潮汐波

地球表面的周期性波动

潮汐波（tidal wave ）是指由由太阳、月球及其他天体的引潮力作用而产生潮汐现象所产生的地球表面的周期性波动。

研究历程

在美洲太平洋岸附近的洋面上，探测到了波高为半英寸的一次潮汐波。这在公海上还是头一次探测到这种波，人们可能以为这里所说的潮汐波与那些在海岸上摧毁住宅和厂房的海啸不是一回事。可是实际上，太平洋上巨大的潮汐波也不过较此略高一点，或许为几英寸高而已。这些并不常见的波很长，流速极快，当它们在沿岸重迭起来的时候，麻烦就临头了。在大陆架的洋面上，堆积起来的潮汐波一跃变成比房子还要高大并形成飞速奔腾的巨浪，所到之处万物皆被一扫而空，造成十分严重的破坏。为此，采取某些办法在公海上对它们进行探测是有其意义的。

观测到这种半英寸潮汐波的是法国海洋学家弗露(J. Filloux)博士，他现在在加州斯克里普斯海洋研究所工作。弗露和他所领导的研究小组曾把一些压力探测器安装在太平洋东北部海底的不同位置上。这些探测器每分钟对其上面的水的重量进行两次记录，并能灵敏地测出水位高度的微量变化。

弗露经常采集一些记录结果，带回加州进行分析。他已经在其中一份记录里发现了一系列潮汐波经过的清晰记录。海啸不是潮汐引起的，而是由于海底地震突然改变海洋水位造成的。在弗露记录的一开始，就出现剧烈的波动，沿此波动可追踪到墨西哥海岸附近的海洋里发生的一次地震。弗露认为，这次记录到的波动并非来自海洋水位变化，而是该次地震首波穿过海底岩石，到达观测点时引起的。其后九十分钟左右，压力值呈现出一种缓慢而有规则的振荡，这种振荡似乎与岩体运动无关，但肯定与洋面的波动有关。在大约两个小时之间，海水似乎在半英寸上下发生了四次涨落。波的到时及其传播所需的时间恰好是人们对这次墨西哥地震导致一场海啸所预期的到时及其传播所需时间。

这样看来，弗露确实探测到了海啸传播情况，而且他也应能用他的其它探测器再次探测到同样情况。照理说，只要压力波信号能够在警报来得及生效的时间内通过水面浮标或人造卫星自动传输到陆地上来，就可以用以发布警报。唯一的警报是在我们已经知道的能导致海啸的地区发生地震的迹象，然而鉴于这些地震中引起破坏性波浪中差不多只有五分之一，人们有时就不太愿意严肃对待这些警报了。压力波探测结果与地震观测结果分析相结合，有可能就即将降临的海啸及其大小发布更加可靠的警报，但人造卫星记录系统的费用昂贵令人望而生畏。

形成原因

地球的自转决定了地球上昼夜的更替，并使地表一些自然地理过程具有昼夜节奏，还使运动物体如气团、洋流和流水发生偏转。地球自转造成同一时刻地球的不同的经线上具有不同的地方时间，还使潮汐转变为与自转方向相反的潮汐波。

有研究表示一些潮汐波是因为甲烷的大气泡上升到水面。这种巨大的气泡会产生是因为甲烷在海底排出时堵住，然后气压增加到最后气体突然爆破并快速的升到海面，因此产生潮汐。研究显示这样的气泡可以极轻易和快速的使模型船沉没。

潮汐波与地震波

地壳形变是地壳对构造应力和地外天体起潮力以及其他荷载作用下发生的变形。随着作用力的频率不同，地壳会产生不同周期的振动。固体潮和地震是地面振动周期的两种极端情况，它们的振动波形分别称为固体潮汐波和地震波。固体潮汐波包括重力、倾斜和应变固体潮汐波，以下统称为潮汐波。“波亦称波动，振动传播的过程，是能量传播的一种形式”，而振动又是“物体经过平衡位置而往复变化的过程”。既然潮汐波与地震波皆称为波，它们就具有振动传播过程的一些共同特点，但由于产生这两种波的力源不同，因此也有许多不同之处。

潮汐波与地震波的相似之处

（1）固体地球对不同激励力的振动响应潮汐波与地震波皆为固体地球对起潮力和震源激励的地面响应，其响应形式表现为一种振动。

(2)地球的弹性行为

由于地球介质介于流体和刚体之间，因此一般说来，地壳形变的大小或形式与作用力的作用时间的长短有关，如果变形力的作用时间很短，或变形力变化速率很快，则地球表现为弹性。对固体潮分析表明，在历时长一些的应力循环作用下，构造圈对微弱的应力改变的响应基本上是弹性的。而对于传播速度很大，对施加给岩石的应力为短暂的、能量消失又是很小的地震波来说，更接受岩石为完全弹性的假设。

（3）简谐运动的不同振动形式

根据文献[ 7] ，“简谐运动是一个质点或物体相对于中心点以周期运动的形式沿一条直线所作的一种振动”，其普适表达式一般可表示成随时间变化的余弦函数。

潮汐波与地震波的不同之处

（1）力源不同

潮汐波的力源为起潮力。起潮力为天体对地球某点的万有引力与对地心的万有引力之差。之所以要在天体对地球某点的万有引力中减去天体对地心的万有引力，是因为在地球围绕地月公共质心作平动时，地球的所有质点都会产生如同天体对地心的万有引力一样的作用力。这种处处相同的作用力不会使地球产生形变，只会使整个地球如同一个质点一般作加速运动，同时可使地心处的起潮力为0。

1922年，杜德森按幅角数将上述的起潮力位表示成振幅系数乘以相应的起潮力位的大地系数的386个波之和。

地震波是由震源扰动产生的。震源模式主要有断裂源和体积源。人工地震采用体积源，构造地震采用断裂源。断裂源是同地壳内部断层面相对滑动有关的。断层面滑动所产生的断层面破裂可认为是由许多点破裂叠加而成的。因此，地震波可以看作是由许多不同震相的脉冲叠加而成的。

(2)能量传播方式不同

潮汐作用实际上是一种将能量从一个天体转移到另一个天体的机制[川。而地球上某一质点的潮汐波的能量传播是以地球每个质点(除地心以外)相对于其平衡位置作微弱振动时所伴随的势能和动能转换形式进行的。由于天体的起潮力是持续不断的，因此，潮汐波的能量传播也是持久不衰的，不过能量的传播仅限于质点作简谐振动的非常小的范围内，它不能像地震波那样向四周传播，除了在该点外，其它地方观测不到该点的潮汐波。

地震波是从地震震源向四处传播的振动。而地震能量则是由震源提供并以各种地震波的波速向四周传播，一次强地震，全球各地的地震台都可观测到。对于有感地震的地震波，我们可以亲身感受到，而潮汐波因振幅太小，只有极灵敏的仪器才能观测到。

（3）记录波形不同

潮汐波是由长周期波、日波、半日波和1/3日波叠加而成的。在周日波的背景上，我们可清楚辨别出半日波的双峰双谷形态。由于天体的存在，潮汐波曲线是一条生生不息的连续曲线。

地震波是由许多称为震相的脉冲波组组成，这些震相是由沿不同射线穿过地球传播的能量所引起的。在一次地震的记录中，振幅和频率的任何变化称为震相，主要的震相有P，S和L，它们分别代表纵波、横波和面波。由P波至L波，其特征是周期一个比一个长，周期范围大约从几分之一秒至50几分钟，其中最长的那些周期对应于由大地震所激发的地球自由振荡。由于组成震相的脉冲波组都有一定的持续时间，所以不同震相的波形互相重叠，产生干涉，使地震图呈现复杂的图形，以致在

一般情况下，只能识别震相的起始[“]。随着地震能量的衰减，地震记录曲线会很快地衰减下来。

（4）频谱结构不同

潮汐波的频谱是线谱，因为它是由许多不同频率的分波叠加而成。

地震波的频谱是连续谱，因为地震波是由许多称为震相的脉冲组成。地震产生持续时间短、频谱相当宽的复杂振动。因此，地震波的谱是连续谱，但又不是平谱。

（5）观测手段不同

潮汐波有重力、倾斜和应变固体潮。重力和倾斜固体潮要分别用重力仪和倾斜仪进行观测。而观测应变固体潮要采用应变仪，应变观测仅限于地面某一方位上的地表胀缩。剪切应变分量还无法观测，只能间接计算。

同一台地震仪，可先后记录到地面的P波(胀缩)和S波(剪切)以及面波。虽然地震源附近P波和S波的等位面十分接近，但在较远的地方，波阵面就分开了，所以可被同一台地震仪先后记录到。继S波后，还可记录到沿地表附近传播的面波。

不过，随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的长足进步，数字化观测技术已广泛应用于地壳形变和地震观测。由于数字观测的动态范围大、频带宽、分辨率高，今天应变观测仪除固体潮外，也可以记录到地震应变波。宽频带地震仪同样可以记录到固体潮。

(6)波形的生成不一样

潮汐波是由许多波群叠加而成，而每一波群又由许多角频率十分接近的分波组成。因此，这些波叠加时会产生调制现象，即所谓的拍。

地震波有体波和面波，体波在界面上会产生波的反射、折射和衍射，面波在界面上会产生偏振现象。在成层或速度随深度变化的介质中，还会产生频散现象，此时，地震能量不是以相速度而是以群速度传播，结果使面波波群变得越来越疏散，振幅也随之衰减。

潮汐波的主要特征

潮汐波的力源为天体的起潮力。起潮力本质上为万有引力。根据牛顿经典理论，万有引力是一种超距力，是一种瞬时作用力，但实际上是不存在这种作用力的。根据爱因斯坦广义相对论，作加速运动的质量会向外辐射引力波，天体作轨道运动时，也会向外辐射引力波。引力波以光速传播的假设是爱因斯坦建构时空概念的广义相对论的核心。该理论自1915年问世以来，从未被人测试过，时至今日，该理论已被美国科学家所证实①。因此，在同一历元天体发出的引力波作用于地球各处的时间是不尽相同的，但考虑到地球的空间尺度，可不考虑引力波对地球各点作用的时间差。当然，这仅是一家之言，因为有的科学家宣称，光速并不是固定不变的，这对爱因斯坦相对论提出了挑战。因此，有关引力或重力的本质问题还无定论。但不管怎样，在任一时刻，弹性地球在起潮力作用下变成了一个沿天体方向微微被拉长了的椭球体。这种由于不能用自由下落“消除”的月球引力场的一般特征正是潮汐效应，其潮汐形变的大小与离开月球吸引中心的距离成反立方律、而不是像万有引力那样的反平方律关系。

作为对起潮力的响应，可把地球看作为一个弹性的线性时不变系统。因此，从本质上而言，地球上任一点的潮汐波可以认为是该系统对起潮力位中各个简谐分量的响应的叠加。其中每一分波只具有振幅、角频率和初相这3种要素。潮汐波的波形不像地震波那样是震源扰动的传播，它仅是弹性地球某质点的某个物理量(如重力、倾斜、应变)相对于平衡位置的一种随时间的振动，而不具有质点振动在地球内部和地表传播的速度。从这个意义上说，潮汐波实质上不是一种波，仅是某质点的一种简谐振动的叠加。

潮汐波的另一特征是它的理论值可以预先计算出来。重力和倾斜固体潮是采用刚体地震模型，而应变固体潮是采用古登堡一布伦地球模型。真实地球对起潮力响应的传递函数与地球模型对起潮力响应的传递函数之比称为潮汐导纳。潮汐导纳是个复数，其振幅称为潮汐因子，其相位称为相位滞后，潮汐导纳可采用维尼迪柯夫调和分析方法计算出来。重力、倾斜和体应变固体潮观测值的潮汐因子皆为勒夫数的线性组合。地球模型越接近于真实地球，潮汐因子就越接近于1，相位滞后越接近于零。

灾害

台风“达维”2003年9月在越南北部登陆后，由北向南继续前进，抵达位于越南东北部的南定省，造成高达2.6米的潮汐波，这是过去40年来潮汐波的最高纪录。此外，台风还破坏了多处沿海堤围，数千棵树及电线杆被吹倒，电话通讯也因此中断。研究显示，潮汐波又称畸形波可卷至30米（100英尺）高，足以在瞬间打沉大船。潮汐波非常罕见，但在一些海流，潮汐波就偶尔发生。现在，潮汐波被假定为近年许多船舶无故失踪的成因。

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