地球固體潮

地球固體潮是在日、月引潮力的作用下,固體地球產生的周期形變的現象。

地球固體潮

月球和太陽對地球的引力不但可以引起地球表面流體的潮汐(如海潮、大氣潮),還能引起地球固體部分的周期性形變。太陽的質量雖然比月球的質量大,但月球同地球的距離比太陽同地球的距離近,月球的引潮力比太陽的引潮力大(前者是後者的2.25倍)。由於其他天體距地球甚遠,對地球的引力甚微,在固體潮的研究中一般可略而不計。引潮力是作用在地球的單位質點上的日、月引力和地球繞地月(和地日)公共質心鏇轉所產生的慣性離心力的合力。隨著作用點的位置不同和日、月相對於地球的位置變化,引潮力的大小、方向也發生改變。受固體潮的影響,地面不停的變形,影響到各種測量數據的精確度。精密大地測量結果應加入相應的修正。現在重力觀測精度已達到10~20微伽的量級,而重力潮汐變化影響的最大幅度可達±130微伽,故須加入改正。衛星雷射測距精度達到3厘米,而地面測站的垂直潮汐形變達到30~40厘米的幅度,必須加以改正。固體潮的變化對衛星軌道也有攝動作用,所以在衛星軌道設計中必須顧及這一影響。
地球的固體部分並不是完全的剛體。地殼上層具有一定的剛性,地幔物質具有某種塑性,地核外層為液態(見地球內部的構造和物理性質)。固體潮使大地水準面的形狀發生周期性的變化,局部發生傾斜,面上的重力值也發生變化。引潮力使地球各部分發生形變,並引起地球密度的變化,由此產生附加的引力位。到目前為止,在引起固體地球形變的種種因素(例如冰雪和海水的負荷、大陸漂移、岩石層的構造運動,等等)中,還只有固體潮能從理論上預先計算出引起形變的作用力。由於對地球內部構造模式的改進,現在已有可能以相當高的精度估算出地麵點由於固體潮產生的形變數,從而可為精密大地測量工作提供地面變形的改正數據;在天文學中,可用於研究地球自轉、極移和歲差、章動等現象;在地球物理學中,可用於研究地球內部構造。
研究簡史早在1876年,英國的開爾文(Kelvin)從地球形變的跡象中提出地球是彈性體而不是完全剛體的觀點。這種跡象主要表現為天文觀測中的一些偏差,但當時沒有觀測固體潮的手段,不能加以驗證。19世紀60年代,德國的策爾納(J.K.F.Z╂llner)研製成功水平擺,並於80年代用於實際觀測。但由於受到當時觀測技術和理論研究水平的限制,其觀測數據仍不能用於驗證地球的彈性問題。一般認為最可能的驗證是利用海潮的觀測數據,但海潮是不遵守平衡潮規律的,所以,直到1883年英國的達爾文(G.H.Darwin)對海潮觀測中長周期分量的數據進行比較,發現它只有理論值的2/3,他認為所損失的1/3是由於地球的固體表面發生與海水類似的周期性漲落所致,從而驗證了固體潮的存在。20世紀50年代,隨著精密儀器的出現,特別是有了精密重力儀,固體潮的觀測和研究才有了實際的可能。1957年國際地球物理年期間,世界上開始了系統的固體潮觀測和研究工作。
理論引潮力作用在地球的單位質點上的日、月引力和地球繞地月(和地日)公共質心鏇轉所產生的慣性離心力的合力稱為引潮力。隨著作用點的位置不同和日、月相對於地球的位置變化,引潮力的大小和方向也發生改變。下圖表示在某一時刻地球上某一地點A所受到的月球引潮力的情況。圖中P為地球繞地月公共質心鏇轉的慣性離心力,F為月球的引力,G為月球的引潮力,在此影響下,A點移到A'的位置,整個地球由此引起的形變如圖中虛線所示。太陽對地球的引潮力也與此類似。

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