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海洋論壇▏海洋潮汐和固體潮在我國的研究狀況

 西北漢子boy 2021-04-23

潮汐是由于日、月和近地行星對地球的引力變化所導(dǎo)致的地球內(nèi)部和表面的周期性運動,對固體稱固體潮;對海水叫海潮(海洋潮汐)。

海洋潮汐習慣上將鉛直向漲落稱潮汐,水平方向的流動稱潮流,可以由儀器精密測量。

固體地球潮汐是聯(lián)系天文學、大地測量學和地球物理學的重要交叉學科。伴隨著地球的周期性變形,地球表面的重力、傾斜、應(yīng)變和經(jīng)緯度等大地測量觀測量將出現(xiàn)相應(yīng)的周期性微小潮汐變化(分別稱為重力固體潮、傾斜固體潮、應(yīng)變固體潮和天文經(jīng)緯度固體潮等),可以被重力儀、傾斜儀、應(yīng)變儀、天文和現(xiàn)代高精度大地測量儀器觀測到。地球的潮汐形變與其介質(zhì)的物理特證密切相關(guān),因此,其觀測與研究是了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。

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一、海洋潮汐

潮汐現(xiàn)象早為古代沿海居民所熟悉。在我國沿海的一些口岸上,所發(fā)生的潮汐一般都比較高,容易引起居民的注意。例如,在長江入海附近的吳淞口,大潮可以達3米以上,其他的口岸,一般也在1~2米或更高。杭州附近的錢塘江口岸則是世界上有名的觀潮勝地,在那里,最高潮面有時可達8米左右。

早在公元前二世紀,我們的祖先就有關(guān)于潮汐的記載。隨著歷史的發(fā)展,對于潮汐的觀察越加細致,并對潮汐給予解釋。17世紀下半葉,牛頓給出了潮汐現(xiàn)象的科學解釋。牛頓的萬有引力定律解釋了潮汐的成因。按照萬有引力定律,任何兩個物體之間都存在著互相吸引的力,力的大小與兩個物體質(zhì)量乘積成正比,與兩個物體之間距離的平方成反比。因為按照這一定律,地球上各質(zhì)點都受到月球的引力作用。但是地球和月球并不吸引到一起,是因為他們之間相對地做圓周運動,這種運動的離心力與總的引力平衡,才使得它們不會越來越近。換言之,在地心處,月球引力和離心力是大小相等方向相反的。而在地球朝向月球的地方,由于距離近,引力就比較大,扣除離心力后,有一個剩余的力,它朝向月球方向。類似地,在地球上背著月球的一邊,引力則比離心力小,剩余的力便背著月球的方向,于是地球上的水體會被拉成一個橢球,其長軸在地—月連線上。由于地球的自轉(zhuǎn),在海邊或海中的任一點就感受到一天兩次高低潮。這種剩余的、引起潮汐的力叫引潮力。同樣,太陽對地球也產(chǎn)生引潮力。根據(jù)太陽和月球的質(zhì)量及它們與地球的距離可以算出各自引潮力的大小。結(jié)果表明,太陽引潮力平均只有月球引潮力的0.46倍,因而潮汐運動主要由月球位置所決定,而太陽和月球的相對位置則決定了潮汐的大小變化。

牛頓的潮汐理論實質(zhì)上是一個靜力理論。他假定整個地球被海水所覆蓋,而海面在重力和引潮力作用下處于平衡狀態(tài)(即海面垂直于重力和引潮力的合力),這樣整個地球海面的形狀應(yīng)成為橄欖球狀的旋轉(zhuǎn)橢球體。但是實際上海面不可能隨時處于平衡狀態(tài),首先地球表面并不全部是海水,其次海水的運動受到流體力學的有關(guān)法則的支配,例如海水的運動與海域的大小、海域的形狀、海底的深淺以及海底的地質(zhì)條件,即與海水之間摩擦程度有關(guān)。也與地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)、地球潮汐和海洋潮汐的相互作用等等有關(guān)。這就進入了潮汐動力學的研究范圍。

國家海洋局在我國的沿海地區(qū)設(shè)立了許多海洋觀測站,對海洋潮汐進行觀測。較早的觀測站是1929年在福建省溫州玉環(huán)縣的坎門海洋站又稱坎門驗潮所,是我國沿海歷史最悠久的驗潮所之一,現(xiàn)為坎門海洋環(huán)境監(jiān)測站。在福建省的閩江口以南海域,有平潭、崇武、廈門和東山海洋觀測站的13個觀測點。在南海有閘坡驗潮站。山東省有威海海洋環(huán)境監(jiān)測站。1988年8月2日,根據(jù)聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學委員會(IOC)建立全球海平面監(jiān)測網(wǎng)計劃,我國在南沙永暑礁建成海洋觀測站,即全球海平面聯(lián)測第74號站。

海洋潮汐具有巨大的可利用的能量,1968年法國建成的朗斯電站是世界上最大的潮汐電站。1984年加拿大在安納波利斯建成了世界第二大潮汐電站。

1980年5月,我國在浙江建成江廈潮汐電站,是我國目前最大的潮汐發(fā)電工程,年發(fā)電量居世界第三。

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二、固體潮

在海洋之上,引起潮汐的主要動力是月球和太陽的引潮力。這種引潮力對于固體的大陸是否也能產(chǎn)生同樣的作用,則牽涉到地球的表面以及其內(nèi)部是否具有一定的彈性。固體地球總體是由固體地幔、流體外核和固體內(nèi)核組成,核幔邊界存在微小的橢率。

固體潮是研究地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及其間運動的重要學科,就是通過地球表面上所能觀測到的地面對月球和太陽引力的反應(yīng)來探索地球內(nèi)部的問題。固體潮現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)則可追溯到19世紀初期。當時發(fā)現(xiàn)位于沿海的的水井中的水位的漲落與海潮的漲落恰好相反,這種現(xiàn)象顯然是由于引潮力作用下地殼的體膨脹引起的,是固體地球的潮汐形變的結(jié)果。它主要反應(yīng)在地面上重力變化和傾斜變化。到20世紀50年代,由于冶金工業(yè)的巨大發(fā)展和熔凝石英的出現(xiàn),使高精度和穩(wěn)定性很大的重力儀器陸續(xù)出現(xiàn)。使固體潮的研究開展起來。

固體潮做為一門學科,與大地測量學、天文學和海洋學有十分密切的關(guān)系。近代的固體潮研究應(yīng)該是從1957年開展的國際地球物理年之后的事。

天文學中討論了地球自轉(zhuǎn)問題。也是基本天文學中的重要問題,如地球自轉(zhuǎn)速度的不均勻性、極移問題及歲差和章動問題等。其次是地球自轉(zhuǎn)軸在空間的受迫晃動,也就是所謂的歲差及章動問題。因為兩種現(xiàn)象都來自同一個力的作用,即月球及太陽的引潮力。

地球自轉(zhuǎn)的速度不均勻也與固體潮有關(guān)。

月球和太陽的引潮力可以使地球的自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢,這就意味著每天的日子將越來越長。現(xiàn)在已觀測到,一年的日長增長大約是1.3秒。

在地球表面之下2900公里的地球內(nèi)核是液態(tài)的,這是地震學研究的結(jié)果。它在地球?qū)τ谔镏C引潮力的反應(yīng)之中,起著極為重要的作用。事實上,液核對于引潮力的扭力的反應(yīng)主要與它的扁率有關(guān)。當引潮力的頻率與它的運動頻率相接近時,將發(fā)生共振。地球的自振并不會產(chǎn)生影響,因為它的周期最長也不過50多分鐘。比固體潮和章動的周期都短的多,故其影響可以忽略不計。根據(jù)初步探討,液核的自由震蕩,其周期也不過一小時。地震縱波穿過地核所需要的時間也不過10分鐘。但是,沿著液核表面的自由運動的周期卻很長,不能忽視。

影響固體潮觀測結(jié)果的因素,除了間接效應(yīng)外,還有由于地質(zhì)的不均勻構(gòu)造所產(chǎn)生的地區(qū)性的影響。這是由于地殼及地幔的橫向不均勻性。另外,還有一個很重要的因素則產(chǎn)生于液態(tài)地核的運動。

觀測表明。潮汐流體靜壓力與地震發(fā)震時刻沒有明顯關(guān)系。

我國在固體潮觀測與研究方面的工作起步比較晚,20世紀50年代末,中國科學院測量與地球物理研究所與蘇聯(lián)科學家合作在蘭州開展了我國第一次重力固體潮觀測。80年代,中國科學院測量與地球物理研究所引進了當時世界上最先進的重力儀,在武漢建立了重力固體潮觀測站,并與比利時、德國和英國等國家的相關(guān)研究機構(gòu)開展了廣泛、深入的合作,建立了橫貫中國大陸的東西重力潮汐剖面、南北沿海重力固體潮剖面、南極長城和中山永久重力潮汐觀測站,建立了武漢國際重力潮汐基準。1986年,在武漢市郊九峰山地區(qū)建立動力大地測量中心實驗站,繼續(xù)進行固體潮及相關(guān)學科的觀測與研究工作,并參與國際的科學合作計劃。在此期間,為了地震監(jiān)測和防震減災(zāi),中國地震局下屬的各研究機構(gòu),陸續(xù)在中國大陸建立了一個龐大的觀測網(wǎng)站,開展重力、傾斜和應(yīng)變等長期連續(xù)觀測。目前,已經(jīng)建立了覆蓋中國大陸的重力連續(xù)變化觀測的網(wǎng)絡(luò),包括拉薩和武漢超導(dǎo)重力觀測站在內(nèi)的60個連續(xù)重力觀測站,空間分辨率大約為200Km,在這些觀測站同時還配備了GPS和氣象觀測設(shè)施進行同步觀測,為固體潮和相關(guān)領(lǐng)域的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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【作者簡介】孫克忠,中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員。本文來自“科學智慧火花”,版權(quán)歸作者與出版單位共同擁有,用于學習與交流。

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