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第19章 潮涨潮落为哪般

大凡去过海边之人,都会看到海水呈周期性的涨落现象。到了一定的时间,海水推波助澜,迅速上涨而达到高潮;此后一些时间,上涨的海水又会自行退去,露出沙滩,出现低潮。如此循环,往复不息。

所谓潮汐,指的就是这种有节奏的海水周期性涨落运动,在法国文学中,这种现象称之为“大海的呼吸”。潮汐现象的特点是每昼夜的高潮不是一次,而是两次,“昼涨称潮,夜涨称汐”。

潮汐是怎样形成的

我们把地球的岩石圈、水圈和大气圈在日、月引潮力的作用下,分别产生的周期性运动和变化总称为潮汐。固体潮汐指的是固体地球在日、月引潮力作用下,引起固体地球的弹性—塑性形变,简称为固体潮或地潮;海洋潮汐指的是在日、月引潮力作用下。引起海水海面的周期性升降、涨落与进退,简称海潮;大气潮汐指的是受引潮力的作用,使大气各要素(如气压场、大气风场、地球磁场等)产生的周期性变化(如8、12、24小时),简称为气潮。其中,太阳潮指的是由太阳引起的大气潮汐;太阴潮则是由月球引起大气潮汐。由于月球比太阳距离气球更近,所以月球与太阳引潮力之比为11:5,而对海洋而言,太阴潮比太阳潮更为显著。地潮、海潮和气潮的原动力均为日、月对地球各处引力不同,三者互有影响。

发生于大洋底部的地壳的弹性—塑性潮汐形变,相应地会引起海潮。即对于海潮而言,存在着地潮效应的影响;而由海潮引起的海水质量的迁移,改变着地壳所承受的负载,使地壳发生可复的变化。气潮在海潮之上,海潮由于受到气潮的作用而引起附加的振动,变化更为复杂。

作为完整的潮汐科学,应该把地潮、海潮和气潮作为一个统一的整体的研究对象,但由于海潮现象十分明显,而且密切关系人们的生活、经济活动、交通运输等,因此比较习惯将潮汐一词狭义地理解为海洋潮汐。

是什么导致了潮汐现象

我们把海水周期性的涨落现象叫做潮汐。由于白天是朝,晚上是夕,因此把白天出现的海水涨落叫做“潮”,夜晚出现的海水涨落叫做“汐”。古人对这种现象曾感到十分不解,不知其成因究竟为何。后来细心的人们发现,每天潮汐都要往后推迟一段时间,而这段时间恰好等同于月亮每天迟到的时间,因此就联想到,或许潮汐和月球之间存在某种必然的联系。在《山海经》这部我国古代地理著作中,就已经提到潮汐与月球的关系;东汉时期王充在其所著的《论衡》一书中,也明确指出:“涛之起也,随月升衰”。但是一直到牛顿发现万有引力定律后,拉普拉斯才从数学上做出证明,即潮汐现象引起的确来源于太阳和月亮、特别是月亮的引力。

其实,太阳和月亮都可以使地球表面的潮水上涨,但月亮比太阳离地球要近得多,所以成为引起潮涨潮落的主要因素。住在海边的人都知道,潮水的涨落一般相隔6小时,而且高潮时间与上一天相比约迟50分钟,和每天月出时间的变化完全吻合。

不仅如此,潮水的高低也会随月亮绕地球转动的周期而改变。每月朔望,潮水就高得多。这种最高的高潮称为“大潮”。“大潮”发生的时候,太阳、月亮和地球成一直线,因此太阳和月亮对地球的引力合而为一。当月亮在上弦或下弦时,同太阳和地球就构成了三角形的三个顶点,太阳引力与月亮引力相消,此时潮水较低,被称为“小潮”。

除了太阳和月亮外,海岸地形对当地潮水的情况也会有重大的影响。比如加拿大北部哥伦比亚角,潮水平均会上涨10多厘米;但新苏格兰与新布仑兹维克间芬第湾头的明纳斯海盆上,潮水最大时上升的高度比低潮时高出53.5米,是世界上最大的潮差。明纳斯海盆的漏斗形状,使潮水涌集在芬第湾头的狭长一端。每次潮水涨退,进出芬第湾的海水大约有1000亿吨。

由此可见,潮水的涨退并不像我们看到的那么简单。因为海洋下面有很多巨大的海盆,轮廓也各不相同,视环抱的陆地与凹凸不平的海底而定。海盆的形状,便能够加强或减弱潮水涨退的幅度。

潮水对航海的重要影响

潮水与航海的关系最重要。在一望无际的大海上,当然感觉不到潮水涨退,但当轮船接近岸边时,情形就完全不同了。在很多港口,大量海水因潮水的影响而移动,造成强力的海流。如果潮流太强,即使最大的轮船也要等到最适当的时间才能进出港口。所以有些巨轮驶往或离开纽约市时,常要在水上漂浮等候一段时间。纽约港口外有奈洛斯海峡作为屏障,且多数码头都建在距离哈德逊河港口甚远的地方,但最大的货船还是要等水势缓慢时才敢移动,以免受到潮流的冲击撞向码头。

有一些很大的海湾,由于进口狭窄,潮流异常汹涌,不在水缓慢的时候,根本就无法航行。比如格陵兰的桑德斯特罗峡被称为“西缪塔克”,爱斯基摩语的意思是塞子或瓶塞。事实上这个峡湾的确像个大瓶子,装满以后又会把水倒出,而西缪塔克岛恰好像个塞不住瓶口的软木塞。潮水涌进涌出,犹如汹涌的河流,峡湾里大量的海水每天都要吞吐两次。以前,爱斯基摩人的皮制轻舟每天只有两次大约半小时的时间就能穿过峡湾的湍急海流,现在即使驾驶马力很大的汽艇也要特别谨慎,否则遇到时速12~16千米的海流,汽艇就会失去控制,被水冲走。

世界上其他地区也有同样的情况,且不一定在峡湾里出现。但不论在哪里,在任何狭窄的水道中航行时,如果遇上海潮和大风,都可能发生危险。

涨潮激浪

涨潮激浪是在特殊情况中产生的异象,世界上好几个地方都能看到。出现这种现象的地方,一定是很浅的河口或峡湾,入口处有些障碍物足以阻延潮水流动。如果有适当方向的强风使潮水的涨速超出流过障碍物的流速,到潮水涨到足以越过障碍物时,潮水就在障碍物上方冲过,涌进峡湾,前锋又陡又高,如同一堵大墙。

除阿拉斯加外,世界上还有几个地方会出现涨潮激浪,比如英国的塞汶河与特林特河、美国的加利福尼亚湾和亚马逊河、我国的钱塘江等。其中亚马逊河和钱塘江涨潮激浪之大,冠于世界,浪峰高达15~25米,以万马奔腾之势向上游冲去,大潮来时时速可达16~20千米。

许多人在阿拉斯加的杜那根海湾都目睹涨潮激浪的推进情况。在潮水来临前20分钟,就可以听到怒涛激荡的声音,像雷霆一般步步逼进。不过对这种情形当地居民早已见怪不怪了。他们在杜那根涨潮激浪到达前,会把所有小艇拖到沙滩上的安全地点。

潮汐带来的能源贡献

利用潮水的庞大力量充作能源,早已吸引了众多富有创造才能的人。在过去的几百年里,英格兰、威尔士、荷兰及现在的纽约等地,就已经有潮水磨坊了。目前,法国在布列丹尼的12米,双向的涡轮机在潮水进入和流出兰斯河水道时,都能利用海流的动力发电。

有些国家还在海岸装置潮水推动的马达,并利用其发电。在英国就有一些,但马力不大,不足供应整个城市的照明或一家大工厂所需的电力。最通用的潮水马达,利用浮体沿长杆滑上滑下,使机器保持转动。涨潮时浮体升起,退潮时浮体降落。但不论升起或降落,都能发出动力。另一种装置需要建造一个蓄水池,前面有入口,可以让潮水流入。潮涨时,这些潮水就会推着机轮朝某一方向转动,潮退时又会朝另一方向转动。

为了将来的需要,俄罗斯目前在北极海接近挪威边境的基斯拉雅湾,设置了一个试验性的潮汐发电站。

总之,工业国家对能源的需要都在不断增加,相信不久之后,很多国家都可以借助潮水的力量,使城市大放光明,使工业保持生产了。

小知识——何谓“咸潮”

咸潮,是一种天然的水文现象,又叫做咸潮上溯、盐水入侵。它的成因来自于太阳和月球(主要是月球)对地表海水的吸引力。当淡水河没有足够的流量,就会出现海水倒灌,咸淡水混合致使上游河道水体变咸,咸潮就会由此形成。

冬季或旱季,也就是每年10月至第二年3月之间,容易发生咸潮。它一般在河海交汇处例如中国的长三角、珠三角周边地区出现。

影响咸潮主要有两个因素:天气得变化和潮汐的涨退。特别是在天文大潮时,有着更为严重的咸潮上溯现象。此外,受到全球气候变化使海平面上升的影响,使得咸潮有着非常缓慢的增加,但长时间的积累也在逐步显现出来。

由咸潮造成的影响主要体现在氯化物的含量上。一般来说,海水的氯化物浓度一般高于5000毫克/升。当发生咸潮的时候,河水中氯化物的浓度从每升几毫克会上升到250毫克以上。依据国家有关标准,如果水中的含氯度超过250毫克/升就不适宜饮用,因为水中含盐度过高会危害人的身体健康,同时还会威胁到企业的生产。

除此之外,地下水和土壤内的盐度还会受到咸潮的影响而升高,严重影响农业生产,危对当地植物生存带来危害。比如在广州省番禹石楼镇的一些稻田边,尽管水沟里仍有一些水蓄存,可是田地却呈龟裂状态。该镇由于受到咸潮的影响,沟里的水咸度已达0.5%的咸度,而若是农作物“饮用”高于0.4%的咸度的水,半个月后就会停止生长,甚至死亡。

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