|
浅谈潮汐的成因及潮汐能的利用 湖北省远安县一中 郭家荣 内地的学生，对潮汐现象十分陌生，经常有学生思考、提出有关问题。现从物理学的角度就潮汐现象与同行交流。 一、潮汐的成因 首先讨论月球的万有引力对海洋潮汐的作用。假设海水覆盖整个地球表面，地球和月球绕着共同的质心C转动，视以C为原点，坐标轴指向恒星的  系为惯性系，另有一以地心 为坐标原点，坐标轴指向恒星的参考系 。C系与C′系坐标轴总保持平行，故C′系绕C系平动。若仅关心为何一日两潮，即仅讨论为什么面向和背向月球的水面有两个凸起，可引入如下理想模型：认为地表水相对于C′系静止，即水随C′系绕C平动。这时，水表面诸体元均以 为半经作圆周运动。但各有自己的圆心，又因为是平动，诸体元的速度和加速度都是相同的，因此各单位质量水与地心处单位物质所受向心力相同，如图（一）所示。由于地表面各处与月球连线长短、方位不同，各水体元在各处所受月球的引力不同，如图（二）所示。这个引力有两种效果，一个作用是使诸单位质量水获得各自绕地月共同的质心C作圆周运动的向心力，此力的大小等于月球作用于地心处单位质量物质的力，另一个作用是产生潮汐的引潮力。故月球的引潮力可定义为地表面单位质量的水所受月球引力减去地心处单位质量物质所受月球的引力。分别用F、fc和f表示引潮力、向心力和引力，有 ，其中fc显然等于 ，G、M和d分别表示万有引力常量，月球的质量和地心月心间的距离。由于地表面水体元所受月球的引力不同，地面不同处的引潮力不同，如图（三）所示。P点的引潮力可用矢量差求得，如图（四）所示。  图（一） 图（二）   图（三） 图（四） 设R为地球的半径，我们用引潮力的定义式来计算离月球最近的A点及离月球最远的B点的引潮力，因为两处单位质量水所受万有引力与向心力在同一直线上。故A点的引潮力为  。由于地月间距离远大于地球的半径，所以2d-R≈2d、d-R≈d，有 ，同理B点的引潮力 。由此可见A、B两处引潮力的大小相等，都背离地心向外，海水在引潮力的作用下“涨起”，同理由矢量差求得D、E处引潮力相等且指向地心，在该处的引潮力迫使海水“跌落”，其它各处引潮力促成海水的“潮流”。用同样的方法可分析太阳的引潮力。虽然太阳的质量比月球的质量大得多，但太阳离地球的距离也比月球离地球的距离大得多，所以太阳对地面水的引潮力还不到月球对地面水的引潮力的一半。在宇宙中，除月球和太阳以外的其它天体或因离地球太远，或因质量太小对地面水的引潮力更是微不足道，影响甚小。从根本上看，潮汐主要是由于月球、太阳对地球表面海水的不均匀引力作用产生的，且以月球对地球表面海水不均匀引力影响为主，运动着的地、月、日的相对位置存在着多种周期性变化，因而海水也在作多种周期性组合的复杂波动，当太阳、月球和地球在一直线上时，就产生大潮；它们成直角时，就产生小潮。地球表面某一区域处于向月面时，表面海水受到月球引力最大，出现涨潮；当此区域处于背月面时，表面海水受到月球引力最小，由引潮力作用，也会出现一次涨潮；当此区域既不处于向月面，也不处于背月面时，海水水位较低，出现退潮或潮流。在地球一天的自转中，月球绕地球公转的位置没有多大改变，故一天中，地球表面某一区域会出现两次涨潮和两次退潮。再加上海陆分布，海洋深度，海岸形状等因素的影响，使得不同地方的潮差不同，如我国的杭州湾最大潮差可达10米，海水这样周期性变化就形成奇妙的潮汐现象。 二、潮汐能的开发 海水潮汐的涨落变化形成了一种再生的可供人们开发的海洋位能。有良好的开发前景，在某些近岸浅海、海峡、海湾和河口，海水的涨落十分显著的地方建坝蓄水，形成水库，利用涨潮和落潮时水位升降获得水头（海水面与水库里水面的高度差）冲动水轮发电机组，发出电流，为人类服务。 为适应潮汐的低水头，大流量的特点，潮汐电站要求装配专门的发电机组。世界各国经过半个多世纪的研究、开发，目前主要有单库单向、双库单向和单库双向三种类型的潮汐发电站。对于单库单向只能在落潮时发电，发电时间短，发电量小，效率低；双库单向可全日连续发电，但水中建筑工程量和投资大，经济效益差；而单库双向介于二者之间，是潮汐发电的主要形式和开发方向。我国的海岸线曲折，沿海又有6000多个大小岛屿，拥有3．2×104Km的大陆海岸线和岛岸线，漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源，有许多理想的潮汐电站的建站位置。先后已在浙江、江苏和山东等地兴建了一批装机容量不同的潮汐电站，其技术已渐趋成熟，步入商业化阶段。 由于潮汐能不受洪水、枯水期等水文因素的影响，在环境危机和能源危机日益严重的情况下，开发和利用潮汐能的社会和经济效益已明显显露出来。今后在潮差较大的海边，将会有更多的潮汐电站出现。 参考文献： [1]漆安慎、杜婵英?普通物理教程《力学》，高等教育出版社，1997年7月第1版。 [2]全日制普通高级中学教科书《地理》上册，人民教育出版社 2003年6月第1版。 (责任编辑：admin) |