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月亮为什么一面总是向着地球 2015-01-30 16:00:33  发布者:素岚  来源:《文学校园》2014.6 作者:武际可(北京大学力学系教授)

 

 

〔核心提示〕由于潮汐可以使星球的自转减慢,那么减慢到一定程度,就会不再相对地球转动,这就是天体演化中的“潮汐锁定”。具体说,月球一面总是朝向地球,另一面总是背向地球。由于月球比地球小很多,所以先前的月球即使是自己旋转着的,也会被地球对它的引潮力作用逐渐减慢直至“锁定”。

 

随着潮汐研究的深入,人们发现不仅海水有涨落潮汐。作为地球主要构成的岩石固体也会由于引潮力发生变形而起伏。1876年英国学者开尔文(Kelvin,1824~1909)从地球形变的迹象中提出地球是弹性体而不是完全刚体的观点,提出可能由于月球的运行而变形。直到1883年英国的达尔文(G.H.Darwin,1845~1912)对海潮观测中长周期分量的数据进行比较,发现它只有理论值的2/3,他认为所损失的1/3是由于地球的固体表面发生与海水类似的周期性涨落所致,从而在理论上验证了固体潮的存在,后来由于许多学者进一步的从理论和实测多方面的探索,发现固体潮的确存在,而且最大位移可以有1000px之多。在科学进步,大地测量的精度日益提高的要求下,固体潮会成为影响测量精度的很重要的一种因素。

同样,包围着地球的大气也会由于月亮和太阳的引潮力产生全球性的震荡。这就是大气潮。大气潮对于人类在太空的活动会有影响。

目前,从开天辟地就有的潮汐,对地球的影响,至少有三点值得注意的。

其一是地球自转变慢。地球自转速度变慢是一个已经经过各方面证实了的事实。科学家经过测算,地球日长每百年间增加0.0012至0.002秒。一些考古学家也断定地球4亿年前泥盆纪时代的珊瑚虫化石上“年轮”中有400条“日轮”,地球在13亿年前1年大约500天。现今人们认为,地球自转变慢的主要原因就是潮汐。它的来回受阻尼的耗散运动,其中固体潮,也由于在固体振动中有内耗,消耗了地球自转的动能,从而使地球自旋减慢。

具体地说,如图地球上的高潮总要滞后一点,也就是在月球过了头顶上的子午线后一些时间高潮才会到来,这是由于潮汐质点运动的惯性,它们在受到月球的引潮力之后产生加速度,过一定的时间位移才会到达最大值。由于这种滞后,可以看出,月亮对于离月球比较近的A点的引力会比较大,而对离月球比较远的C点的引力比较小,这种引力差,会形成一个与地球自转方向相反的力矩,而这个力矩会通过流体之间运动的摩擦力传递到地球的固体地壳,由于这个力矩的长期作用,所以即使很小,也会积累使地球旋转速度减慢。进一步地球上的固体潮和大气潮也会加强这种刹车作用。这就是引潮力能够使地球旋转刹车的原因。

由于潮汐可以使星球的自转减慢,那么减慢到一定程度,就会不再相对地球转动,这就是天体演化中的“潮汐锁定”。具体说,月球总是一面朝向地球,另一面总是背向地球。由于月球比地球小很多,所以先前的月球即使是自己旋转着的,也会被地球对它的引潮力作用逐渐减慢直至“锁定”。

其二是,固体潮引发地震。由于地壳是由岩石固体材料组成的,而固体潮使它承受昼夜两次交变的应力。我们知道任何材料在交变应力作用下,会有疲劳破坏的问题。同样在地壳薄弱的地方,也会由于引潮力交变作用发生断裂,这,也许就是引发地震的一种原因。

其三是,引潮力会撕裂巨大天体的伴星。我们在地球上可能觉得引潮力是很小的,其实,当伴星与主星距离减小到一定程度主星的引潮力就会把伴星撕裂。因为向着主星的一面引潮力是拉力,背着主星的一面引潮力是推力,两个力大到一定程度,就会把他撕裂或撕得粉碎。有一个数,称为洛希极限,它是法国天文学家爱德华·洛希(Édouard Albert Roche18201883)于1848年提出的,它是一个距离。它等于行星赤道半径的2.44倍。如果一个天体的物质仅仅是由万有引力聚集在一起的,当天体和第二个天体的距离为洛希极限时,天体自身的重力和第二个天体造成的潮汐力相等。如果它们的距离小于洛希极限,这时由于引潮力大于聚集的引力,天体就会倾向碎散,继而成为第二个天体的环。洛希就是用这个理论去解释土星光环是怎样形成的。

 

 

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月球是以固定的一面着地球

 

月球的引力造成地球两侧海水的升,形成日两次的潮。随着地球从西向两次潮——一次永冲着月亮,另一次背着月亮——在地球上从向西移
  潮水在地球上运动时,会在白令海和爱尔兰这样的浅海海底掠这样会造成摩擦,把转动的能量。由于地球的转动能就这样慢慢地消耗着,我们这颗星球的绕轴就会放慢。潮汐地球旋所起的作用就像一副车闸果,隔一千年,地球上的一天就会延一秒
  在月球引力影响下位置升高的不只是海洋。地球的固态地壳也相应发化,不不那容易注意到就是了。岩会沿着地球生两次微的凸起,一次朝着月亮,一次在地球的另一面。在岩石着地球凸起的程中,岩的摩擦力也消耗着地球的转动能量。当然,这种凸起并不造成岩石环绕地核的转动,但是,当我们这个行星运而使各个不同的部分在月亮下面经过时这种凸起会此起彼伏。
  月球上没有大海,没有潮汐。然而,它的固体表面层地球的引力生反——地球的引潮力比月球地球的引潮力大80倍,因此,月面凸起的程度要比地面大得多。同,如果月球也是以24小时为周期自,月球上所受到的潮汐摩擦力就要比地球上烈。此外,由于月球的量比地球小多倍,要是它的自周期与地球相同,它在所具有的能量就要小得多。
  随着月球上较小的初始转动能量在地球所引起的大凸起中迅速消耗掉,它的自转周期相对说来就会以很快的速度变长。它的自速度一定早在几百万年前就减慢到月球的一天等于地球的一个月那么长的地了。到了这时,月亮就会永用同一面着地球。
  这时,月面的凸起就被“冻结”起来,有一凸起就在我所看到的一面的正中央,永远对着我。另一就在我所看不到的那一面的正中央,永背着我。在月球运行都不再变动位置,于是不再有升降变动,也就没有摩擦效来改月球的自周期了。因此,月球将永保持着以同一面朝向我的状。你瞧,并不是出于巧合,而是引力和摩擦作用的必然果。
  月球的情况是较为简单的。在一定条件下,潮汐摩擦力可以造成更复杂定条件。例如,近80年来,人一直认为水星(离太阳最近的行星,受太阳引力的影响最烈)也像月球以一面朝向地球一是以一面着太阳。实际上人经发现,在水星的情况下,摩擦效能造成周期58天的定自这刚好是水星太阳公周期——88天——的三分之二

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