海洋潮汐的解密
地球上的海洋每天都会出现有规律的潮汐现象。在涨潮时,海水源源不断地从大海深处涌来;而在退潮时,大量海水又消失得无影无踪。我们不禁疑惑:海洋为什么会涨潮和退潮?
涨潮的源头与退潮的去处
任何物体的运动状态改变,都是受到力的作用。海洋的涨潮和退潮也不例外,它们是海水受到力的结果。这个力就是——万有引力。
牛顿告诉我们,引力无处不在,凡是具有质量的物体都可以产生引力。引力的强度与质量成正比,与距离的平方成反比。在太阳系中,太阳的质量庞大,占据了整个太阳系质量的99.86%。太阳对地球的引力不可忽视。由于月球与地球的距离更近,月球对地球的引力影响远远超过了太阳。
我们可以简单地认为,地球海洋的潮汐主要是由月球造成的。月球的引力会将地球面向月球的一侧的海水稍稍地“吸”离地球表面,形成涨潮。那么,涨潮的水从哪里来呢?地球的海洋是相通的水域,其他海洋区域的海水会源源不断地流向涨潮的海域。与此失去部分海水的地方形成了退潮。退潮的海水补给了涨潮的海洋区域。
潮汐的规律性
在地球的自转和月球的公转过程中,月球与地球的相对位置会周期性地改变,因此地球上的海洋就会出现有规律的潮汐现象。
双重涨潮之谜
按照上述解释,地球每自转一圈(即一天)应该只出现一次潮汐现象。但实际情况却是,每一天里,这样的现象会出现两次。具体来说,当地球面向月球的一侧的海洋在涨潮时,地球另一侧的海洋也会涨潮。
地球的“离心力”
这似乎令人困惑:既然潮汐是由月球引起的,为什么地球背对月球的一侧也会涨潮?
我们通常认为,月球围绕地球转动,但事实并非如此。月球和地球其实都在围绕一个共同的质心运动。为了说明这个问题,我们可以参考太阳系中的冥王星和它的卫星“卡戎”的运行状态。
冥王星和“卡戎”都是围绕它们的共同质心运动,而由于冥王星的质量太小,以至于它和卫星的共同质心落在其自身的半径之外。地球和月球的运动状态也相似,只是地球的质量更大,所以地球和月球的共同质心位于地球的半径之内。
尽管如此,地球仍然会绕着这个质心运动,导致产生了“离心力”。“离心力”使物体有远离旋转中心的趋势,促使地球上的海水向外逃逸。
双重涨潮的原因
在地球背对月球的一侧,“离心力”主要受地球自身的引力和月球引力的共同作用。由于地球直径很大,地球背对月球的一侧的海水所受的月球引力会明显减弱。“离心力”占据了上风,导致海面抬升,形成涨潮。
在面向月球的一侧,“离心力”与月球引力的方向一致。从公式F=mω^2r(m代表质量,ω代表角速度,r代表与旋转中心的距离)可知,靠近地球和月球共同质心的海水所受的“离心力”较小。面向月球一侧的海水所受的合力(月球引力+“离心力”)相对较弱,涨潮程度也会相应减轻。
总而言之,地球海洋的潮汐现象主要是由月球引力造成的,而地球的“离心力”也参与其中。

月球与地球的重力相互作用导致了潮汐现象。地球和月球的质心位于地球半径的3/4处。由于地球的一面比另一面更靠近这个质心,因此受到月球的重力作用较弱,称为“离心力”。这导致地球面向月球的一侧出现涨潮。

潮汐是一个动态过程,并非凭空产生或消失。而是海水在引力和“离心力”作用下,从靠近月球的一侧周期性移动到远离月球的一侧,再从远离月球的一侧移动到靠近月球的一侧。

注意:

  • 本文中将“地球和月球的共同质心”更正为“地球和月球的质心”。
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