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      海洋論壇▏海洋潮汐和固體潮在我國(guó)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(duì)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(yùn)動(dòng),對(duì)固體稱固體潮;對(duì)海水叫海潮(海洋潮汐)。

      海洋潮汐習(xí)慣上將鉛直向漲落稱潮汐,水平方向的流動(dòng)稱潮流,可以由儀器精密測(cè)量。

      固體地球潮汐是聯(lián)系天文學(xué)、大地測(cè)量學(xué)和地球物理學(xué)的重要交叉學(xué)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(cè)量觀測(cè)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(cè)量?jī)x器觀測(cè)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(cè)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(guó)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(zhǎng)江入海附近的吳淞口,大潮可以達(dá)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(shí)可達(dá)8米左右。

      早在公元前二世紀(jì),我們的祖先就有關(guān)于潮汐的記載。隨著歷史的發(fā)展,對(duì)于潮汐的觀察越加細(xì)致,并對(duì)潮汐給予解釋。17世紀(jì)下半葉,牛頓給出了潮汐現(xiàn)象的科學(xué)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(gè)物體之間都存在著互相吸引的力,力的大小與兩個(gè)物體質(zhì)量乘積成正比,與兩個(gè)物體之間距離的平方成反比。因?yàn)榘凑者@一定律,地球上各質(zhì)點(diǎn)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?yàn)樗麄冎g相對(duì)地做圓周運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)的離心力與總的引力平衡,才使得它們不會(huì)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(gè)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(huì)被拉成一個(gè)橢球,其長(zhǎng)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(diǎn)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(yáng)對(duì)地球也產(chǎn)生引潮力。根據(jù)太陽(yáng)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(yáng)引潮力平均只有月球引潮力的0.46倍,因而潮汐運(yùn)動(dòng)主要由月球位置所決定,而太陽(yáng)和月球的相對(duì)位置則決定了潮汐的大小變化。

      牛頓的潮汐理論實(shí)質(zhì)上是一個(gè)靜力理論。他假定整個(gè)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(gè)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(shí)際上海面不可能隨時(shí)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(yùn)動(dòng)受到流體力學(xué)的有關(guān)法則的支配,例如海水的運(yùn)動(dòng)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(jìn)入了潮汐動(dòng)力學(xué)的研究范圍。

      國(guó)家海洋局在我國(guó)的沿海地區(qū)設(shè)立了許多海洋觀測(cè)站,對(duì)海洋潮汐進(jìn)行觀測(cè)。較早的觀測(cè)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(yàn)潮所,是我國(guó)沿海歷史最悠久的驗(yàn)潮所之一,現(xiàn)為坎門海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)站的13個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在南海有閘坡驗(yàn)潮站。山東省有威海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站。1988年8月2日,根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)(IOC)建立全球海平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)劃,我國(guó)在南沙永暑礁建成海洋觀測(cè)站,即全球海平面聯(lián)測(cè)第74號(hào)站。

      海洋潮汐具有巨大的可利用的能量,1968年法國(guó)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(guó)在浙江建成江廈潮汐電站,是我國(guó)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?jiǎng)恿κ窃虑蚝吞?yáng)的引潮力。這種引潮力對(duì)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(yùn)動(dòng)的重要學(xué)科,就是通過地球表面上所能觀測(cè)到的地面對(duì)月球和太陽(yáng)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(jì)初期。當(dāng)時(shí)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(jì)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(xué)科,與大地測(cè)量學(xué)、天文學(xué)和海洋學(xué)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(guó)際地球物理年之后的事。

      天文學(xué)中討論了地球自轉(zhuǎn)問題。也是基本天文學(xué)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(dòng)問題等。其次是地球自轉(zhuǎn)軸在空間的受迫晃動(dòng),也就是所謂的歲差及章動(dòng)問題。因?yàn)閮煞N現(xiàn)象都來自同一個(gè)力的作用,即月球及太陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)?,F(xiàn)在已觀測(cè)到,一年的日長(zhǎng)增長(zhǎng)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(xué)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(shí)上,液核對(duì)于引潮力的扭力的反應(yīng)主要與它的扁率有關(guān)。當(dāng)引潮力的頻率與它的運(yùn)動(dòng)頻率相接近時(shí),將發(fā)生共振。地球的自振并不會(huì)產(chǎn)生影響,因?yàn)樗闹芷谧铋L(zhǎng)也不過50多分鐘。比固體潮和章動(dòng)的周期都短的多,故其影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)初步探討,液核的自由震蕩,其周期也不過一小時(shí)。地震縱波穿過地核所需要的時(shí)間也不過10分鐘。但是,沿著液核表面的自由運(yùn)動(dòng)的周期卻很長(zhǎng),不能忽視。

      影響固體潮觀測(cè)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(gè)很重要的因素則產(chǎn)生于液態(tài)地核的運(yùn)動(dòng)。

      觀測(cè)表明。潮汐流體靜壓力與地震發(fā)震時(shí)刻沒有明顯關(guān)系。

      我國(guó)在固體潮觀測(cè)與研究方面的工作起步比較晚,20世紀(jì)50年代末,中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所與蘇聯(lián)科學(xué)家合作在蘭州開展了我國(guó)第一次重力固體潮觀測(cè)。80年代,中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所引進(jìn)了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的重力儀,在武漢建立了重力固體潮觀測(cè)站,并與比利時(shí)、德國(guó)和英國(guó)等國(guó)家的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展了廣泛、深入的合作,建立了橫貫中國(guó)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(zhǎng)城和中山永久重力潮汐觀測(cè)站,建立了武漢國(guó)際重力潮汐基準(zhǔn)。1986年,在武漢市郊九峰山地區(qū)建立動(dòng)力大地測(cè)量中心實(shí)驗(yàn)站,繼續(xù)進(jìn)行固體潮及相關(guān)學(xué)科的觀測(cè)與研究工作,并參與國(guó)際的科學(xué)合作計(jì)劃。在此期間,為了地震監(jiān)測(cè)和防震減災(zāi),中國(guó)地震局下屬的各研究機(jī)構(gòu),陸續(xù)在中國(guó)大陸建立了一個(gè)龐大的觀測(cè)網(wǎng)站,開展重力、傾斜和應(yīng)變等長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。目前,已經(jīng)建立了覆蓋中國(guó)大陸的重力連續(xù)變化觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò),包括拉薩和武漢超導(dǎo)重力觀測(cè)站在內(nèi)的60個(gè)連續(xù)重力觀測(cè)站,空間分辨率大約為200Km,在這些觀測(cè)站同時(shí)還配備了GPS和氣象觀測(cè)設(shè)施進(jìn)行同步觀測(cè),為固體潮和相關(guān)領(lǐng)域的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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

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