[科普中國(guó)]-潮汐波

研究歷程

在美洲太平洋岸附近的洋面上，探測(cè)到了波高為半英寸的一次潮汐波。這在公海上還是頭一次探測(cè)到這種波，人們可能以為這里所說(shuō)的潮汐波與那些在海岸上摧毀住宅和廠房的海嘯不是一回事?？墒菍?shí)際上，太平洋上巨大的潮汐波也不過(guò)較此略高一點(diǎn)，或許為幾英寸高而已。這些并不常見(jiàn)的波很長(zhǎng)，流速極快，當(dāng)它們?cè)谘匕吨氐饋?lái)的時(shí)候，麻煩就臨頭了。在大陸架的洋面上，堆積起來(lái)的潮汐波一躍變成比房子還要高大并形成飛速奔騰的巨浪，所到之處萬(wàn)物皆被一掃而空，造成十分嚴(yán)重的破壞。為此，采取某些辦法在公海上對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)是有其意義的1。

觀測(cè)到這種半英寸潮汐波的是法國(guó)海洋學(xué)家弗露(J. Filloux)博士，他現(xiàn)在在加州斯克里普斯海洋研究所工作。弗露和他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組曾把一些壓力探測(cè)器安裝在太平洋東北部海底的不同位置上。這些探測(cè)器每分鐘對(duì)其上面的水的重量進(jìn)行兩次記錄，并能靈敏地測(cè)出水位高度的微量變化1。

弗露經(jīng)常采集一些記錄結(jié)果，帶回加州進(jìn)行分析。目前，他已經(jīng)在其中一份記錄里發(fā)現(xiàn)了一系列潮汐波經(jīng)過(guò)的清晰記錄。海嘯不是潮汐引起的，而是由于海底地震突然改變海洋水位造成的。在弗露記錄的一開(kāi)始，就出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，沿此波動(dòng)可追蹤到墨西哥海岸附近的海洋里發(fā)生的一次地震。弗露認(rèn)為，這次記錄到的波動(dòng)并非來(lái)自海洋水位變化，而是該次地震首波穿過(guò)侮底巖石，到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)引起的。其后九十分鐘左右，壓力值呈現(xiàn)出一種緩慢而有規(guī)則的振蕩，這種振蕩似乎與巖體運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，但肯定與洋面的波動(dòng)有關(guān)。在大約兩個(gè)小時(shí)之間，海水似乎在半英寸上下發(fā)生了四次漲落。波的到時(shí)及其傳播所需的時(shí)間恰好是人們對(duì)這次墨西哥地震導(dǎo)致一場(chǎng)海嘯所預(yù)期的到時(shí)及其傳播所需時(shí)間1。

這樣看來(lái)，弗露確實(shí)探測(cè)到了海嘯傳播情況，而且他也應(yīng)能用他的其它探測(cè)器再次探測(cè)到同樣情況。照理說(shuō)，只要壓力波信號(hào)能夠在警報(bào)來(lái)得及生效的時(shí)間內(nèi)通過(guò)水面浮標(biāo)或人造衛(wèi)星自動(dòng)傳輸?shù)疥懙厣蟻?lái)，就可以用以發(fā)布警報(bào)。目前，唯一的警報(bào)是在我們已經(jīng)知道的能導(dǎo)致海嘯的地區(qū)發(fā)生地震的跡象，然而鑒于這些地震中引起破壞性波浪中差不多只有五分之一，人們有時(shí)就不太愿意嚴(yán)肅對(duì)待這些警報(bào)了。壓力波探測(cè)結(jié)果與地震觀測(cè)結(jié)果分析相結(jié)合，有可能就即將降臨的海嘯及其大小發(fā)布更加可靠的警報(bào)，但人造衛(wèi)星記錄系統(tǒng)的費(fèi)用昂貴令人望而生畏1。

形成原因地球的自轉(zhuǎn)決定了地球上晝夜的更替，并使地表一些自然地理過(guò)程具有晝夜節(jié)奏，還使運(yùn)動(dòng)物體如氣團(tuán)、洋流和流水發(fā)生偏轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)造成同一時(shí)刻地球的不同的經(jīng)線上具有不同的地方時(shí)間，還使潮汐轉(zhuǎn)變?yōu)榕c自轉(zhuǎn)方向相反的潮汐波。

有研究表示一些潮汐波是因?yàn)榧淄榈拇髿馀萆仙剿妗＿@種巨大的氣泡會(huì)產(chǎn)生是因?yàn)榧淄樵诤５着懦鰰r(shí)堵住，然后氣壓增加到最后氣體突然爆破并快速的升到海面，因此產(chǎn)生潮汐。研究顯示這樣的氣泡可以極輕易和快速的使模型船沉沒(méi)。

潮汐波與地震波地殼形變是地殼對(duì)構(gòu)造應(yīng)力和地外天體起潮力以及其他荷載作用下發(fā)生的變形。隨著作用力的頻率不同，地殼會(huì)產(chǎn)生不同周期的振動(dòng)。固體潮和地震是地面振動(dòng)周期的兩種極端情況，它們的振動(dòng)波形分別稱為固體潮汐波和地震波。固體潮汐波包括重力、傾斜和應(yīng)變固體潮汐波，以下統(tǒng)稱為潮汐波?！安ㄒ喾Q波動(dòng)，振動(dòng)傳播的過(guò)程，是能量傳播的一種形式”，而振動(dòng)又是“物體經(jīng)過(guò)平衡位置而往復(fù)變化的過(guò)程”。既然潮汐波與地震波皆稱為波，它們就具有振動(dòng)傳播過(guò)程的一些共同特點(diǎn)，但由于產(chǎn)生這兩種波的力源不同，因此也有許多不同之處2。

潮汐波與地震波的相似之處（1）固體地球?qū)Σ煌?lì)力的振動(dòng)響應(yīng)潮汐波與地震波皆為固體地球?qū)ζ鸪绷驼鹪醇?lì)的地面響應(yīng)，其響應(yīng)形式表現(xiàn)為一種振動(dòng)2。

(2)地球的彈性行為

由于地球介質(zhì)介于流體和剛體之間，因此一般說(shuō)來(lái)，地殼形變的大小或形式與作用力的作用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，如果變形力的作用時(shí)間很短，或變形力變化速率很快，則地球表現(xiàn)為彈性。對(duì)固體潮分析表明，在歷時(shí)長(zhǎng)一些的應(yīng)力循環(huán)作用下，構(gòu)造圈對(duì)微弱的應(yīng)力改變的響應(yīng)基本上是彈性的。而對(duì)于傳播速度很大，對(duì)施加給巖石的應(yīng)力為短暫的、能量消失又是很小的地震波來(lái)說(shuō)，更接受巖石為完全彈性的假設(shè)2。

（3）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的不同振動(dòng)形式

根據(jù)文獻(xiàn)[ 7] ，“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)或物體相對(duì)于中心點(diǎn)以周期運(yùn)動(dòng)的形式沿一條直線所作的一種振動(dòng)”，其普適表達(dá)式一般可表示成隨時(shí)間變化的余弦函數(shù)2。

潮汐波與地震波的不同之處（1）力源不同

潮汐波的力源為起潮力。起潮力為天體對(duì)地球某點(diǎn)的萬(wàn)有引力與對(duì)地心的萬(wàn)有引力之差。之所以要在天體對(duì)地球某點(diǎn)的萬(wàn)有引力中減去天體對(duì)地心的萬(wàn)有引力，是因?yàn)樵诘厍驀@地月公共質(zhì)心作平動(dòng)時(shí)，地球的所有質(zhì)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生如同天體對(duì)地心的萬(wàn)有引力一樣的作用力。這種處處相同的作用力不會(huì)使地球產(chǎn)生形變，只會(huì)使整個(gè)地球如同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)一般作加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可使地心處的起潮力為02。

1922年，杜德森按幅角數(shù)將上述的起潮力位表示成振幅系數(shù)乘以相應(yīng)的起潮力位的大地系數(shù)的386個(gè)波之和。

地震波是由震源擾動(dòng)產(chǎn)生的。目前震源模式主要有斷裂源和體積源。人工地震采用體積源，構(gòu)造地震采用斷裂源。斷裂源是同地殼內(nèi)部斷層面相對(duì)滑動(dòng)有關(guān)的。斷層面滑動(dòng)所產(chǎn)生的斷層面破裂可認(rèn)為是由許多點(diǎn)破裂疊加而成的。因此，地震波可以看作是由許多不同震相的脈沖疊加而成的2。

(2)能量傳播方式不同

潮汐作用實(shí)際上是一種將能量從一個(gè)天體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)天體的機(jī)制[川。而地球上某一質(zhì)點(diǎn)的潮汐波的能量傳播是以地球每個(gè)質(zhì)點(diǎn)(除地心以外)相對(duì)于其平衡位置作微弱振動(dòng)時(shí)所伴隨的勢(shì)能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行的。由于天體的起潮力是持續(xù)不斷的，因此，潮汐波的能量傳播也是持久不衰的，不過(guò)能量的傳播僅限于質(zhì)點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)的非常小的范圍內(nèi)，它不能像地震波那樣向四周傳播，除了在該點(diǎn)外，其它地方觀測(cè)不到該點(diǎn)的潮汐波。

地震波是從地震震源向四處傳播的振動(dòng)。而地震能量則是由震源提供并以各種地震波的波速向四周傳播，一次強(qiáng)地震，全球各地的地震臺(tái)都可觀測(cè)到。對(duì)于有感地震的地震波，我們可以親身感受到，而潮汐波因振幅太小，只有極靈敏的儀器才能觀測(cè)到2。

（3）記錄波形不同

潮汐波是由長(zhǎng)周期波、日波、半日波和1/3日波疊加而成的。在周日波的背景上，我們可清楚辨別出半日波的雙峰雙谷形態(tài)。由于天體的存在，潮汐波曲線是一條生生不息的連續(xù)曲線。

地震波是由許多稱為震相的脈沖波組組成，這些震相是由沿不同射線穿過(guò)地球傳播的能量所引起的。在一次地震的記錄中，振幅和頻率的任何變化稱為震相，主要的震相有P，S和L，它們分別代表縱波、橫波和面波。由P波至L波，其特征是周期一個(gè)比一個(gè)長(zhǎng)，周期范圍大約從幾分之一秒至50幾分鐘，其中最長(zhǎng)的那些周期對(duì)應(yīng)于由大地震所激發(fā)的地球自由振蕩。由于組成震相的脈沖波組都有一定的持續(xù)時(shí)間，所以不同震相的波形互相重疊，產(chǎn)生干涉，使地震圖呈現(xiàn)復(fù)雜的圖形，以致在

一般情況下，只能識(shí)別震相的起始[“]。隨著地震能量的衰減，地震記錄曲線會(huì)很快地衰減下來(lái)2。

（4）頻譜結(jié)構(gòu)不同

潮汐波的頻譜是線譜，因?yàn)樗怯稍S多不同頻率的分波疊加而成。

地震波的頻譜是連續(xù)譜，因?yàn)榈卣鸩ㄊ怯稍S多稱為震相的脈沖組成。地震產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間短、頻譜相當(dāng)寬的復(fù)雜振動(dòng)。因此，地震波的譜是連續(xù)譜，但又不是平譜2。

（5）觀測(cè)手段不同

潮汐波有重力、傾斜和應(yīng)變固體潮。重力和傾斜固體潮要分別用重力儀和傾斜儀進(jìn)行觀測(cè)。而觀測(cè)應(yīng)變固體潮要采用應(yīng)變儀，應(yīng)變觀測(cè)僅限于地面某一方位上的地表脹縮。剪切應(yīng)變分量目前還無(wú)法觀測(cè)，只能間接計(jì)算。

同一臺(tái)地震儀，可先后記錄到地面的P波(脹縮)和S波(剪切)以及面波。雖然地震源附近P波和S波的等位面十分接近，但在較遠(yuǎn)的地方，波陣面就分開(kāi)了，所以可被同一臺(tái)地震儀先后記錄到。繼S波后，還可記錄到沿地表附近傳播的面波。

不過(guò)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地殼形變和地震觀測(cè)。由于數(shù)字觀測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、分辨率高，今天應(yīng)變觀測(cè)儀除固體潮外，也可以記錄到地震應(yīng)變波。寬頻帶地震儀同樣可以記錄到固體潮2。

(6)波形的生成不一樣

潮汐波是由許多波群疊加而成，而每一波群又由許多角頻率十分接近的分波組成。因此，這些波疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象，即所謂的拍。

地震波有體波和面波，體波在界面上會(huì)產(chǎn)生波的反射、折射和衍射，面波在界面上會(huì)產(chǎn)生偏振現(xiàn)象。在成層或速度隨深度變化的介質(zhì)中，還會(huì)產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，此時(shí)，地震能量不是以相速度而是以群速度傳播，結(jié)果使面波波群變得越來(lái)越疏散，振幅也隨之衰減2。

潮汐波的主要特征潮汐波的力源為天體的起潮力。起潮力本質(zhì)上為萬(wàn)有引力。根據(jù)牛頓經(jīng)典理論，萬(wàn)有引力是一種超距力，是一種瞬時(shí)作用力，但實(shí)際上是不存在這種作用力的。根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，作加速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量會(huì)向外幅射引力波，天體作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)向外幅射引力波。引力波以光速傳播的假設(shè)是愛(ài)因斯坦建構(gòu)時(shí)空概念的廣義相對(duì)論的核心。該理論自1915年問(wèn)世以來(lái)，從未被人測(cè)試過(guò)，時(shí)至今日，該理論已被美國(guó)科學(xué)家所證實(shí)①。因此，在同一歷元天體發(fā)出的引力波作用于地球各處的時(shí)間是不盡相同的，但考慮到地球的空間尺度，可不考慮引力波對(duì)地球各點(diǎn)作用的時(shí)間差。當(dāng)然，這僅是一家之言，因?yàn)橛械目茖W(xué)家宣稱，光速并不是固定不變的，這對(duì)愛(ài)因斯坦相對(duì)論提出了挑戰(zhàn)。因此，有關(guān)引力或重力的本質(zhì)問(wèn)題目前還無(wú)定論。但不管怎樣，在任一時(shí)刻，彈性地球在起潮力作用下變成了一個(gè)沿天體方向微微被拉長(zhǎng)了的橢球體。這種由于不能用自由下落“消除”的月球引力場(chǎng)的一般特征正是潮汐效應(yīng)，其潮汐形變的大小與離開(kāi)月球吸引中心的距離成反立方律、而不是像萬(wàn)有引力那樣的反平方律關(guān)系2。

作為對(duì)起潮力的響應(yīng)，可把地球看作為一個(gè)彈性的線性時(shí)不變系統(tǒng)。因此，從本質(zhì)上而言，地球上任一點(diǎn)的潮汐波可以認(rèn)為是該系統(tǒng)對(duì)起潮力位中各個(gè)簡(jiǎn)諧分量的響應(yīng)的疊加。其中每一分波只具有振幅、角頻率和初相這3種要素。潮汐波的波形不像地震波那樣是震源擾動(dòng)的傳播，它僅是彈性地球某質(zhì)點(diǎn)的某個(gè)物理量(如重力、傾斜、應(yīng)變)相對(duì)于平衡位置的一種隨時(shí)間的振動(dòng)，而不具有質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在地球內(nèi)部和地表傳播的速度。從這個(gè)意義上說(shuō)，潮汐波實(shí)質(zhì)上不是一種波，僅是某質(zhì)點(diǎn)的一種簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加2。

潮汐波的另一特征是它的理論值可以預(yù)先計(jì)算出來(lái)。重力和傾斜固體潮是采用剛體地震模型，而應(yīng)變固體潮是采用古登堡一布倫地球模型。真實(shí)地球?qū)ζ鸪绷憫?yīng)的傳遞函數(shù)與地球模型對(duì)起潮力響應(yīng)的傳遞函數(shù)之比稱為潮汐導(dǎo)納。潮汐導(dǎo)納是個(gè)復(fù)數(shù)，其振幅稱為潮汐因子，其相位稱為相位滯后，潮汐導(dǎo)納可采用維尼迪柯夫調(diào)和分析方法計(jì)算出來(lái)。重力、傾斜和體應(yīng)變固體潮觀測(cè)值的潮汐因子皆為勒夫數(shù)的線性組合。地球模型越接近于真實(shí)地球，潮汐因子就越接近于1，相位滯后越接近于零2。

災(zāi)害臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”2003年9月在越南北部登陸后，由北向南繼續(xù)前進(jìn)，抵達(dá)位于越南東北部的南定省，造成高達(dá)2.6米的潮汐波，這是過(guò)去40年來(lái)潮汐波的最高紀(jì)錄。此外，臺(tái)風(fēng)還破壞了多處沿海堤圍，數(shù)千棵樹(shù)及電線桿被吹倒，電話通訊也因此中斷。研究顯示，潮汐波又稱畸形波可卷至30米（100英尺）高，足以在瞬間打沉大船。潮汐波非常罕見(jiàn)，但在一些海流，潮汐波就偶爾發(fā)生?，F(xiàn)在，潮汐波被假定為近年許多船舶無(wú)故失蹤的成因3。