关于潮汐知识的学习笔记
作者：亚马逊的蝴蝶（Butterfly_of_Amazon）
这是我学习潮汐知识过程中整理的文章，文章写完，我以前对潮汐的很多问题也都梳理清楚了。这次学习主要参考了百度词条。实话说，百度的“潮汐”词条写得不错，很详细，可信度也很高，但存在条理不足、描述拖沓的问题。希望我的这篇文章能弥补百度词条的不足。
一、什么是潮汐
严格意义的潮汐，是指由于日、月引力的作用，地球的岩石圈、水圈和大气圈产生的周期性运动和变化。完整的潮汐研究对象包括地潮、海潮和气潮。
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地潮：又称固体潮，指固体地球在日、月引力作用下发生的弹性—塑性形变，称固体潮汐。
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海潮：海水在日、月引力作用下发生的海面周期性升降、涨落与进退，称海洋潮汐。
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气潮：大气各要素（如气压场、大气风场、地球磁场等）受引力的作用而产生的周期性变化，称大气潮汐。
由于海潮现象十分明显，且与人们的日常生活、经济活动、交通运输等关系密切，所以习惯上将潮汐狭义理解为海洋潮汐。海洋潮汐一般每日发生两次，发生在早晨的称为“潮”，发生在晚上的称为“汐”，部分地区只发生一次。当外海潮波沿江河上溯，又会引起江河下游发生潮汐。
根据周期潮汐又可分为三种类型：
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半日潮型：一日内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等（6小时12.5分）。我国渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型，如大沽、青岛、厦门等。
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全日潮型：一日内只有一次高潮和一次低潮。如南海汕头、渤海秦皇岛等。南海的北部湾是世界上典型的全日潮海区。
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混合潮型：一个月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时长也不同；而另一些日子则出现一次高潮和一次低潮。我国南海多数地点属混合潮型。如榆林港，十五天出现全日潮，其余日子为不规则的半日潮，潮差较大。
不论那种潮汐类型，在农历每月初一、十五以后两三天内，各要发生一次潮差最大的大潮。在农历每月初八、二十三以后两三天内，各有一次潮差最小的小潮。
由太阳引起的潮汐称太阳潮，由月球引起的称月球潮汐，也称太阴潮。
二、潮汐产生的原因
古人早已发现潮汐与月相变化之间存在密切的关系。事实上，涨潮现象同时发生在地球上正对月球、太阳和背离月球、太阳的海面区域，使得球形的海平面变成纺锤体形。但只考虑月球和太阳的引力无法解释纺锤体的形成，应把月球围绕地球的公转和地球围绕太阳的公转所导致的离心作用考虑进来，才能很好地解释潮汐的形成。
为便于分析，这里忽略太阳，只考虑月球。所谓月球绕地球做圆周运动，实际上是月球和地球围绕两者的共同质心做圆周运动，只是地球的圆周运动半径（L1）比月亮（L2）小得多。见下图：
实际L1仅4736公里，小于地球半径，地月绕转轴线位于地表之下1600余公里的地方。
在不考虑地球自转的情况下，海面上任一点受到的力主要有地心引力ma1、月球引力ma2和该点下部水体对它的托力。这三个力的合力产生该点做地月绕转的向心加速度-a3。
如果以该点自身为非惯性参照物，该点的重力mg是该点所受地心引力、月球引力与离心惯性力的合力。即：
重力加速度g = a1 + a2 + a3 （注意：矢量相加，不是标量相加）
由于该点海面需要与该点的g垂直，而在a2+a3≠0时，g与地心引力偏离了一个角度，由此可以看出，假如地球表面全部覆盖海水，将不会呈现完美的圆球形。下表为相关数据。
从表中可以看出，在向月点圆周运动的轨道半径很小，该点所受月球的万有引力大于惯性力，两个力的合力与地心引力方向相反，使该点的重力加速度变小。如果这里是海水，就会有涨潮发生。背月点月球引力小于惯性力，两者合力依然与地心引力方向相反，也使该点的重力加速度变小。所以背月点海水也会同时有涨潮发生。因此本应是球形的海平面微微呈现出纺锤体形状。
按照上图，理论上可以计算出海平面各点g的方向，从而绘制出海平面形状，计算出潮汐高度。不过这只是理论上的分析，实际情况远比这复杂，需要考虑的因素还有很多，比如：地球自转造成的离心力、太阳或其它天体的引力、地球自转轴的倾角、月球公转轨道与地球公转轨道间的夹角、洋流、陆地分布、海洋深度，等等。
研究太阳对潮汐的作用，方法同上。可近似认为地球绕太阳的中心做圆周运动，计算将更为简单，这里不详细论述。见下图：
朔点时刻太阳和月球在地球的一侧，有最大的引力，所以会引起大潮，在农历每月的十五或十六附近，太阳和月亮在地球的两侧，太阳和月球的引力你推我拉也会引起大潮；在月相为上弦和下弦时，即农历的初八和二十三时，太阳抵消了月球的一部分潮汐效应，所以就发生了小潮。
由于月球每天在地球上东移13度多（360/27.32），地球自转这个距离需50分钟左右，所以每天月亮上（下）中天时刻比前一天推迟约50分钟（即：1太阴日 ≈ 24时50分），故每天涨潮时刻也推迟50分钟左右。
地潮、海潮和气潮的发生都是由上述原因引起的，三者之间又互有影响。因为月球距离地球比太阳近，月球与太阳的引潮力比约为11:5。大洋底部地壳的弹性和塑性也会导致海潮形变，即地潮对海潮有一定影响影响；而海潮引起的海水迁移，改变地壳承受的负载，又会使地壳发生变曲；气潮作用于海面上引起附加的振动，使海潮的变化更趋复杂。
三、潮汐的应用
（一）能源开发
1. 潮汐能
潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。由于地球的自转，这种水位变化以周期12小时25分的深海波浪形式由东向西传播（太阳潮周期为12小时）。
根据平衡潮理论，如果地球完全由等深海水覆盖，月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太阳引潮力的作用为0.246m。和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，但一般平均潮差达到3m以上就有实际应用价值。世界大的潮差能达13～15m。
2. 开发潜力
尽管潮汐很复杂，但对任何地方的潮汐都可以进行准确预报。海洋潮汐从地球的旋转中获得能量，并通过浅海区和海岸区的摩擦以1.7TW的速率消散。吸收能量过程会使地球旋转减慢，但减慢非常微小，也不会由于潮汐能的开发利用而加快。只有在地理条件适宜的地方，才有可能从潮汐中提取能量。据估算，有开发潜力的潮汐能量每年约200TW·h。
3. 潮能储量
全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3×109kw。我国海岸线曲折，全长约1.8×104km，沿海还有6000多个大小岛屿，组成1.4×104km的海岸线，漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。我国潮汐能的理论蕴藏量达1.1×108kw，其中浙江、福建两省蕴藏量最大，约占全国的80.9%，但这都是理论估算值，实际可利用的远远比这少。
4. 发电站
1912年，世界上最早的潮汐发电站在德国的布斯姆建成。1966年，世界上最大容量的潮汐发电站在法国的朗斯建成。我国在1958年以来陆续在广东省的顺德和东湾、山东省的乳山、上海市的崇明等地，建立了潮汐能发电站。加拿大安纳波利斯潮汐电站、法国朗斯潮汐电站、基斯拉雅潮汐电站是世界三大著名潮汐电站。
（二）军事应用
1661年4月21日，郑成功率领两万五千将士从金门岛出发，到达澎湖列岛，进入台湾攻打赤嵌城。郑成功的大军舍弃港阔水深、进出方便但有重兵把守的大港水道，选择了鹿耳门水道。鹿耳门水道水浅礁多，航道不仅狭窄而且有荷军凿沉的破船堵塞，所以荷军此处设防薄弱。郑成功乘着涨潮航道变宽且深时，攻其不备，顺流迅速通过鹿耳门，在禾寮港登陆，直奔赤嵌城，一举成功。
1939年，德国布置水雷，拦袭夜间进出英吉利海峡的英国舰船。德军根据精确计算潮流变化的大小及方向，确定锚雷的深度、方位，用漂雷战术取得较大战果。
1950年朝鲜战争初期，朝鲜人民军长驱直入打到釜山一带。美国纠集联合国多国部队杀到朝鲜，但在选定登陆地点时犯了难——适合登陆的港口都有朝鲜人民军重兵把守，强行登陆代价巨大。最终美军司令麦克阿瑟指挥美军于仁川成功登陆。原来，仁川港位于朝鲜的西海岸，平时易守难攻，朝鲜人民军认为美军不可能从仁川登陆，加之战线拉得太长，所以对仁川港疏于防守，兵力薄弱。可是仁川每年有3次最高的大潮，潮差可达9.2米，为亚洲之最。美军利用9月15日的大潮，穿过了平时原本狭窄、淤泥堆积的飞鱼峡水道和礁滩，出人意料地在仁川港登陆。朝鲜人民军因此被拦腰截断，前线后勤完全失去保障，腹背受敌，损失惨重，几乎陷入绝境。麦克阿瑟指挥的美军和联合国军，仅用1个月，几乎席卷朝鲜半岛，兵临鸭绿江边，取得空前胜利。
四、潮汐对天体的影响
（一）潮汐与地球自转变慢
由于各层海水做相对运动时的粘滞力以及海水与陆地和海床的摩擦作用，潮汐对地球自转有制动作用，使地球自转逐渐变慢。研究表明，地球自转周期每个世纪变长1-2毫秒。按这个减慢效应推算，距今3.7亿年前的泥盆纪一年约有400天，这与泥盆纪珊瑚化石的生长环数目相符（珊瑚环一天长一环）。
（二）月球总是以同一面对着地球
人们发现月球总是以同一面对着我们，它的另一面在地球上是看不到的。这是因为月球自转周期恰好和月球绕地球转动的周期相等，而这两个周期相同则是潮汐长期作用的结果。地球对月球的引潮力为月球对地球引潮力的22.17倍，加上月球的转动惯量比地球小得多，因此潮汐造成的自转速度减慢对于月球尤为显著。早期的月球有较大的自转速度，在潮汐的作用下，月球自转逐渐减慢，最后和月球绕地球转动的周期相等，此时，月球潮汐消失，月球的自转周期不再发生变化，所以今天的月球总是以相同的一面对着地球。
（三）潮汐与月地距离的增大
潮汐使得地球自转变慢，导致地球自转角动量减少。由于地月系统的总角动量保持不变，且月球绕地球旋转的方向与地球自转方向相同，故地球自转角动量减少，势必使得月球对地月系统质心的角动量增大，以保持地月系统的总角动量守恒。这一效应使得月球与地球的距离缓慢增加。据观测，月球正以每年3.81厘米的速度远离地球。
月球缓慢地远离地球，也可以用地球潮汐凸起部分形成的月球加速来解释。潮汐的凸起部分被地球的自转带向东面，因为凸起部分离月球更近，凸起部分对月球的引力更大，使得地球引力中心偏向地球和月球质量中心连线的东面，于是对月球在它的轨道运动方向产生了一个很小的加速度，使月球的速度加快，缓慢地向外盘旋。
