为何月亮总是同一面朝向地球?

译者: 雨一直下田 | 发布: | 发布时间:2014-02-26,星期三 | 阅读:1,928
原文:Why the Same Side of the Moon Always Faces the Earth

一月“日”大约是29.5个地球日(即一个月29.5天)。其自转的同时也在围绕地球公转,因此我们只能从地球上看到59%的月球表面。月球形成初期,其旋转速度和轨道和如今大不相同。随着时间的推移,地球的引力场逐渐减缓了月球的转速,直到它的自转周期和转速也稳定下来,从而使得月亮总是一侧朝向地球。

这是如何形成的呢?简而言之——潮汐摩擦作用。稍微复杂点解释,我们必须进入科学探索。不过,坚持下去,我相信,这非常吸引人。

首先,想一下月球如何通过地球的引力场引起大潮的。在地球上有相同的效果,但地球的质量是月球的81.28倍,因此效果更强大。

因此,当月球的大部试图转向一侧时(沿直线),地球同时也将其拉向另一侧。进一步说,地球引力场对离地球最近的一侧产生的影响比距离地球远的一侧要大(同样,月球引力场对地球表面不同的部分的影响也是如此)。

这种结合本质上拉长了地球和月球,在两天体两端产生潮涨隆起。这隆起产生在地球引力最大处和惯性最小处。在后一种情况下,其受万有引力影响较小,主要受惯性控制。换句话说,月球要沿直线旋转,而地球引力不够大不能阻止它,从而在那一端产生隆起。

因此回到月球潮汐锁定式围绕地球转动前,由于摩擦及月球旋转速度比它围绕地球旋转更快的事实,距地球最近一端的月球隆起最后稍微长些。所以这个稍微长些的隆起同地球和月球之间的引力相抵消,从而产生了转矩。这减缓了月球旋转速度,直到其潮汐锁定式地围绕地球转动,这样月球就只有一侧朝向地球。(注解:距离地球最近一端的月球隆起主导整个过程,月球背面的隆起相反作用。)

你要注意,虽然我说我们实际上能从地球上看到59%月球表面,而非50%。这个差异主要是因为月球围绕地球旋转的轨道并不是一个正圆,更像一个椭圆。随着月球距地球距离的增加和减小,其角速度改变但是转速不变。结果相比起其按正圆旋转,我们就看到了另外9%的表面。

另一面,或许你已经猜到了,月球对地球有相同的作用,它这在以同样的方式逐步减缓地球的转速。再者,月亮在减缓地球的转速时,地球旋转的一小部分动能转移到月球的轨道动力,其结果是,现对于目前大陆位置月球的轨道的平均半径每年增加约3.8厘米,重大地理事件除外(和你经常读到的相反,月球并非从这儿获取其全部能量,也只有约3%的能量在交互中被月球“偷”走。)

因此,月球和地球之间距离的变化或多或少同其周期变化相一致。应该注意的是,尽管如此,这并不像大地震、冰川融化、大陆漂移或其它此类地理事件在此所起的作用那样一成不变。这就是为何闰秒没有定期增加加,而只在有必要时。但是总的效果是,随着时间的推移,月亮一年又一年距离地球越来越远,地球自转速度也在慢下来。

理论上来说,数百万年后某个时间(由于太多未知因素,确切的时间表很难确定),地球的同一面一直朝向月球,地球每个月亮周期旋转一周,多数估测其周期应该是现在47个地球日(47天)那么长。

“理论上”……这是不可能发生的。为什么呢?在大约十至二十亿年后,太阳光照强度足够蒸发完地球表面所有的水分,也就不受潮汐的控制,这是此交互中一个巨大因素。即便如此,仍旧会一些地表隆起去继续这一过程,但强度较原来要轻很多。

在五六十亿年后,太阳会达到它的红巨星阶段,依照其最新的模式,即使太阳在这个过程中丢失相当大的质量,从而使得地球的轨道距其更远,太阳才不会这种双向潮汐锁定发生数十亿年前消耗地球和月球。

某种程度上,在下一个十亿年后,人类至少需要找到另一个家园,或者知道如何将自己现在的家园移动到更远的轨道上,保持地球处于太阳系中适合生存的区域。



 

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