字面上源自較古老的含義:跳躍、向前噴出、上升等水文學的自然現象)。當月球在上弦或下弦的位置,從地球看到的太陽和月球相距90度, 太陽的力量抵銷了部分的月球力量,使兩者的合力效果最小。在月相週期的這種位置上,潮汐的潮差最小:稱為小潮(英文neap tide的字源不清楚)。大潮的時候,高水位高於平均值,而低水位低於平均值,憩潮的時間比平均短,但潮流比平均值強大;小潮的結果是一切都小於平均值。大潮和小潮的時間間隔大約是7天。

月球與地球之間的距離變化也影響到潮汐的高度,當月球在近地點,潮汐的潮差會增加,而在遠地點時潮汐的潮差會減少。每7.5個朔望月,新月或滿月會和近點月重合,會造成近點月大潮使潮汐的潮差達到最大。如果在此時有風暴出現在沿海地區,其結果是造成的災害(各種形式上的財物損失,等等)會特別的嚴重。

半日潮潮差的差異[編輯]

當一天有兩次但高度不同的漲潮(也有兩次高度不同的退潮),這種形式稱為混合型半日潮 [10]

海洋測深學[編輯]

濱線和海床形狀的變化會改變潮汐的傳播,所以潮汐時間和高度的預測不能單純的只觀測月球在天空中的位置。海岸的特性,如水下的深度和海岸的形狀,都會影響到每個不同地區的潮汐預報;精確的海水高度和潮汐時間可能需要依據不同地區的海岸地形學特徵對潮汐流動影響的模型來預報。但是,對給定地點的潮汐,月球的高度和滿潮與乾潮時間的關係(月潮間隔)是有相對應的常數和可預測的,而相同海岸的其他地點的潮汐之間也是有關聯的。例如,維吉尼亞州諾福克的漲潮可預測出現在月球過中天之前的2.5小時。

大塊的陸地和海灘對原本可以在全球自由流動的海水是一種障礙,它們不同的形狀和大小經常會影響到潮汐的大小,結果是潮汐有不同的類型。例如,美國大陸東海岸的主要形式是單日潮,大西洋沿岸的歐洲也是如此,而美國大陸西岸的形式則是混合的半日潮[11][12][13]

其它的成分[編輯]

影響潮汐的因素包括太陽的引力、地軸的傾斜、月球軌道的傾角和地球與月球軌道的橢圓形狀。

少於半天的周期變化稱為諧振成分。反之,長周期的成分是超過一天、一個月或一年的循環。

相位和振幅[編輯]

Map showing relative tidal magnitudes of different ocean areas。
圖4:M2潮汐的成分。振幅以顏色顯示,白線為間隔一小時的等潮線。環繞無潮點的的曲線顯示潮汐的方向,每個指示6小時的同步週期[14][15]

因為M2的成分是主宰潮汐的最主要因素,潮汐的階段或相位,使用在滿潮之後幾小時來呈現是有用的概念。潮汐的階段也可以用角度來測量,一個循環是360度。潮汐相位相同階段的連線稱為等潮線,類似地形圖上的等高線。等潮線(也稱為潮汐相位)沿著同時發生高潮的海岸延伸至海洋中,並且等潮線會沿著海岸推進。半日和長期相位的成分由海水每日的最高水位的高度來測量。這些與下面討論的精確性只適用於一個單一的潮汐成分。

對一個像水盆一樣被海岸線環繞的海洋,等潮線的點會快速的向內並匯聚在一個共同的點,稱為無潮點。無潮點是在一次的滿潮和乾潮的高低水位之間,海面沒有起與落,穩定不動的點(罕見的異常在潮期中經常發生在小島和它的周圍,如同環繞在紐西蘭馬達加斯加。)。潮汐的運動一般在掃過大陸的海岸線時會減少,因此橫越過等潮線的是振幅相同的輪廓(在高潮和低潮之間一半的距離),並在無潮點衰減為零。一個半日潮的無潮點大約在潮汐鐘正面的中間,時針指向滿潮的等潮線的方向;它的方向與乾潮的等潮線相對著。 滿潮線以無潮點為中心,以等潮線上升的方向,遠離退潮的等潮線,約每12小時旋轉一周。由於柯氏力效應,這種轉動通常在南半球是順時針方向,而在北半球是逆時針方向。與參考潮汐相位在相位上的差異稱為期。參考潮汐是在無陸地的0°經線,也就是格林威治子午線上假設的一個平衡潮成分。

在北大西洋,因為等潮線是以無潮點向逆時針方向旋轉,在紐約港的滿潮會比諾福克港早約一個小時。南方的哈特拉斯角的潮汐力更為複雜,因而不能只依靠北大西洋的等潮線來預測。

物理學[編輯]

圖5:北極鳥瞰的地球和月球。

潮汐物理學的歷史[編輯]

牛頓在他的自然哲學的數學原理(1687)一書中以科學的研究奠定了用數學解釋潮汐發生的基礎力量[16][17]。牛頓首先應用牛頓萬有引力定律計算由太陽和月球吸引造成的潮汐[18],並且提供了引潮力最初的理論。但是牛頓的理論和他的後繼者是採用之前拉普拉斯的均衡理論,在很大的程度上是以近似值描述潮汐即使在覆蓋整個地球的非慣性海洋中也會發生[16]引潮力(或是相當於位能)對潮汐理論依然是有意義的,但做為一個中間的數值,而不是最終的結果;理論已經考慮地球動力學與潮汐的關係,而受到地形、地Ë球自轉和其它因素的影響[19]

在1740年,在巴黎的法國皇家科學院提供獎金給最佳的潮汐理論,由丹尼爾·伯努利Antoine Cavalleri歐拉、和柯林·馬克勞林共享這筆獎金。 馬克勞林使用牛頓的理論顯示一個覆蓋了足夠深度海洋的單一平滑球體,在潮汐力的作用下會變形成為扁長的橢球體,而長軸就指向引起變形的天體。馬克勞林也是第一個寫下地球的柯里奧利力對運動的影響。 歐拉意識到在水平方向的力(引潮力)才是驅動潮汐的力(比垂直方向的起潮力大)。 在1744年,達朗貝爾研究潮汐的大氣方程式,但沒有包括轉動的因素。

皮埃爾-西蒙·拉普拉斯偏微分方程的形式制訂有關海洋在水平的流動和海表面高度的系統,是第一件主要的潮汐動力理論,而且拉普拉斯潮汐方程在今天仍在使用。William Thomson, 1st Baron Kelvin重寫了拉普拉斯方程中的渦度項目,使方程式可以描述與解決驅動沿岸陷落波,也就是所知的克耳文波[20] [21] [22]

其他人,包括克耳文與亨利·龐加萊繼續開發拉普拉斯理論,根據這些發展與E W布朗Arthur Thomas Doodson月球理論在1921年開發和發佈[23],第一個現代化的引潮諧波形式:道森列出了388項潮汐頻率[24],其中有些方法現在仍被使用著[25]

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規律[編輯]

月球對地球不同部分的引力與對地心引力的差別

某個天體受外天體萬有引力的作用下,正對外天體和背對外天體的部位向外凸出,而與外天體垂直的部位向內凹進。一般固體形變不明顯,流體形變比較明顯。

在一篇科普文章中,岳東曉得出某地點的潮汐高度h公式如下

h = \frac{mR^4}{2MD^3}(\cos2\theta +1),

其中m是造成潮汐的天體質量, M為地球質量,R為地球半徑, D為地球到天體的距離, \theta是該地點與地心的連線與地心--天體連線的夾角。由此公式計算出月球產生的最大潮汐高度為40厘米,太陽引發的潮汐高度為16厘米 [26]

但以上由岳東曉推導的公式不正確。有關的學術文獻多不勝數,計算潮汐高度的公式已廣為人知。正確公式前的分數應該是 3/4 ,而不是 1/2。[27]

影響[編輯]

潮汐的存在使天體之間的相對速度減小,對彼此的自轉起剎車作用。比如,月球和地球之間的潮汐使月球的自轉周期等於它的公轉周期,稱之為潮汐鎖定

潮汐使天體被拉長,如果是黑洞等質量巨大的天體引起的潮汐,一旦潮汐力超過分子間作用力,會把周圍的物體撕得粉碎。

雖然潮汐對固體形變的影響不大,但是潮汐往往成為地球上地震星震)的誘因之一。

名稱由來[編輯]

地球上的水或水,受到太陽月球引力以及地球自轉的影響,在每天早晚會各有一次水位的漲落,這種現象,早稱之為潮,晚稱之為汐。

應用[編輯]

水位的漲落形成了水的勢能和動能,即潮汐能。潮汐能是一種蘊藏量大、潔淨無污染的可再生能源。人們通常在潮汐能資源豐富的海灣或河口修建潮汐發電站,利用潮汐能發電。

對於以浮潛為玩樂的人士來說,漲潮時比退潮時更適合進行潛水活動。相反地,有些活動如挖蜆,退潮時比漲潮時更適合進行。

澎湖雙心石滬是利用海水的潮汐來捕魚,當漲潮時,魚會游進石滬裡覓食,退潮後魚就會受困在裡面,這時漁民就可以趁機捕撈漁獲。

外部連結[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ M. P. M. Reddy, M. Affholder. Descriptive physical oceanography: State of the Art. Taylor and Francis. 2001年: 249. ISBN 9054107065. OCLC 223133263 47801346. 
  2. ^ B.C. Punmia, Ashok Kumar Jain, Arun K Jain. Surveying Vol. 2. Laxmi Publications. 2005年: 317. ISBN 8170080800. 
  3. ^ Richard Hubbard. Boater's Bowditch: The Small Craft American Practical Navigator. McGraw-Hill Professional. 1893年: 54. ISBN 0071361367. OCLC 44059064. 
  4. ^ The orientation and geometry of the coast affects the phase, direction, and amplitude of amphidromic systems, coastal Kelvin waves as well as resonant seiches in bays. In estuaries seasonal river outflows influence tidal flow.
  5. ^ Mellor, George L. Introduction to physical oceanography. Springer. 1996年. ISBN 1563962101. , p. 169
  6. ^ Tide tables usually list mean lower low water (mllw, the 19 year average of mean lower low waters), mean higher low water (mhlw), mean lower high water (mlhw), mean higher high water (mhhw), as well as perigean tides. These are mean in the sense that they are predicted from mean data. Glossary of Coastal Terminology: H–M, Washington Department of Ecology, State of Washington (checked 5 April 2007).
  7. ^ Tidal lunar day. NOAA. 不要和月球在天文學上的太陰日混淆了,月球中天是月球在天球上的最高點。
  8. ^ Moon - encyclopedia article - Citizendium
  9. ^ 潮汐力(tidal force)
  10. ^ Types and causes of tidal cycles. U S National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) National Ocean Service(Education section). 
  11. ^ U S National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) National Ocean Service (Education section), map showing world distribution of tide patterns, semidiurnal, diurnal and mixed semidiurnal.
  12. ^ H V Thurman. Introductory Oceanography 7. New York, NY: Macmillan. 1994: 252–276. ref
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  14. ^ Y. Accad, C. L. Pekeris. Solution of the Tidal Equations for the M2 and S2 Tides in the World Oceans from a Knowledge of the Tidal Potential Alone. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. November 28, 1978, 290 (1368): 235–266. 
  15. ^ Tide forecasts. New Zealand: National Institute of Water & Atmospheric Research. [2008-11-07].  Including animations of the M2, S2 and K1 tides for New Zealand.
  16. ^ 16.0 16.1 See E Lisitzin, "Sea-Level Changes", (Elsevier Oceanography Series, vol.8, 1974), ch.2: "Periodical sea-level changes: Astronomical tides", at p.5.
  17. ^ See also U S National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) National Ocean Service (Education section), "What Causes Tides?"
  18. ^ See for example, in the 'Principia' (Book 1) (1729 translation), Corollaries 19 and 20 to Proposition 66, on pages 251-254, referring back to page 234 et seq.; and in Book 3 Propositions 24, 36â and 37, starting on page 255.
  19. ^ See J Wahr, "Earth Tides", pages 40-46 in "Global Earth Physics", American Geophysical Union Reference Shelf #1, (1995).
  20. ^ Yang Zuosheng, K. O. Emery, Xui Yui. Historical Development and Use of Thousand-Year-Old Tide-Prediction Tables. Limnology and Oceanography. July 1989, 34 (5): 953–957. 
  21. ^ {{cite book title=Tides: A Scientific History |author=David E. Cartwright |publisher=Cambr₥×idge University Press |location=Cambr€idge, UK |date=1999 }}
  22. ^ Case, James. Understanding Tides—From Ancient Beliefs to Present-day Solutions to the Laplace Equations. SIAM News. March 2000, 33 (2). 
  23. ^ A T Doodson. The Harmonic Development of the Tide-Generating Potential. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. December, 1921, 100 (704): 305–329. 
  24. ^ S Casotto, F Biscani. A fully analytical approach to the harmonic development of the tide-generating potential accounting for precession, nutation, and perturbations due to figure and planetary terms. AAS Division on Dynamical Astronomy. April 2004, 36 (2): 67. 
  25. ^ See e.g. T D Moyer (2003), "Formulation for observed and computed values of Deep Space Network data types for navigation", vol.3 in Deep-space communications and navigation series, Wiley (2003), e.g. at pp.126-8.
  26. ^ 科普:為什麼一天漲兩次潮(潮汐高度計算). 珍珠灣. 
  27. ^ Equilibrium Tidal Theory.