眾所周知,月球是目前已知的唯一一顆地球的衛星,在浩瀚的太陽系中,只有它一直陪伴著地球。
千百年的人類文明中,月亮一直扮演著無可替代的角色,無論是在自然方面還是人文方面。
但在如今,有一個可怕的事實是月亮正在遠離我們所在的地球,這個速度大約是每年3.8釐米。
地月一直被認為是一對忠實的好夥伴,那麼月球為什麼會遠離地球呢?它們最後會不會「分手」呢?
月球遠離的事實
45億年前,一顆大小與火星相似的原行星與地球相撞,撞擊所產生的碎片在太空中聚集形成了月球。
這是目前人們普遍接受的關於月球起源的假說,即大碰撞假說,現代計算機可以比較準確模擬這一過程。
地月早期模型顯示,月球在形成初期跟地球的距離大約為22500公裡,而現在測得的地月平均距離是384000公裡。
在45億年的時間裡,地月之間的距離擴大了16倍多,也就是說月球自誕生之日起一直在遠離地球。
潮汐引力示意圖
月球為什麼會遠離?
在太陽系中,一個體積較小的天體遠離一顆行星很有可能是受到了另外更大天體的吸引,比如太陽。
但月球遠離地球並不是因為有第三個天體的「從中插足」,而是地月二者之間的矛盾——潮汐作用。
潮汐是我們很熟悉的一種現象,就是潮水的漲與落,與海浪不同,它是有規律的海面升降變化。
地球上海洋表面的潮汐是由太陽和月球的引力引起的,為了方便討論,我們這裡只說月球的引力。
由於地球是球形的,它所受到的月球的引力在不同位置並不均勻,靠近月球的一端引力大,遠離月球的一端則小。
在月球這種不均勻的引力的作用下,地球被稍稍拉長了一點,這個形變可能只有幾釐米,幾乎察覺不到。
但是,地球表面的海洋可是很容易被影響的,對改變地球形狀微乎其微的引力足以掀動海洋,這就是潮汐的原理。
通常情況下,將地球被月球引力拉長的一部分叫做「潮汐凸起」,該處所受到的月球引力最大。
潮汐凸起受到月球的引力,根據力的相互作用我們知道,月球也相應的受到潮汐凸起的引力。
如果地球與月球的自轉速度一樣,那麼月球與潮汐凸起之間的引力是與各自的自轉方向垂直的,對自轉速度並無影響。
地球與月球潮作用示意圖
但是,儘管地月的自轉方向一致,但地球的自轉速度明顯快於月球,所以潮汐凸起的引力對月球的自轉是有加速作用的。
從理論上講,當月球的能量(動能)增加時,它會進入更高的軌道,這跟電子的躍遷是一個道理。
當月球進入更高的軌道時,也就意味著它遠離了地球。
不過,當月球進入更高軌道時,由於非潮汐凸起的部位對它的減速作用強於潮汐凸起對它的加速,所以實際情況是月球自轉的更慢了。
地月會不會分手?
地球與月球之間的引力是一直存在的,那這是不是意味著月球將不斷遠離地球,從此永久性分手?
其實並不是這樣的。
上面說了潮汐力對月球有加速效果,相應的,它會對地球有減速效果,而地球的減緩速度是每世紀2毫秒。
所以,月球的自轉速度在減慢,地球的自轉速度也在減慢,經過足夠長的時間後,地球將被月球「鎖定」,這種鎖定就跟地球鎖定月球一樣。
我們知道,月球的自轉速度與公轉速度所差無幾,所以它永遠以一面朝向地球,而當地球被月球「鎖定」時,地球也只有一面朝向月球。
一面朝向月球意味著地球上的潮汐凸起並不會再拉著月球加速了,沒有能量輸入的月球也會穩定在軌道上。
這個「足夠長的時間」是多少呢?大概是500億年!那時候,月球繞地球一圈可能需要47天。(現在是27天)
所以,地月的最終結局是並沒有「分手」,而是在潮汐作用下互相鎖定,關係比之前更牢固了。
最後
雖然地月的結局讓人欣慰,但這個故事還是有變數的,因為在遠不到500億年的50億年後,太陽將變成一顆紅巨星。
太陽在變成紅巨星的過程中會吞噬掉地球和月球,所以,地月在關係更穩固前可能都會灰飛煙滅。
當然,不要為地月惋惜,因為那個時候我們人類也要全劇終了。