试听180秒XXIII：潮汐和引潮力

引言：有没有想过，潮汐到底是怎么一回事？为什么会有天文大潮这种说法？除了海洋，地壳或者大气会受到引潮力的影响吗？

知识点I：什么是潮汐？

       “潮汐”是指海水定时的涨落的现象，而潮和汐分别表示白天的涨潮和夜晚的涨潮。海面上升达最高时，称为满潮或高潮(High water)﹔海面下降至最低时，称为干潮或低潮(Low water)；满潮与干潮的海面高度差称为潮差。干潮至满潮的过程叫涨潮(Flood)﹔此后有一段时间不升也不降，被称为平潮。接着潮位开始降低，由满潮至干潮的过程，称为落潮(Ebb)。到达干潮后不升也不降的阶段叫做停潮。自某一次满潮至下一次满潮，或由某一次干潮至下一次干潮的时间间隔称为潮汐的周期(Period of tide)。潮汐是由月球、太阳等天体引力引起的。

知识点II：引起潮汐最主要天体是太阳还是月亮？

       根据万有引力公示F=G·m1·m2/r^2，太阳对地球的引力是月球对地球引力的174倍。然而，引起潮汐的力并不是引力的全部，而是引力的“一部分”，叫起潮力或引潮力。涨潮现象可以认为是海水相对于地球有一个加速度，等于月球对海水的加速度减去月球对地球的加速度。【2G·Mm·(Re/R^3)】。万有引力是与距离的平方成反比，而引潮力是与距离的立方成反比。因此太阳的引潮力还不到月球的一半，引起涨潮的天体主要是月球。其他行星对地球的引潮力都小到可以忽略不计。

       引起潮水运动的真正力量是引力的水平分量。正对月球的点上没有水平分量，离引力中轴线越远水平分量就越大，换句话说，是两侧的海水往中间挤，把中间的海水给抬了起来，这就是涨潮的过程。月亮每天会比前一天推迟50分钟左右升起，因此潮汐的时间也会相应地每天推迟50分钟左右。

而理论上，一月中朔和望的时候太阳和月亮的起潮力会形成合力，因此潮位最高，上弦和下弦时潮位最低，这叫潮汐半月不等现象。

知识点III：为什么背对月球的一面也是涨潮？

       地球实际上在绕着地月系的公共质心公转。取地球正面对着月亮的点A，背对月球的点B，和地心C，这三个点都在进行完全相同的圆周运动（相同的半径、相同的旋转角速度）；由于与月球的距离不相同，所受到的引力自然就不相同。地心C点，受到月球的引力与圆周运动获得的向心力一定是相等的。而A点实际获得的引力大于绕公共质心作圆周运动所需的向心力，因此这一点上的物体会有向圆心（位于地月之间）运动的“趋势”。B点情况刚好相反，实际获得的引力小于圆周运动所需向心力，因此有脱离圆周运动飞走的“趋势”。综上所述，正对月球的离开是朝着月球去的，背对月球的离开则是往反方向朝外的。

知识点IV：为什么钱塘潮通常在农历八月十八时最大？

       事实上地球上多数地区大潮都会发生在朔望日后两天左右，目前还没有一套完美的理论可以完全解释。其实钱塘江大潮在每个月朔望日后一到两日都会出现，但通常农历八月望（中秋）的这次大潮会更大些。主要因为中秋发生在9月8日至10月8日之间，地球恰好运动到秋分附近，太阳会直射在赤道上，此时两个天体的引力的方向会最大限度重合，所以相应的引潮力相对也比较大。再加之东部沿海地区夏季多雨水，还往往遭遇台风，带来充沛的降水，内河水位本身就高，因此潮涌可能更为明显。

知识点V：引潮力与地震有没有关系？

       引潮力对陆地和空气也是有作用的，分别叫“固体潮”和“大气潮”。大气质量比较小，所以可能不是很明显。而月球、太阳等天体引潮力会引起地面周期变化幅度最多为3mGal左右，虽然只是地球重力的1/10000，但却不容忽视，因为这种空间上的变化主要反映在地壳和地幔区域结构的变化。天文学家研究发现全球主要地震带区的地震活动中存在18.6年周期。与黄白交点（月球周月视运动轨迹与太阳周年视运动轨迹的焦点）退行的周期一致，意味着地震的发生与日月引潮力有着明显的潜在趋势，可能起着孕育地震的作用，但引潮力并不是地震的主因。

知识点VI：引潮力达到一定程度会如何？

       如果卫星太过靠近行星，行星的引潮力会对它产生不可逆的巨大影响，卫星的地壳运动会大到撕裂的程度，直至土崩瓦解。这种极限距离叫“洛希极限”。当卫星质量与行星相比可以忽略的时候，洛希极限的经验公式为2.45539×行星半径×(行星密度/卫星密度)^(1/3)。通过万有引力公式转换，可以推导出洛希极限与行星质量及卫星密度相关的一个函数。洛希极限的应用范围极为广泛，行星与卫星、恒星与行星、恒星与恒星、黑洞与恒星等，都是适用的。

【家庭作业】地球距离太阳多远会被太阳的引潮力撕碎？