揭秘潮汐現象:為什麼地球「背向」月球的一面也會漲潮?

漫酱~ 2022/12/24 檢舉 我要評論

地球是太陽系中唯一一顆擁有地表海洋的行星,地球的海洋是如此廣袤,以至于整個星球的表面有大約71%的面積都被海洋占據。生活在地球上的我們,早已對海洋有規律的漲潮和退潮習以為常,當這種現象發生在白天的時候,我們將其稱之為「潮」,如果發生在夜晚,我們則將其稱之為「汐」。

為什麼地球海洋會出現潮汐現象呢?一個眾所周知的原因就是月球的引力作用,盡管月球的質量在太陽系中并不算大,但與太陽系中的其他星球相比,月球與地球的距離可以說是「近在咫尺」,所以月球的引力就能對地球表面的海洋產生顯著的影響。

或許我們可以簡單地認為,由于引力與距離的平方成反比,因此地球「面向」月球的一面受到的月球引力更強,并且距離月球越近的區域,受到的月球引力就越強。

在這種情況下,這一面的海洋就會微微隆起,這樣就形成了漲潮,但由于地球在自轉,這個隆起的區域與月球的距離會越來越遠,月球的引力隨之不斷減弱,海洋的隆起也逐漸消失,于是就形成了退潮,隨著這個過程的持續,地球海洋也就出現了有規律的潮汐現象。

按照這樣的理解,地球「背向」月球的一面就不應該出現漲潮,但人們卻早已觀察到,地球的海洋通常都會在一天之內出現兩次漲潮,其發生時間的間隔大約為半天,而我們都知道,地球每完成一次自轉,差不多就是一天的時間。

這就意味著,地球「背向」月球的一面也會漲潮,為什麼會這樣呢?下來我們就來揭秘一下這種看似奇怪的潮汐現象。

通常我們都會將地月系統的運動狀態想象成,月球一直在地球引力的束縛下圍繞著地球公轉,而地球卻穩穩地不動,然而事實卻并非如此。

根據萬有引力定律,引力的作用是相互的,當地球在「吸引」月球的時候,月球其實也會對地球產生同樣大小的引力,因此如果沒有其他因素的干擾,那地球和月球就將不可避免地撞在一起。

地球和月球之所以會像現在這樣穩定的運行,其實是因為它們都在圍繞著地月系統的質心一起轉動,而 它們之間的引力則起到了向心力的作用

在此過程中,地球和月球都會因為自身的慣性而具備了遠離旋轉中心的趨勢,從而使地球和月球始終能夠保持一定的距離,而不會被向心力「吸引」得撞在一起,因此 這種趨勢等效于一種與向心力相反的力,所以我們可以將其稱為「離心力」。

需要注意的是, 「離心力」的本質是物體慣性的體現,它不是一種真實存在的力,而是一種為了方便討論而引入的虛擬力。

「離心力」的大小可用公式「F = mω^2r」來進行計算,其中m、ω、r分別代表物體的質量、轉動的角速度、物體與旋轉中心的距離,可以看到,「離心力」的大小與物體與旋轉中心的距離是成比例關系,也就是說,距離旋轉中心越遠,「離心力」就越大,反之亦然。

由于地球的質量遠大于月球,因此地月系統的質心其實是位于地球半徑之內,大概在地球與月球質心的連線上距離地心4700公里的位置上,與之相比,地球本身的直徑則大約為12742公里,而這也就意味著,地球「背向」月球的一面受到的「離心力」比地球「面向」月球的一面更大。

另一方面來講,地球「背向」月球的一面與月球的距離更遠,月球引力就會減弱,此消彼長之下,「離心力」就占據了主導地位,由于「離心力」與月球引力是相反的,因此這一面的海洋就會向遠離月球的方向隆起,進而形成漲潮。

簡單總結一下就是,在地月系統的運動過程中,地球海洋會同時受到月球引力和「離心力」的影響,在地球「面向」月球的一面,是月球引力引發了海洋的漲潮,而之所以地球「背向」月球的一面也會漲潮,則是因為「離心力」的作用。

值得一提的是,作為太陽系中的「老大」,太陽同樣也會引發地球海洋的潮汐現象,只不過太陽距離地球太遠(相對于月球),其引發的潮汐幅度就比月球更小。

當月球運行到與地球和太陽在同一條直線時,太陽與月球引發的潮汐就會出現疊加效果,從而使地球海洋的潮汐幅度更大,此時出現的潮汐稱為「大潮」,而當月球運行到地球與太陽的連線的垂直方向時,太陽引發的潮汐就會明顯削弱月球引力發的潮汐規模,此時出現的潮汐則被稱為「小潮」。

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