海洋為什麼會漲潮和退潮?漲潮的水哪來的,退潮的水又到哪去了?

魅力科學君 發佈 2020-05-04T20:03:09+00:00

地球上的海洋每天都會出現有規律的潮汐現象,在漲潮的時候,海水會綿延不絕地從大海深處湧來,而在退潮的時候,大量的海水又消失得無影無蹤。

地球上的海洋每天都會出現有規律的潮汐現象,在漲潮的時候,海水會綿延不絕地從大海深處湧來,而在退潮的時候,大量的海水又消失得無影無蹤。我們在感嘆大自然的神奇的同時,也會產生一些疑惑,比如說海洋為什麼會漲潮和退潮?漲潮的水哪來的,退潮的水又到哪去了?


我們都知道,當一個物體的運動狀態發生了改變的時候,一定是受到了力的作用,而海水的漲潮和退潮其本質也是自身的運動狀態發生了改變,因此在這個過程中海水必定也是受到了力的作用,那麼是什麼力呢?答案就是萬有引力。

牛頓告訴我們,引力在整個宇宙中無處不在,凡是具有質量的物體都可以產生引力,引力的大小與質量成正比,與距離的平方成反比。在太陽系中,太陽的質量非常巨大,占據了整個太陽系質量的99.86%,其對地球的引力不可小覷,但因為月球與地球的距離非常近,所以月球引力對地球的影響遠遠超過了太陽。


因此我們可以簡單地認為,地球海洋的潮汐現象主要是由月球引起的,月球的引力會將地球面對著月球的一面的海水稍稍地「吸」離地球表面,於是就在這裡形成了漲潮,漲潮的水哪來的呢?其實地球的海洋是彼此相通的水域,在這種情況下,地球上其他海洋區域裡的海水就會涌過來,與此同時,那些失去了部分海水的區域就形成了退潮,而退潮的水其實是去了漲潮的海洋區域。

在地球的自轉以及月球的公轉運動的過程中,月球與地球的相對位置會出現周期性的改變,所以地球上的海洋就會出現有規律的潮汐現象。

然而按照上述的說法,應該是地球每自轉一圈(也就是一天)海洋就會出現一次潮汐現象,但實際情況卻是,在每一天裡,這樣的現象會出現兩次,具體而言就是,當地球面對著月球的一面的海洋在漲潮時,地球另一面的海洋也會漲潮。


這就有點讓人迷惑了,既然潮汐是月球引起的,那為什麼地球背對著月球的一面也會漲潮?

在我們的印象中,月球和地球之間的運動關係就是地球穩穩地居中,只是月球繞著地球運動,其實這是不正確的。事實上,月球和地球都在圍繞著一個共同的質心運動,為了說明這個問題,我們不妨來看一下太陽系中的一個典型的例子。


上圖為冥王星和它的衛星「卡戎」的運行狀態,可以看到冥王星和「卡戎」都在圍繞著它們的共同質心運動,而由於冥王星的質量太小,以至於它和衛星的共同質心落在其自身的半徑之外。其實地球和月球的運動狀態也與之相同,只不過地球的質量比較大,所以地球和月球的共同質心位於地球的自身半徑之內。

儘管如此,地球還是會圍繞著這個質心運動,在這個過程中就會產生「離心力」(註:「離心力」是為了方便討論非慣性系的相關問題而引用的一種虛擬力,其本質是物體慣性的體現),由於「離心力」可以讓物體遠離旋轉中心,在這種力的作用下,地球上的海水就會有向外逃逸的趨勢。


在地球背對著月球的一面,與「離心力」抗衡的除了地球自身的引力之外,還有月球的引力,但由於地球的直徑高達12756公里,這使得地球背對著月球的一面的海水所受到的月球引力明顯減小,因此在這個位置,月球引力在與「離心力」較量中處於下風,這裡的海面就會在「離心力」的作用下出現一定程度的升高,從而引起漲潮。

現在問題又來了,既然「離心力」可以讓地球上的海水向外逃逸,那麼在地球面對著月球的一面,月球引力和「離心力」的方向就會是一致的,這兩種力疊加起來,這裡的潮汐現象豈不是要變得更加劇烈了?

「離心力」的計算公式為 F = mω^2r,其中m代表物體的質量,ω代表物體身轉動角速度,r代表物體與旋轉中心的距離,由此可知,對於地球上的海水而言,其與地球和月球的共同質心的距離越近,所受到的「離心力」就越小,反之亦然。


地球和月球的共同質心距離地心4700公里,大概位於地球半徑的3/4的位置,我們可以看到,因為地球面對著月球的一面的海水更加接近這個共同質心,所以在這裡其受到的「離心力」也會相應地減小很多,因此不會出現更加劇烈的潮汐現象。

總而言之,漲潮的水並不是憑空而來,而退潮的水也不是神秘消失,這其實是地球上的海水在引力和「離心力」作用下的周期性運動,基本上就是一個「左手換右手,然後再右手換左手」的過程。


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