潮汐周期為啥是12小時(shí)？地月運(yùn)動(dòng)與引潮力變化全解

我們來(lái)詳細(xì)解釋為什么常見的潮汐周期大約是12小時(shí)一次高潮（半日潮），以及這背后的地月運(yùn)動(dòng)和引潮力變化原理。

核心答案：潮汐周期約為12小時(shí)的根本原因是地球的自轉(zhuǎn)與引潮力場(chǎng)的雙重對(duì)稱性（地球兩側(cè)各有一個(gè)高潮點(diǎn)）相結(jié)合。

理解潮汐的關(guān)鍵不是月球?qū)Φ厍虻?strong>整體引力（這個(gè)引力主要讓地球和月球保持軌道運(yùn)動(dòng)），而是月球引力在地球不同位置產(chǎn)生的差異，也就是引潮力。

引力差異：

• 地球靠近月球的一側(cè)（A點(diǎn)），受到的月球引力最強(qiáng)。
• 地球中心（O點(diǎn)），受到的月球引力適中（代表地球整體受到的引力）。
• 地球遠(yuǎn)離月球的一側(cè)（C點(diǎn)），受到的月球引力最弱。
• 地球側(cè)面（如B點(diǎn)），受到的月球引力介于A點(diǎn)和C點(diǎn)之間，并且方向斜向地球中心。

引潮力的產(chǎn)生：

• 地球作為一個(gè)整體，其質(zhì)心（中心點(diǎn)O）沿著地月系統(tǒng)的公共質(zhì)心軌道運(yùn)動(dòng)。為了維持這個(gè)軌道運(yùn)動(dòng)，地球各點(diǎn)都需要一個(gè)特定的向心力（指向軌道中心）。
• 但是，月球施加在地球各點(diǎn)的實(shí)際引力并不恰好等于維持該點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)所需的向心力。
• 引潮力 = 某點(diǎn)實(shí)際受到的月球引力 - 地球中心點(diǎn)O受到的月球引力。
• 這個(gè)“差異力”就是導(dǎo)致海水（和地殼）發(fā)生形變的真正原因。

引潮力的方向與效果：

• 在靠近月球的A點(diǎn)： 實(shí)際引力 > 中心點(diǎn)O的引力。因此引潮力的方向是背離地球中心O，指向遠(yuǎn)離地球的方向（或者說(shuō)，指向月球）。這導(dǎo)致該點(diǎn)的海水被“拉”起來(lái)，形成高潮。
• 在遠(yuǎn)離月球的C點(diǎn)： 實(shí)際引力 < 中心點(diǎn)O的引力。因此引潮力的方向是背離地球中心O，指向遠(yuǎn)離地球的方向（或者說(shuō)，背向月球）。這同樣導(dǎo)致該點(diǎn)的海水被“推”起來(lái)，形成高潮。 (這是理解兩個(gè)高潮的關(guān)鍵！)
• 在側(cè)面（如B點(diǎn)）： 實(shí)際引力小于A點(diǎn)大于C點(diǎn)，并且方向不是正對(duì)月球。引潮力的方向是指向地球中心O。這導(dǎo)致該點(diǎn)的海水被“壓”向地球內(nèi)部，形成低潮。

• 如上圖所示，引潮力在地球兩側(cè)（A點(diǎn)和C點(diǎn)）形成兩個(gè)高潮隆起區(qū)域（Tidal Bulges）。
• 這兩個(gè)隆起區(qū)域大致位于地球-月球連線上。

• 地球以大約24小時(shí)的周期繞著自己的地軸自西向東旋轉(zhuǎn)。
• 地球表面上的任意一點(diǎn)（比如一個(gè)港口），隨著地球的自轉(zhuǎn)，會(huì)依次經(jīng)過(guò)：
• 靠近月球的高潮隆起區(qū)（A點(diǎn)附近） -> 經(jīng)歷一次高潮
• 側(cè)面低潮區(qū) -> 經(jīng)歷一次低潮
• 遠(yuǎn)離月球的高潮隆起區(qū)（C點(diǎn)附近） -> 再經(jīng)歷一次高潮
• 另一個(gè)側(cè)面低潮區(qū) -> 再經(jīng)歷一次低潮
• 關(guān)鍵點(diǎn)： 因?yàn)榈厍虮砻嫔系狞c(diǎn)需要連續(xù)經(jīng)過(guò)兩個(gè)高潮隆起區(qū)，所以在一個(gè)完整的自轉(zhuǎn)周期（約24小時(shí)）內(nèi)，該點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷兩次高潮和兩次低潮。
• 因此，相鄰兩次高潮之間的時(shí)間間隔大約是24小時(shí) / 2 = 12小時(shí)。這就是半日潮周期約為12小時(shí)的直接原因。

• 上面的簡(jiǎn)化模型假設(shè)月球是靜止不動(dòng)的。但實(shí)際上，月球也在繞地球公轉(zhuǎn)（方向與地球自轉(zhuǎn)相同），周期約為27.3天。
• 這意味著，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)一周（相對(duì)于遙遠(yuǎn)的恒星，約23小時(shí)56分4秒，即一個(gè)恒星日）后，月球在軌道上也向前移動(dòng)了大約360°/27.3 ≈ 13.2°。
• 為了讓地球表面上的同一個(gè)點(diǎn)再次正對(duì)月球（即重新回到原來(lái)相對(duì)于月球的位置），地球需要額外自轉(zhuǎn)大約13.2°。
• 地球自轉(zhuǎn)13.2°所需的時(shí)間約為 (13.2°/360°) * 24小時(shí) ≈ 50分鐘。
• 因此，地球表面上同一點(diǎn)連續(xù)兩次正對(duì)月球（或連續(xù)兩次到達(dá)相同月下點(diǎn)位置）的時(shí)間間隔是：24小時(shí) + 50分鐘 = 24小時(shí)50分鐘。這個(gè)周期稱為太陰日 (Lunar Day)。
• 對(duì)潮汐周期的影響： 在一個(gè)太陰日（約24小時(shí)50分鐘）內(nèi)，地球上的同一點(diǎn)仍然會(huì)經(jīng)歷兩次高潮（經(jīng)過(guò)兩個(gè)隆起區(qū)）。所以，相鄰兩次高潮的實(shí)際平均時(shí)間間隔是：24小時(shí)50分鐘 / 2 = 12小時(shí)25分鐘。
• 我們通常說(shuō)的“12小時(shí)”是理論近似值或平均值，實(shí)際觀測(cè)到的半日潮周期更接近12小時(shí)25分鐘左右。這就是為什么每天的漲潮時(shí)間會(huì)比前一天推遲大約50分鐘的原因。

• 太陽(yáng)也會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生引潮力，形成太陽(yáng)潮汐隆起。太陽(yáng)引潮力的大小大約是月球引潮力的46%。
• 當(dāng)太陽(yáng)、地球、月球大致在一條直線上時(shí)（新月或滿月），太陽(yáng)潮汐和月球潮汐疊加，形成大潮（Spring Tide），高潮特別高，低潮特別低。
• 當(dāng)太陽(yáng)-地球連線與月球-地球連線大致垂直時(shí)（上弦月或下弦月），太陽(yáng)潮汐和月球潮汐部分抵消，形成小潮（Neap Tide），高潮不太高，低潮不太低。
• 太陽(yáng)潮汐的周期： 太陽(yáng)相對(duì)于地球的位置變化主要受地球公轉(zhuǎn)影響（一年一圈），但地球自轉(zhuǎn)仍然是主要因素。地球相對(duì)于太陽(yáng)自轉(zhuǎn)一周的周期是24小時(shí)（一個(gè)太陽(yáng)日）。因此太陽(yáng)引潮力也產(chǎn)生兩個(gè)高潮隆起，在一個(gè)太陽(yáng)日內(nèi)（24小時(shí)）產(chǎn)生兩次高潮，周期約為12小時(shí)（更準(zhǔn)確地說(shuō)是12小時(shí)）。
• 混合作用： 在大多數(shù)地方，月球潮汐占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為明顯的半日潮（12小時(shí)25分鐘周期）。但在某些地方，太陽(yáng)潮汐的影響或當(dāng)?shù)氐匦危ㄈ绾承螤?、水深）?huì)改變潮汐類型，可能形成全日潮（一天一次高潮）或混合潮（高低潮高度差異明顯且周期不完全相等）。

所以，“12小時(shí)”這個(gè)周期本質(zhì)上是地球自轉(zhuǎn)周期（24小時(shí)）與引潮力場(chǎng)固有的雙重對(duì)稱性（兩個(gè)高潮點(diǎn)）共同作用的結(jié)果。 月球公轉(zhuǎn)使其精確值變?yōu)?2小時(shí)25分鐘。