|
潮汐是由于日、月和近地行星对地球的引力变化所导致的地球内部和表面的周期性运动，对固体称固体潮；对海水叫海潮（海洋潮汐）。 海洋潮汐习惯上将铅直向涨落称潮汐，水平方向的流动称潮流，可以由仪器精密测量。 固体地球潮汐是联系天文学、大地测量学和地球物理学的重要交叉学科。伴随着地球的周期性变形，地球表面的重力、倾斜、应变和经纬度等大地测量观测量将出现相应的周期性微小潮汐变化（分别称为重力固体潮、倾斜固体潮、应变固体潮和天文经纬度固体潮等），可以被重力仪、倾斜仪、应变仪、天文和现代高精度大地测量仪器观测到。地球的潮汐形变与其介质的物理特证密切相关，因此，其观测与研究是了解地球内部结构的重要依据。  一、海洋潮汐 潮汐现象早为古代沿海居民所熟悉。在我国沿海的一些口岸上，所发生的潮汐一般都比较高，容易引起居民的注意。例如，在长江入海附近的吴淞口，大潮可以达3米以上，其他的口岸，一般也在1～2米或更高。杭州附近的钱塘江口岸则是世界上有名的观潮胜地，在那里，最高潮面有时可达8米左右。 早在公元前二世纪，我们的祖先就有关于潮汐的记载。随着历史的发展，对于潮汐的观察越加细致，并对潮汐给予解释。17世纪下半叶，牛顿给出了潮汐现象的科学解释。牛顿的万有引力定律解释了潮汐的成因。按照万有引力定律，任何两个物体之间都存在着互相吸引的力，力的大小与两个物体质量乘积成正比，与两个物体之间距离的平方成反比。因为按照这一定律，地球上各质点都受到月球的引力作用。但是地球和月球并不吸引到一起，是因为他们之间相对地做圆周运动，这种运动的离心力与总的引力平衡，才使得它们不会越来越近。换言之，在地心处，月球引力和离心力是大小相等方向相反的。而在地球朝向月球的地方，由于距离近，引力就比较大，扣除离心力后，有一个剩余的力，它朝向月球方向。类似地，在地球上背着月球的一边，引力则比离心力小，剩余的力便背着月球的方向，于是地球上的水体会被拉成一个椭球，其长轴在地—月连线上。由于地球的自转，在海边或海中的任一点就感受到一天两次高低潮。这种剩余的、引起潮汐的力叫引潮力。同样，太阳对地球也产生引潮力。根据太阳和月球的质量及它们与地球的距离可以算出各自引潮力的大小。结果表明，太阳引潮力平均只有月球引潮力的0.46倍，因而潮汐运动主要由月球位置所决定，而太阳和月球的相对位置则决定了潮汐的大小变化。 牛顿的潮汐理论实质上是一个静力理论。他假定整个地球被海水所覆盖，而海面在重力和引潮力作用下处于平衡状态（即海面垂直于重力和引潮力的合力），这样整个地球海面的形状应成为橄榄球状的旋转椭球体。但是实际上海面不可能随时处于平衡状态，首先地球表面并不全部是海水，其次海水的运动受到流体力学的有关法则的支配，例如海水的运动与海域的大小、海域的形状、海底的深浅以及海底的地质条件，即与海水之间摩擦程度有关。也与地球的自转效应、地球潮汐和海洋潮汐的相互作用等等有关。这就进入了潮汐动力学的研究范围。 国家海洋局在我国的沿海地区设立了许多海洋观测站，对海洋潮汐进行观测。较早的观测站是1929年在福建省温州玉环县的坎门海洋站又称坎门验潮所，是我国沿海历史最悠久的验潮所之一，现为坎门海洋环境监测站。在福建省的闽江口以南海域，有平潭、崇武、厦门和东山海洋观测站的13个观测点。在南海有闸坡验潮站。山东省有威海海洋环境监测站。1988年8月2日，根据联合国教科文组织政府间海洋学委员会（IOC）建立全球海平面监测网计划，我国在南沙永暑礁建成海洋观测站，即全球海平面联测第74号站。 海洋潮汐具有巨大的可利用的能量，1968年法国建成的朗斯电站是世界上最大的潮汐电站。1984年加拿大在安纳波利斯建成了世界第二大潮汐电站。 1980年5月，我国在浙江建成江厦潮汐电站，是我国目前最大的潮汐发电工程，年发电量居世界第三。  二、固体潮 在海洋之上，引起潮汐的主要动力是月球和太阳的引潮力。这种引潮力对于固体的大陆是否也能产生同样的作用，则牵涉到地球的表面以及其内部是否具有一定的弹性。固体地球总体是由固体地幔、流体外核和固体内核组成，核幔边界存在微小的椭率。 固体潮是研究地球内部物质结构以及其间运动的重要学科，就是通过地球表面上所能观测到的地面对月球和太阳引力的反应来探索地球内部的问题。固体潮现象的发现则可追溯到19世纪初期。当时发现位于沿海的的水井中的水位的涨落与海潮的涨落恰好相反，这种现象显然是由于引潮力作用下地壳的体膨胀引起的，是固体地球的潮汐形变的结果。它主要反应在地面上重力变化和倾斜变化。到20世纪50年代，由于冶金工业的巨大发展和熔凝石英的出现，使高精度和稳定性很大的重力仪器陆续出现。使固体潮的研究开展起来。 固体潮做为一门学科，与大地测量学、天文学和海洋学有十分密切的关系。近代的固体潮研究应该是从1957年开展的国际地球物理年之后的事。 天文学中讨论了地球自转问题。也是基本天文学中的重要问题，如地球自转速度的不均匀性、极移问题及岁差和章动问题等。其次是地球自转轴在空间的受迫晃动，也就是所谓的岁差及章动问题。因为两种现象都来自同一个力的作用，即月球及太阳的引潮力。 地球自转的速度不均匀也与固体潮有关。 月球和太阳的引潮力可以使地球的自转速度逐渐减慢，这就意味着每天的日子将越来越长。现在已观测到，一年的日长增长大约是1.3秒。 在地球表面之下2900公里的地球内核是液态的，这是地震学研究的结果。它在地球对于田谐引潮力的反应之中，起着极为重要的作用。事实上，液核对于引潮力的扭力的反应主要与它的扁率有关。当引潮力的频率与它的运动频率相接近时，将发生共振。地球的自振并不会产生影响，因为它的周期最长也不过50多分钟。比固体潮和章动的周期都短的多，故其影响可以忽略不计。根据初步探讨，液核的自由震荡，其周期也不过一小时。地震纵波穿过地核所需要的时间也不过10分钟。但是，沿着液核表面的自由运动的周期却很长，不能忽视。 影响固体潮观测结果的因素，除了间接效应外，还有由于地质的不均匀构造所产生的地区性的影响。这是由于地壳及地幔的横向不均匀性。另外，还有一个很重要的因素则产生于液态地核的运动。 观测表明。潮汐流体静压力与地震发震时刻没有明显关系。 我国在固体潮观测与研究方面的工作起步比较晚，20世纪50年代末，中国科学院测量与地球物理研究所与苏联科学家合作在兰州开展了我国第一次重力固体潮观测。80年代，中国科学院测量与地球物理研究所引进了当时世界上最先进的重力仪，在武汉建立了重力固体潮观测站，并与比利时、德国和英国等国家的相关研究机构开展了广泛、深入的合作，建立了横贯中国大陆的东西重力潮汐剖面、南北沿海重力固体潮剖面、南极长城和中山永久重力潮汐观测站，建立了武汉国际重力潮汐基准。1986年，在武汉市郊九峰山地区建立动力大地测量中心实验站，继续进行固体潮及相关学科的观测与研究工作，并参与国际的科学合作计划。在此期间，为了地震监测和防震减灾，中国地震局下属的各研究机构，陆续在中国大陆建立了一个庞大的观测网站，开展重力、倾斜和应变等长期连续观测。目前，已经建立了覆盖中国大陆的重力连续变化观测的网络，包括拉萨和武汉超导重力观测站在内的60个连续重力观测站，空间分辨率大约为200Km，在这些观测站同时还配备了GPS和气象观测设施进行同步观测，为固体潮和相关领域的研究奠定了坚实的基础。  【作者简介】孙克忠，中国科学院地质与地球物理研究所研究员。本文来自“科学智慧火花”，版权归作者与出版单位共同拥有，用于学习与交流。   |
|
|
