什么是天体引潮力?

Question

什么是天体引潮力?

Answer 1

引潮力是指月球和太阳对地球上海水的引力,以及地球绕地月公共质心旋转时所产生的惯性离心力,这两种力组成的合力,是引起潮汐的原动力.
引潮力的实质是什么?它是怎样产生的?要回答这一问题,首先需从天体引力谈起.绕转着的天体,都受到两种力的作用,一种是绕转天体间的引力,一种是由于绕转而产生的离心力.两种力同时作用,才使天体能够维持其按一定规律绕转的运动状态.月和地球绕转、地和日绕转也是这样.
引力和离心力,对于整个天体来说,二者是保持平衡的.但是,对于天体上的每一个质点（位于天体中心的质点除外）来说,二者则是不平衡的.绕转天体之间的引力同绕转运动所产生的惯性离心力的不平衡,是产生引潮力的根本原因.
太阳和月球对地球的引力,地球在绕转中产生的离心力,以及由于这两种力在地球表面所表现出的不平衡,其本质是相同的.由月球作用而产生的潮汐,称太阴潮；由太阳作用而产生的潮汐,称太阳潮.太阳潮和太阴潮并无本质上的差异,其原理是一样的,但在量值上,太阴潮大于太阳潮.
为了便于说明问题,仅以月球对地球的作用为例,对引潮力进行分析.并且,假定地球是完全被均匀的海水所覆盖的球体.这就是说,我们在这里对引潮力和潮汐的分析,是以只考虑月球的作用,而不考虑其它任何因素对潮汐的影响为前提条件的.
地球在绕地月公共质心运动时,处于其不同位置的所有质点,惯性离心力都是相同的,其绝对值大小等于月球对地心质点的引力；其方向都互相平行,与月球对地心质点的引力方向相反.
地球是一个具有平均半径约6371千米的球体,构成这一庞大球体的各个质点,因其在地球体上所处的位置不同,而与月球质心具有不同的距离和相对位置.因此,根据万有引力定律可以知道,与月心距离和相对位置不同的地球上各质点,受月球实际引力的方向和大小,都有一定的差异.如图,C为月球质心, O为地球质心. A位于OC连线上,是距月心最近的地球质点,称为月球在地球上的正垂点.B是月心和地心连线延长线与地表的交点,为地球上距月心最远的一点,叫做月球在地球上的反垂点.在地球上,正垂点A所受月球的实际引力最大,它与地月心连线重迭,并指向月心.反垂点B所受月球的实际引力最小,它与地月心连线的延长线重迭,也指向月心.地球表面其他任何地点所受月球的实际引力,其量值都小于正垂点、而大于反垂点；其方向虽然也都指向月心,但却都不同地月心连线重迭,而是各有不同大小的夹角.地球质心O所受月球的实际引力,在数值上是整个地球全部质点所受月球实际引力的平均值,并指向月心.
在地球的质心,绕转所产生的惯性离心力与月球对它的实际引力,保持平衡,即二者在同一直线上,作用于同一点,绝对值相等,方向相反,其合力为零.由于地表一切地点的惯性离心力相等、方向平行,而月球对它们的实际引力,与月球对地心的实际引力又都存在着不同程度的差异,因此,在地表任何地点,离心力与月球实际引力都是不平衡的,它们的合力都不等于零.月球在地表的正垂点A所受实际引力与离心力作用于同一直线,方向相反.在这里,实际引力大于离心力绝对值, 引力起主导作用,引力与离心力的合力是向上指向月心的；反垂点B所受实际引力也与离心力作用于同一直线,方向相反.在这里,则是离心力的绝对值大于月球实际引力,离心力起主导作用,两种力的合力背向月心方向,但在地球上也是向上的.地表其它任何地点所受月球实际引力,都不和离心力作用于同一直线,力的方向相差都不等于180°,而且力的绝对值也不相等.因此,除正、反两个垂点外,地表一切地点所受月球实际引力,都与离心力构成一个方向不同、大小不等的合力.这些合力,就是引起地球上潮汐现象的直接动力——引潮力.
引潮力在地球上的分布是不均匀的.各地点引潮力大小、方向的差异,必然使被海水所覆盖的地球变形.以正垂点为中心的半球,引潮力的水平分力指向正垂点,另一个分力指向月球（或太阳）,海水质点向正垂点方向集中、朝向月球（或太阳）隆起；以反垂点为中心的半球,引潮力的水平分力指向反垂点,另一个分力背向月球（或太阳）,海水质点向反垂点方向集中、背向月球（或太阳）隆起；在这两个半球交界的地方,引潮力指向地心,海水质点向下移动.这样,就使完全被海水覆盖的地球,变成一个分别朝向和背向月球（或太阳）隆起的扁球体.正垂点和反垂点的连线,就是这个扁球体的长轴.这种由于引潮力作用而产生的变形,称为潮汐变形.
在地球上看来,在引潮力作用下,以正、反垂点为中心的海水朝向和背向月球（或太阳）隆起,都是海面的向上升高,在正、反垂点周围,各形成一个水位特高的地区,叫做潮汐隆起；在距正、反垂点最远的地方,指向地心的引潮力使那里的海面下降,形成水位特低的地带.
以正垂点为中心的潮汐隆起,称为顺潮,它始终朝向月球（或太阳）；以反垂点为中心的潮汐隆起,称为对潮,它始终背向月球（或太阳）.因此,随着月球（或太阳）自东向西的周日视运动,两个潮汐隆起不断地自东向西移动,一日之内在地球上移动一周.距正、反垂点最远的海面最低地带,也相应在地球上自东向西移动.这样,在地表某个具体地点所看到的情况,就是随着时间的流逝,海面不断上升,达到最高水位后,又不断下降,降到最低水位后,又开始上升……如此不停地循环往复,这就是海面不断涨落的周期性运动.