潮汐現象
月球是除了太陽以外,對地球造成重大引力影響的天體,而地球上的海水受到太陽及月球引力的拉扯,會產生週期性的升降漲退現象,稱為潮汐。
當海水漲潮至極大值,我們稱之為滿潮;同樣地,當海水退潮退至最低點,稱之為乾潮。滿潮與乾潮之間的水位差,我們稱之為潮差,其對應到的海岸線,我們稱之為潮間帶。潮間帶因為位處生態交會區,所以各種環境因子的變化非常劇烈,足以影響到生物生存的條件,但也因為如此,潮間帶具有非常多的生物,各自具有高度的適應力,在此地生生不息。
(滿潮乾潮示意圖,取自中央氣象局)
由於月球每天公轉約12度,所以當地球自轉一圈回到原地後,需再額外多轉12度,月亮才會再度出現於中天,而地球自轉12度約需花費50分鐘,因此每天漲潮(退潮)時間會延後50分鐘,潮汐週期約12小時25分鐘。
(潮汐週期示意圖,取自SlidePlayer)
根據日地月之間的相對位置,海水的漲退幅度也有所差異。當日-月-地(新月)或日-地-月(滿月)排成一直線,來自太陽及來自月球的潮汐力效果會有加成效應,因此潮汐現象會出現大潮,同時潮差較大;而若月相是上弦月及下弦月時,潮汐現象會有抵消的效應,因此會出現小潮,同時潮差較小。若颱風發生在大潮的期間,則海邊會相對更加危險,應慎防長浪。
(大潮和小潮示意圖,取自中央氣象局數位科普網)
那潮汐究竟是如何產生的呢?引發潮汐的力量稱為潮汐力,又稱引潮力。眾所周知,天體之間具有萬有引力,而天體互繞時會產生離心力,兩者的合力即為潮汐力,由此可知,潮汐力≠萬有引力。根據計算,潮汐力的大小和距離的三次方成反比,比距離對重力的影響更明顯,所以雖然太陽對地球的引力比月球對地球的引力大得多,然而地球所受到月球產生的潮汐力卻是比來自太陽的潮汐力大得多,月球對地球的潮汐力,大約是太陽的2.2倍。
潮汐力也會引發另一個奇特現象,當兩個天體互繞時,其中一方會受到另一方的潮汐力影響,而逐漸降低自轉的速率,直到最後其自轉的週期與公轉的週期一致,這時稱為潮汐鎖定。以地月系統為例子,當地月系統剛形成時,月球的自轉速率比現在還快,因此月球會變成橢球體,此時月球的長軸將會沿著自轉方向偏移,而不是指向地球中心,因此長軸兩端受到的地球引力將不共線,此合力會形成一個扭矩,方向和月球自轉方向相反,導致月球的自轉受到阻礙,加上因為潮汐力的影響,月球內部的岩石結構也會互相摩擦生熱而消耗動能,因此長久下來,月球的自轉速率便逐漸趨近於公轉速率,直到兩者相等,月球便被地球鎖定了。
事實上,月球對地球的潮汐力也會讓地球的自轉速率變慢,只是因為地球體積較大,質量也較重,所以受影響的程度較輕微,但地球的自轉速率確實有在變慢,只是根據計算,若地球要被月球潮汐鎖定的話,那時太陽早已毀滅,人類可能也已經不復存在了。
(潮汐鎖定,取自Smurrayinchester, CC BY-SA 3.0