2021年12月03日 星期五
文字里的科学
潮汐有规律,做人需信义
□ 王 恒
(视觉中国供图)

    “嫁得瞿塘贾,朝朝误妾期。早知潮有信,嫁与弄潮儿。”这是中晚唐的诗人李益所写的《江南曲》。这首诗告诉我们潮水是有信的,即潮水涨落有一定的时间,称为“潮信”。在唐宋时,当大潮水将至时,有弄潮的人,先撑小船,迎潮而入,冲波激浪,不避危险,能随大潮上下进退。这样的人称弄潮儿。这是当时盛行于江浙一带的水上游戏。

    古人把白天称为“朝”,把晚上称为“夕”。所以,就有了白天海水上涨为“潮”,晚上海水上涨为“汐”的说法。随着人们不断的深入观察,对潮汐现象的原因有了进一步的认识。我国古代余道安在他著的《海潮图序》一书中说:“潮之涨落,海非增减,盖月之所临,则之往从之”。他指出了潮汐与月球有关系。哲学家王充在《论衡》中写道:“涛之起也,随月盛衰。”也指出了潮汐跟月亮有关系。公元一世纪,王充明确地指出潮汐同月相的相关性;公元八世纪,窦叔蒙在《海涛志》中,不仅指出了潮汐和月相的相关性,而且论述了海洋潮汐变化逐日、逐月、逐年的周期性,建立了世界上最早根据月球位置推算出每月和每天高、低潮的图解表;公元11世纪,燕肃在《海潮论》中分析了潮汐与太阳和月球的关系,潮汐的月变化以及形成钱塘江涌潮的地理因素等。

    不仅中国人关心潮汐现象,世界上很多科学家也关心这个现象。公元前四世纪,古希腊科学家亚里士多德在《气象学》中记载了潮汐现象;古希腊皮西亚斯记录了大潮与小潮,发现了潮汐主要起因于月球;公元前二世纪,巴比伦的赛留卡斯在波斯湾对潮汐进行观察,并与地中海(几乎无潮汐)进行了比较。公元前一世纪,古希腊波西东尼斯在加的斯观察潮汐,发现潮差受月球相位的影响。

    直到17世纪80年代,英国科学家牛顿发现了万有引力定律之后,才科学地解释了产生潮汐的原因。他认为潮汐是由于月亮和太阳对海水的吸引力引而产生的。原来,海水随着地球自转也在旋转,而旋转的物体都受到一种力的作用,使它们有离开旋转中心的倾向,这就好像旋转张开的雨伞,雨伞上水珠将要被甩出去一样。同时海水还要受到月球、太阳及其他天体的吸引力,因为月球离地球最近,所以月球的吸引力较大。但是地球受到月球的万有引力是不均匀的。根据牛顿的万有引力定律,万有引力与两个物体距离之间的平方成反比,也就是说距离近些引力会大些,距离远一些引力就小一点。

    这样海水在太阳和月球的共同作用下形成了引潮力。由于地球、月球在不断运动,地球、月球与太阳的相对位置在发生周期性变化,因此引潮力也在周期性变化,这就使潮汐现象周期性地发生。

    太阳的引潮力虽然不算太大,但能影响潮汐的大小。有时它和月球形成合力大些;有时形成的合力小些。在新月或满月时,太阳和月球在同一方向或正相反方向施加引力,产生高潮;但在上弦或下弦时,月球和太阳的合力小些,产生低潮。

    从一年看来,也同样有高低潮两次。春分和秋分时,如果地球、月球和太阳几乎在同一平面上,这时引潮力比其他各月都大,造成一年中春、秋两次高潮。

    此外,潮汐与月球和太阳离地球的远近也有关系。月球的公转轨道是个椭圆,大约每27.55天靠近地球和远离地球一次,近地潮要比远地潮大39%,当近地潮与高潮重合时,潮差特别大,若远地潮与低潮重合时,潮差就特别小。

    一日之内,地球上除南北两极及个别地区外,各处的潮汐均有两次涨落,每次周期12小时25分,一日两次,共24小时50分,所以潮汐涨落的时间每天都要推后50分钟。生活在海边有经验的人,大都能推算出潮汐发生的时间。由于地球自转,一天内地球上的任意一点总有一次朝向月球,一次背向月球,所以某海区每天有两次涨潮和落潮。

    太阳系天体中,月球对地球的潮汐作用约为太阳对地球潮汐作用的2.2倍,并远远大于其他天体对地球的潮汐作用。由于月球的潮汐摩擦作用使得地球自转变慢,每天时间变长,平均每一百年一天的长度增加近千分之二秒。同时,由于地球自转变慢,使得月球缓慢向外做螺旋运动,目前月球正以每年3~4厘米的速度远离地球。

    海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中,汹涌而来的海水具有很大的动能,而随着海水水位的升高,就把海水的巨大动能转化为势能;在落潮的过程中,海水奔腾而去,水位逐渐降低,势能又转化为动能。海水在运动中所具有的动能和势能统称为潮汐能。潮汐能的利用方式主要是发电。世界上最大的潮汐电站是建成于1966年的法国朗斯电站,该电站装机容量24万千瓦,年发电量达5.4亿度。中国江厦潮汐电站装机容量3200千瓦,年发电量1亿度。

    潮汐不仅可发电,对捕鱼、产盐及发展航运、海洋生物养殖也有很大影响,而且对于很多军事行动有重要影响。历史上就有许多成功利用潮汐规律而取胜的战例。

    1661年4月21日,郑成功率领两万五千将士从金门岛出发,到达澎湖列岛,进入台湾攻打赤嵌城。郑成功的大军舍弃港阔水深、进出方便、但岸上有重兵把守的大港水道,而选择了鹿耳门水道。鹿耳门水道水浅礁多,航道不仅狭窄且有荷军凿沉的破船堵塞,所以荷军此处设防薄弱。郑成功率领军队乘着涨潮航道变宽且深时,攻其不备,顺流迅速通过鹿耳门,在禾寮港登陆,直奔赤嵌城,一举登陆成功。

    1950年朝鲜战争初期,美军为了改变被动的局面,决定在仁川登陆。仁川港位于朝鲜的西海岸,是亚洲潮差最大的港口,仁川港地区每年有3次最高的大潮,最高时潮差可达9.2米。经过分析计算,美军发现9月15日就有大潮将至,决定利用大潮高涨时实施登陆,穿过了平时原本狭窄、淤泥堆积的飞鱼峡水道和礁滩,出人意料地在仁川港登陆。

    这一切都说明了潮汐现象是有规律的。

    诗人李益以潮汐有规律的来去,弄潮儿按时出没,反衬瞿塘峡地方的商人不讲信义,天天耽误预先约定的归期。潮汐有规律,商人不讲信义二者形成形成鲜明的对比,曲折而传神地表达了这位少妇的怨情。潮汐现象的科学规律成了全诗的灵魂,没有它,商人不讲信义,少妇的怨情,都没有了依据。

    (作者系中国科技馆研究员)

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