Astronomy Photos ByAcian

2014年11月21日

淺談潮汐

By 56 Canopus

潮汐是一個大家都並不陌生的現象,從古人利用海岸水位每天的漲退來產鹽,到今人運用潮汐能發電,它都陪伴著人類文明進發。大家對這個古老的現象有多少認識?各位又知不知道它與天文有密不可分的關係?

地球上潮汐的主因,乃是地球唯一的自然衛星—月球。要明白月球如何引起潮汐,我們不妨想想以下這個情景:

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一輛法拉利在一輛老爺車前方,一條彈簧的兩端分別勾在兩車上。當兩輛車同時加速,老爺車的加速度卻比法拉利小,追不上法拉利,彈簧便會順理成張被扯開。

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現在,我們來嘗試套用這個情境於地球。我們把地球如圖分成三份來考慮,一份近月,一份遠月,一份夾在中間,它們之間緊緊地黏在一起。根據牛頓的萬有引力定律,三個部分都會受月球的引力影吸引而向月球加速,但是近月球的一部份受到的引力較大,加速較快;遠月球的一部份受到的引力較小,加速較慢;中間的那部份則與彈簧一樣被拉扯。這股拉扯力,就是潮汐力。

當然,這只是一個十分粗略的比喻,要準確瞭解潮汐力,還需靠廣義相對論中的複雜數學,筆者在此不作詳述,只告訴大家結果好了:地球會沿月球方向被拉長,稍微變形為橢圓形。海洋也參與這個變形,面對和背向月球處的海平面被扯高; 側面的海平面則相對較低。而由於地球的自轉,世界各地只要不是太近南北極,每天都會輪流經過兩個潮漲和兩個潮退位置。

明眼人可能會想到,萬有引力定律不只適用月球和地球,也適用於太陽,故太陽施於地球各處的引力也不是衡均的,太陽也會引起潮汐。這推論是正確的,不過由於太陽比月球離地球遠很多,故太陽頂多是在月球引起的潮汐上作少量加工:每逢農曆約初一或十五,日月發生衝或合之日,太陽與月球的拉扯軸最接近時,水漲水退的幅度會特別大,稱為大潮; 農曆約初七或廿二,日月發生方照之日,太陽與月球的拉扯軸垂直時,水漲水退的幅度會特別小,稱為小潮。

月球施於地球的潮汐力引起了海洋的潮汐現像,但月球沒有海洋,地球施於月球的潮汐力有否引起其他有趣現象?答案是有:潮汐鎖定。不少人均知,月球是一顆正同步自轉的衛星,也就是說它圍繞地球公轉的週期和它自轉一週的週期相等,使它永遠都以同一面面向地球。這並不是一個巧合,而是由於潮汐力會使所有圍著其他天體公轉的天體慢慢變為同步自轉。

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這回我們把法拉利置於老爺車的左前方,用鐵鏈連著兩車。這回一加速,鐵鏈一繃緊,便會對兩車施力,法拉利受到的力向右,老爺車受到的力向左,這力明顯傾向使兩車達至前後對齊。即使把法拉利置於老爺車的右前方結果也會一樣。
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這與月球有甚麼關係呢?如果我們把月球分成近地和遠地兩部份,前者因地球引力加速較快而像法拉利,後者則因地球引力加速較慢而像老爺車。月球會被潮汐力向地球拉長,如圖所示。在下一刻,如果月球的自轉週期與公轉週期不同,近地部份便會在遠地部份的斜前方而非正前方 (這裡的「前」是指向著地球) 。就像鐵鏈會將兩車拉扯至前後對齊一樣,潮汐力也會企圖把兩部份拉扯至前後對齊。

不過,在地月系統中,這個效應相當不明顯,能使月球同步自轉也非一朝一夕的事,除了靠經年累月的潮汐效應,相信也因月球起初的自轉與公轉速度相異不太厲害所致。當然,潮汐鎖定不一定發生在衛星身上,冥王星便與其衛星查戎互相潮汐鎖定,兩者永遠用同一面面對著對方。

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