潮汐波

在美洲太平洋岸附近的洋麪上，探測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到這種波，人們可能以為這裏所説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。可是實際上，太平洋上巨大的潮汐波也不過較此略高一點，或許為幾英寸高而已。這些並不常見的波很長，流速極快，當它們在沿岸重迭起來的時候，麻煩就臨頭了。在大陸架的洋麪上，堆積起來的潮汐波一躍變成比房子還要高大並形成飛速奔騰的巨浪，所到之處萬物皆被一掃而空，造成十分嚴重的破壞。為此，採取某些辦法在公海上對它們進行探測是有其意義的 ^[1]  。

觀測到這種半英寸潮汐波的是法國海洋學家弗露(J. Filloux)博士，他現在在加州斯克裏普斯海洋研究所工作。弗露和他所領導的研究小組曾把一些壓力探測器安裝在太平洋東北部海底的不同位置上。這些探測器每分鐘對其上面的水的重量進行兩次記錄，並能靈敏地測出水位高度的微量變化 ^[1]  。

弗露經常採集一些記錄結果，帶回加州進行分析。他已經在其中一份記錄裏發現了一系列潮汐波經過的清晰記錄。海嘯不是潮汐引起的，而是由於海底地震突然改變海洋水位造成的。在弗露記錄的一開始，就出現劇烈的波動，沿此波動可追蹤到墨西哥海岸附近的海洋裏發生的一次地震。弗露認為，這次記錄到的波動並非來自海洋水位變化，而是該次地震首波穿過海底岩石，到達觀測點時引起的。其後九十分鐘左右，壓力值呈現出一種緩慢而有規則的振盪，這種振盪似乎與巖體運動無關，但肯定與洋麪的波動有關。在大約兩個小時之間，海水似乎在半英寸上下發生了四次漲落。波的到時及其傳播所需的時間恰好是人們對這次墨西哥地震導致一場海嘯所預期的到時及其傳播所需時間 ^[1]  。

這樣看來，弗露確實探測到了海嘯傳播情況，而且他也應能用他的其它探測器再次探測到同樣情況。照理説，只要壓力波信號能夠在警報來得及生效的時間內通過水麪浮標或人造衞星自動傳輸到陸地上來，就可以用以發佈警報。唯一的警報是在我們已經知道的能導致海嘯的地區發生地震的跡象，然而鑑於這些地震中引起破壞性波浪中差不多隻有五分之一，人們有時就不太願意嚴肅對待這些警報了。壓力波探測結果與地震觀測結果分析相結合，有可能就即將降臨的海嘯及其大小發布更加可靠的警報，但人造衞星記錄系統的費用昂貴令人望而生畏 ^[1]  。

地球的自轉決定了地球上晝夜的更替，並使地表一些自然地理過程具有晝夜節奏，還使運動物體如氣團、洋流和流水發生偏轉。地球自轉造成同一時刻地球的不同的經線上具有不同的地方時間，還使潮汐轉變為與自轉方向相反的潮汐波。

有研究表示一些潮汐波是因為甲烷的大氣泡上升到水面。這種巨大的氣泡會產生是因為甲烷在海底排出時堵住，然後氣壓增加到最後氣體突然爆破並快速的升到海面，因此產生潮汐。研究顯示這樣的氣泡可以極輕易和快速的使模型船沉沒。

地殼形變是地殼對構造應力和地外天體起潮力以及其他荷載作用下發生的變形。隨着作用力的頻率不同，地殼會產生不同週期的振動。固體潮和地震是地面振動週期的兩種極端情況，它們的振動波形分別稱為固體潮汐波和地震波。固體潮汐波包括重力、傾斜和應變固體潮汐波，以下統稱為潮汐波。“波亦稱波動，振動傳播的過程，是能量傳播的一種形式”，而振動又是“物體經過平衡位置而往復變化的過程”。既然潮汐波與地震波皆稱為波，它們就具有振動傳播過程的一些共同特點，但由於產生這兩種波的力源不同，因此也有許多不同之處 ^[2]  。

（1）固體地球對不同激勵力的振動響應潮汐波與地震波皆為固體地球對起潮力和震源激勵的地面響應，其響應形式表現為一種振動 ^[2]  。

(2)地球的彈性行為

由於地球介質介於流體和剛體之間，因此一般説來，地殼形變的大小或形式與作用力的作用時間的長短有關，如果變形力的作用時間很短，或變形力變化速率很快，則地球表現為彈性。對固體潮分析表明，在歷時長一些的應力循環作用下，構造圈對微弱的應力改變的響應基本上是彈性的。而對於傳播速度很大，對施加給岩石的應力為短暫的、能量消失又是很小的地震波來説，更接受岩石為完全彈性的假設 ^[2]  。

（3）簡諧運動的不同振動形式

根據文獻[ 7] ，“簡諧運動是一個質點或物體相對於中心點以週期運動的形式沿一條直線所作的一種振動”，其普適表達式一般可表示成隨時間變化的餘弦函數 ^[2]  。

（1）力源不同

潮汐波的力源為起潮力。起潮力為天體對地球某點的萬有引力與對地心的萬有引力之差。之所以要在天體對地球某點的萬有引力中減去天體對地心的萬有引力，是因為在地球圍繞地月公共質心作平動時，地球的所有質點都會產生如同天體對地心的萬有引力一樣的作用力。這種處處相同的作用力不會使地球產生形變，只會使整個地球如同一個質點一般作加速運動，同時可使地心處的起潮力為0 ^[2]  。

1922年，杜德森按幅角數將上述的起潮力位表示成振幅係數乘以相應的起潮力位的大地係數的386個波之和。

地震波是由震源擾動產生的。震源模式主要有斷裂源和體積源。人工地震採用體積源，構造地震採用斷裂源。斷裂源是同地殼內部斷層面相對滑動有關的。斷層面滑動所產生的斷層面破裂可認為是由許多點破裂疊加而成的。因此，地震波可以看作是由許多不同震相的脈衝疊加而成的 ^[2]  。

(2)能量傳播方式不同

潮汐作用實際上是一種將能量從一個天體轉移到另一個天體的機制[川。而地球上某一質點的潮汐波的能量傳播是以地球每個質點(除地心以外)相對於其平衡位置作微弱振動時所伴隨的勢能和動能轉換形式進行的。由於天體的起潮力是持續不斷的，因此，潮汐波的能量傳播也是持久不衰的，不過能量的傳播僅限於質點作簡諧振動的非常小的範圍內，它不能像地震波那樣向四周傳播，除了在該點外，其它地方觀測不到該點的潮汐波。

地震波是從地震震源向四處傳播的振動。而地震能量則是由震源提供並以各種地震波的波速向四周傳播，一次強地震，全球各地的地震台都可觀測到。對於有感地震的地震波，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到 ^[2]  。

（3）記錄波形不同

潮汐波是由長週期波、日波、半日波和1/3日波疊加而成的。在週日波的背景上，我們可清楚辨別出半日波的雙峯雙谷形態。由於天體的存在，潮汐波曲線是一條生生不息的連續曲線。

地震波是由許多稱為震相的脈衝波組組成，這些震相是由沿不同射線穿過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、橫波和麪波。由P波至L波，其特徵是週期一個比一個長，週期範圍大約從幾分之一秒至50幾分鐘，其中最長的那些週期對應於由大地震所激發的地球自由振盪。由於組成震相的脈衝波組都有一定的持續時間，所以不同震相的波形互相重疊，產生干涉，使地震圖呈現複雜的圖形，以致在

一般情況下，只能識別震相的起始[“]。隨着地震能量的衰減，地震記錄曲線會很快地衰減下來 ^[2]  。

（4）頻譜結構不同

潮汐波的頻譜是線譜，因為它是由許多不同頻率的分波疊加而成。

地震波的頻譜是連續譜，因為地震波是由許多稱為震相的脈衝組成。地震產生持續時間短、頻譜相當寬的複雜振動。因此，地震波的譜是連續譜，但又不是平譜 ^[2]  。

（5）觀測手段不同

潮汐波有重力、傾斜和應變固體潮。重力和傾斜固體潮要分別用重力儀和傾斜儀進行觀測。而觀測應變固體潮要採用應變儀，應變觀測僅限於地面某一方位上的地表脹縮。剪切應變分量還無法觀測，只能間接計算。

同一台地震儀，可先後記錄到地面的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，但在較遠的地方，波陣面就分開了，所以可被同一台地震儀先後記錄到。繼S波後，還可記錄到沿地表附近傳播的面波。

不過，隨着微電子技術、計算機技術和通訊技術的長足進步，數字化觀測技術已廣泛應用於地殼形變和地震觀測。由於數字觀測的動態範圍大、頻帶寬、分辨率高，今天應變觀測儀除固體潮外，也可以記錄到地震應變波。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

潮汐波是由許多波羣疊加而成，而每一波羣又由許多角頻率十分接近的分波組成。因此，這些波疊加時會產生調製現象，即所謂的拍。

地震波有體波和麪波，體波在界面上會產生波的反射、折射和衍射，面波在界面上會產生偏振現象。在成層或速度隨深度變化的介質中，還會產生頻散現象，此時，地震能量不是以相速度而是以羣速度傳播，結果使面波波羣變得越來越疏散，振幅也隨之衰減 ^[2]  。

潮汐波的力源為天體的起潮力。起潮力本質上為萬有引力。根據牛頓經典理論，萬有引力是一種超距力，是一種瞬時作用力，但實際上是不存在這種作用力的。根據愛因斯坦廣義相對論，作加速運動的質量會向外輻射引力波，天體作軌道運動時，也會向外輻射引力波。引力波以光速傳播的假設是愛因斯坦建構時空概念的廣義相對論的核心。該理論自1915年問世以來，從未被人測試過，時至今日，該理論已被美國科學家所證實①。因此，在同一曆元天體發出的引力波作用於地球各處的時間是不盡相同的，但考慮到地球的空間尺度，可不考慮引力波對地球各點作用的時間差。當然，這僅是一家之言，因為有的科學家宣稱，光速並不是固定不變的，這對愛因斯坦相對論提出了挑戰。因此，有關引力或重力的本質問題還無定論。但不管怎樣，在任一時刻，彈性地球在起潮力作用下變成了一個沿天體方向微微被拉長了的橢球體。這種由於不能用自由下落“消除”的月球引力場的一般特徵正是潮汐效應，其潮汐形變的大小與離開月球吸引中心的距離成反立方律、而不是像萬有引力那樣的反平方律關係 ^[2]  。

作為對起潮力的響應，可把地球看作為一個彈性的線性時不變系統。因此，從本質上而言，地球上任一點的潮汐波可以認為是該系統對起潮力位中各個簡諧分量的響應的疊加。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的傳播，它僅是彈性地球某質點的某個物理量(如重力、傾斜、應變)相對於平衡位置的一種隨時間的振動，而不具有質點振動在地球內部和地表傳播的速度。從這個意義上説，潮汐波實質上不是一種波，僅是某質點的一種簡諧振動的疊加 ^[2]  。

潮汐波的另一特徵是它的理論值可以預先計算出來。重力和傾斜固體潮是採用剛體地震模型，而應變固體潮是採用古登堡一布倫地球模型。真實地球對起潮力響應的傳遞函數與地球模型對起潮力響應的傳遞函數之比稱為潮汐導納。潮汐導納是個複數，其振幅稱為潮汐因子，其相位稱為相位滯後，潮汐導納可採用維尼迪柯夫調和分析方法計算出來。重力、傾斜和體應變固體潮觀測值的潮汐因子皆為勒夫數的線性組合。地球模型越接近於真實地球，潮汐因子就越接近於1，相位滯後越接近於零 ^[2]  。

颱風“達維”2003年9月在越南北部登陸後，由北向南繼續前進，抵達位於越南東北部的南定省，造成高達2.6米的潮汐波，這是過去40年來潮汐波的最高紀錄。此外，颱風還破壞了多處沿海堤圍，數千棵樹及電線杆被吹倒，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，但在一些海流，潮汐波就偶爾發生。現在，潮汐波被假定為近年許多船舶無故失蹤的成因 ^[3]  。