月亮为什么总是一面对着地球

April 6, 2008 11:00 pm UTC | In Study

0. 引子

me: 你知道月亮为什么总是一面对着地球吗?
litmon: 另一面害羞?
me: 恩!
litmon: 那是因为什么?她喜欢这个体位?

litmon 真是非常天真无邪(是吗?)。不过月亮到底为什么总是一面对着地球?因为月亮的公转和自转周期完全一样。不过这是不是一个巧合?就像太阳和月亮看起来一般大一样是一个巧合?要说清楚这个问题,先要从引潮力说起。

1. 引潮力
引潮力是万有引力引起的。想象一个人头朝下往黑洞掉进去,因为头离黑洞近,所以头受到的万有引力就会比脚要大。这样的结果是,头会试图比脚跑得更快,最后身体就会被撕裂(请大家珍惜生命,远离黑洞)。一个足够大的物体在强引力场里会被撕裂,这个引起撕裂的力就是引潮力。

在大多数地方,引力场没这么强,所以引潮力也没这么骠悍。对于在稳定轨道上运行的地球(上面左图黑的是地球,太阳在右边很远的地方),离心力平衡掉了大部分引力(稳定圆形轨道上离心力等于地球中心受到的太阳引力)。离心力和万有引力迭加,在靠近太阳的地方引力占优,把东西往太阳拉;远离太阳的地方离心力占优,把东西往外甩。地球上自由流动的海水就会沿太阳-地球的连线拉伸,这就是潮汐的机理。引起潮汐的力和上面把物体撕裂的力是一个道理,都是引潮力,只不过潮汛看起来平和多了。

引潮力的具体模型要复杂的多,比方两侧的海水会瘪下去(上面的右图),另外月球对地球上的海水也有引潮力,而且比太阳产生的大一倍(每日潮汐变化取决于太阳-地球-月亮三者的位置,总之很复杂)。但是引潮力的基本意思就是,如果两个星球距离比较近,引潮力就会把星球沿两者连线方向拉伸。

(上面两个图取自维基百科

2. 潮汐锁定
引潮力会改变星球的自转速度。如左图所示,地球绕着太阳(C)旋转,假设地球在 A 点的时候海水很配合的沿太阳-地球连线突起了,然后当地球公转到 B 点的时候,由于海水流动会有滞后,并且地球的自转比公转快,这样海水的突起就会超前,突起所受的万有引力不再经过地球中心,也就会影响地球转动了(物理学里这个叫做力矩,这就像打在陀螺边上的绳子会影响陀螺旋转是一个道理)。离太阳近的那陀受到的引力相对较大,所以两陀突起的净效果也由这陀决定。这陀受到的引力是沿地球自转相反方向,但却和公转方向一致,也就是说,海水流动滞后和引潮力会减慢地球的自转,同时加快地球公转。类似的分析也可以发现,如果地球自转比公转慢,引潮力会使地球自转加速、公转减速。

这样的公转、自转速度变化什么时候是个头呢?当自转和公转周期一样的时候就是稳定状态了,这时候突起永远沿太阳-地球的连线,引潮力就无法改变自转速度了,这就是所谓的潮汐锁定(Tidal Locking)。计算表明,建立潮汐锁定的时间很长,需要几百万年到上万亿年,轨道半径越大,建立潮汐锁定的时间也越长。地球年龄大概 46 亿年,目前公转要一年,自转只要一天,估计等到太阳毁灭还不会和太阳建立潮汐锁定。不过,月球也会受到地球产生的引潮力(虽然月球表面没有潮起潮落,但是固体拉伸的形变还是存在的),月球离地球很近,所以很久很久以前就已经和地球建立潮汐锁定了。

潮汐锁定实际上是一个很普遍的现象,很多行星的卫星都是永远一面对着行星。所以,月亮永远一面对着地球,这并不是一个巧合,而是天文时间尺度上的必然现象。

3. 结语

2006 年诺贝尔物理学奖得主 John C. Mather 和 George F. Smoot 在 Nobelprize.org采访中提到,如果你站在天文时间尺度上思考问题,你的胸襟就会变得不一样,虽然这并不会改变你的日常生活行为。

A. 后记

litmon: 你知道月亮用哪一面对着太阳嘛
me: 屁股
litmon: 我刚才仔细想了一下,应该是亮的那一面吧
me: 恩,有道理啊!
litmon: 这个多有趣,你应该论证一下这个

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12 Comments »

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  1. 写得很好!

    Comment by chen3feng — April 6, 2008 11:17 pm UTC #

  2. Orz

    Comment by paranoia — April 6, 2008 11:33 pm UTC #

  3. 潮汐锁定实际上是一个很普遍的现象,很多行星的卫星都是永远一面对着行星。
    ———
    这就是最终结论了吧?我只要结论,希望结论句没找错。。。我是直接略过过程的没有科学素养的老粗。。。。

    Comment by 王果子 — April 7, 2008 1:49 am UTC #

  4. 拜a core。另外弱弱的问,是不是如果我们地球也潮汐锁定了,那我们就是一半永远白天,一般永远黑夜,再没有日升日落?
    当行星真是惨啊~~~

    Comment by 阿七 — April 7, 2008 6:27 am UTC #

  5. 月球是固体啊,固体弹性模量很大的,恢复变形也很快吧,应该不会有明显的凸起超前现象?

    Comment by pig2532 — April 7, 2008 6:32 am UTC #

  6. orz 猪猪猪,这方面您是专家。不过如果月亮是冰做的而不是石头做的话,建立潮汐锁定的时间就会少十倍。。

    Comment by atppp — April 7, 2008 1:42 pm UTC #

  7. 拜a core
    拜天真无邪的李特萌…

    Comment by Kommit — April 7, 2008 7:50 pm UTC #

  8. 无言 Orz

    Comment by hutuworm — April 7, 2008 10:42 pm UTC #

  9. 拜,科研极了

    Comment by kisstar — April 8, 2008 3:59 pm UTC #

  10. 喜欢这类文章,不知道对这个http://www.douban.com/group/74892/
    是否有兴趣,欢迎加入~

    Comment by gerry — April 10, 2008 10:28 am UTC #

  11. 原来如此啊!长知识了

    条理清晰、形式生动,可以当科普作家了!

    Comment by fax — April 18, 2008 12:06 pm UTC #

  12. 写的真好!受用了!

    Comment by hcplzss — January 7, 2011 12:13 am UTC #

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