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人类没有想到,拯救苏伊士运河的,竟然是它?!
发布时间:2021-04-19 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:10

3月28日晚,十五的月亮十六圆,一位不知名的作者拿出了自己的天文望远镜观测月亮。

笔者拍摄的月亮

而在3月29日,堵塞了6天的苏伊士运河开始恢复通航,那个弱小的挖掘机终于完成了自己的使命。但你可能想不到的是,这两件事情之间竟然有着密不可分的联系——是月亮拯救了被困在苏伊士运河的货轮!

据报道,当地时间28日晚,入夜后水位飙升了许多,在之前工程的基础上,这一次船终于慢慢恢复了浮力。到了29日凌晨,船已经逐步摆正了方向。而这水位飙升的原因,便是当晚月上中天引起的潮汐。

苏伊士港3月29日潮汐曲线图

(图自海事服务网)

为什么是这个时候的潮汐,那就要从潮汐形成的原理说起来了。简而言之,(海洋)潮汐是指海水在天体引潮力作用下产生的周期性运动,这里的天体就主要是太阳和月亮,而月亮的引潮力是太阳的2.17倍,因此在接近满月时对营救工作来说最为有利。注意是引潮力而不是引力!而引潮力是万有引力和地球绕共同质心旋转所产生的惯性离心力的合力。而引潮力的水平分量则可以使海水发生辐合与辐散,从而发生潮汐潮流的流动。

我们可以更加细致的分析这一现象,以地月系为分析对象。地球上不同点距离月球的距离是不同的,因此受到的月球的万有引力是不同的。

地球所受月球引力图

(图自《海流海潮动力学的新见解》)

另一方面,在地月系中,地球还有环绕地月质心的公转运动。当地心围绕地月系质心做圆周运动时,地球上任意一点也做相应的圆周运动,则地球上任意一点与地心的运动半径都相等,那么惯性离心力也相等,这样地球上任意一点在这个运动中所受到的惯性离心力都相等。(这里不考虑自转只考虑公转会更好想象)如下图所示,在面向月球的部分,引力大于惯性力,引力与惯性力的合力都指向月球,海水将在这些力的作用下向A点聚集;而在背向月球部分,惯性力大于引力,这样引潮力将把海水聚集于B点(也是A点的对拓点)。

地球表面的引潮力分析与分布

(上图自《海底地震勘探测量导航定位技术理论与方法》,下图来自《海流海潮动力学的新见解》)

在地月系与太阳的系统中,也存在这样一个公共质点,因此也会有一个相应的离心力存在,从而构成一个复杂的系统。在天体引潮力的作用下,当日地月连成一线的时候(朔与望),将会出现大潮(日月引潮力叠加),而日地与地月连线垂直的时候(上弦与下弦),潮位会比较低。

大潮与小潮

(图自网络)

这便是平衡潮理论,由牛顿于1687年提出,这一理论假定地球完全被海水覆盖,海底平坦,在这些假定下进行的分析。实际上,具体的潮汐远比这一模型复杂,海底地形、海湾形状、潮水波的叠加,月亮的位置(赤纬的变化)等都会影响到潮水的运动,拉普拉斯后来提出了海潮动力学理论,将海潮模型从静力学系统扩展到动力学系统,此后,无数科学家都在试图对海潮进行更为精密的求解,关于海潮运动也有不同的理论提出。

全球M2分潮(太阴主要半日分潮)的振幅(cm)

(图自琳恩·塔利《物理海洋学》)

除了海潮之外,引潮力对于地球的影响是全面的,海洋有潮汐,大气也有潮汐,而地球内部也会因为引潮力而发生一些变化,这便是固体潮。固体潮会引起地球重力的微弱变化以及地球的微小形变,甚至有可能触发地震。

中国知网关于引潮力与地震的主要主题分布

(知网分析工具)

最后,如果潮汐理论太难的话,不如我们来念一下关于潮汐的一个对联:

海水朝朝朝朝朝朝朝落

浮云长长长长长长长消


参考文献

1. 吴树鹏,常存.潮汐力与万有引力[J].黑龙江大学自然科学学报,1993(S1):62-64.

2. 修日晨,顾玉荷著. 海流海潮动力学的新见解[M]. 北京:海洋出版社, 2017.06.

3. 吕炳全编著. 海洋地质学概论[M]. 上海:同济大学出版社, 2008.11.

4. 方守川著. 海底地震勘探测量导航定位技术理论与方法[M]. 武汉:武汉大学出版社, 2018.10.

5. 叶安乐,李凤岐编著. 物理海洋学[M]. 青岛:青岛海洋大学出版社, 1992.12.

6. 琳恩·塔利(Lynne D.Talley)著. 物理海洋学[M]. 广州:中山大学出版社, 2019.03.



(责任编辑:杨玉露

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