大气潮汐
【汉语拼音】daqi chaoxi
【中文词条】大气潮汐
【外文词条】atmospheric tides
由月球的引力作用﹐以及太阳的引力和热力作用所引起的大气压的周期性涨落现象。地球上最接近太阳或月球的一边﹐比远离这些星球的另一边所受到的引力要大﹐因此﹐每当地球绕地轴转动一周时﹐地球上任一指定地点﹐都交替地外于较强和较弱的引力作用之下。与此同时﹐地球上的物体﹐还因地球相对太阳或月球运动而受到一个均匀的惯性离心力的作用﹐它和引力的合力﹐称为引潮力﹐也叫起潮力(见海洋潮汐)。地球上面向或背向太阳或月球的位置﹐引潮力最强﹐因而出现涨潮或高潮﹔在这两个位置最中间的地带﹐引潮力最弱﹐出现落潮或低潮。所以地球每自转一周﹐任一指定地点无论大气或海洋﹐都因为受到这种引潮力的作用而出现两次涨潮和两次落潮﹐它们的周期都为地球自转周期的一半。
分析地面上大气潮汐的气压观测资料发现﹐气压变化可以分解成周期为8﹑12和24小时等调和分量﹐其中半日周期的调和分量最为显著。由太阳引起的大气潮汐称太阳潮﹐其气压变化的半日周期分量最有规律性﹐而且得到很仔细的研究。太阳潮的振幅在赤道附近最大(约1.2百帕)﹐逐渐向两极减小﹔极区的振幅最小﹐且比较均匀(约0.1百帕)﹔在中纬度地带﹐其经向梯度最大。令人惊异的事实是﹕在高纬地区﹐不同经度的气压极值出现在同一世界时（伦敦地方时）﹔而在中纬度和低纬度地区﹐这些极值出现在同一地方时。由月球引起的大气潮汐称太阴潮﹐其气压变化的半日周期分量的振幅比太阳潮同一分量的振幅至少小一个数量级。太阴潮在赤道约为0.08百帕﹐在纬度30处约为0.02百帕。要分析这样小的振幅﹐必须应用更精细的统计方法。
1687年I.牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中首先解释了海洋潮汐现象﹐同时指出﹕引潮力同样会影响大气﹐就像它影响海洋一样。因此﹐大气潮汐的概念可以说是牛顿第一个提出来的。由於月球离地球近﹐太阳离地球远﹐月球引潮力和太阳引潮力的比为11：5﹐因此对海洋而言﹐太阴潮比太阳潮显著。当时令人费解的是﹐为什麼在大气里觉察不到太阴潮。1799～1830年﹐P.-S.拉普拉斯对潮汐现象进行了大量研究。他首先建立了海洋和大气潮汐的动力理论﹐并且认为大气中的气压半日震荡﹐不是由於潮汐力﹐而是由於太阳的热力作用所引起的。但他未能说明为什麼会出现这种半日震荡比全日震荡强许多倍的现象。1882年﹐开尔文从气压变化的谐谱分析出发﹐提出了共振理论。他认为在大气的自由震荡中﹐可能有一个比较接近於12小时的振荡周期。由於共振﹐温度的半日震荡被放大﹐使它的气压反应比周期为24小时的更为强烈。因此﹐虽然周期为半日的引潮力很小﹐但由於热力作用所激发的半日周期气压分波﹐所以半日震荡波却远较全日分波为大。随後﹐J.W.S.瑞利研究了大气的自由震荡周期﹐发现大气有周期为23.8小时和13.7小时的两种震荡﹐因而无法证明开尔文的共振理论。後来﹐H.兰姆﹑S.查普曼和G.I.泰勒对大气震荡问题作了详细的讨论﹐求得相应的自由振汤周期是10.5小时。1937年﹐C.L.皮克利斯采用五层大气模式﹐证明了大气中有周期为10.5小时和12小时的自由振汤。现代的潮汐理论﹐不是从开尔文的单纯温度共振出发﹐而是建立在同时考虑大气动力和热力因子的较复杂的流体力学方程组基础上的理论﹐它包括了太阳热力的重要影响﹐故称为现代动力理论。它可以解释太阳和太阴半日周期的气压振汤﹐以及太阳半日周期分量大於其全日周期分量的事实。
许多研究结果指出﹐大气潮汐不仅在气压场上有反映﹐而且在大气风场﹑地球磁场等方面也有反映。在对流层﹑平流层﹑中层和电离层中都有大气潮汐现象﹐而且在高层和高纬度地区分别比低层和低纬度地区更加明显。