月球以每年3.8釐米的速度離開地球,這是為什麼?

2021-01-15 天文在線

電視節目裡說到月亮正在朝遠離地球向太陽靠近的方向移動。為什麼會這樣?這一現象又是什麼時候被發現的呢?

月球的軌道(環繞地球的圓形軌道)的確是在以每年3.8釐米的速度變大。(月球的軌道半徑為384,000公裡。)然而我對月球正在越來越靠近太陽的說法無法苟同,它的確是在逐漸遠離地球,所以在其運行到靠近太陽一側的軌道上時它的確是離太陽更近了,但是在遠離太陽的另一側軌道它卻是在逐漸遠離太陽。

軌道變大的原因是月球引力引起的地球上的潮汐現象。因為地球面向月球的那一面離月球更近,所以它受到的引力比地球中心更強。同樣地,地球背對月球的那部分受到的引力小一些。這種效應使得地球被拉伸,從而變得更像橢圓形。我們把地球受月球引力拉伸而突出的部分稱為「潮汐隆起」。地球的地殼因此扭曲了幾釐米,而最引人注目的影響還是海洋上的潮汐。

所有有質量的物體都會產生引力,地球上的潮汐現象對月球也有一個牽引力。由於地球的自轉速度(每24小時自轉一周)比月球軌道的自轉速度(每27.3天自轉一周)要快,所以潮汐力會「加速」月球,並把它推向更高的軌道。月球因為潮汐力而牽引著地球,減緩地球的自轉。地球表面漲潮引起的潮汐摩擦力從地球吸收角動量且釋放到月球的軌道上,使月球的軌道變大(但是有點奇怪的是,月球實際上因此移動得更慢!)

由於這個原因地球的自轉速度正在減慢。一百年後的一天將比現在長2毫秒。

同樣的過程也發生在數十億年前,月球被地球的潮汐力逐漸拖慢了自轉速度。這就是為什麼月球總是以同一個表面朝向地球。這個過程被稱為潮汐鎖定,由於地球比月球大得多,這一過程在短短的幾千萬年間便使月球自轉速度變得與公轉周期一致。

許多物理學家都了解潮汐力對地月系統的影響。然而,在19世紀末,喬治·霍華德·達爾文(查爾斯·達爾文的兒子)卻是第一個用數學方法計算出由於潮汐摩擦,月球軌道將如何演變的人。他通常被認為是現代潮汐演化理論的創始人。這就是這一理論的來源,但是它最初是如何測量出的呢?答案是相當複雜的,但是基於對這個問題的歷史的一點研究,我已經盡力給出了我能給出的最好的答案。

我們有三種方法來測量潮汐摩擦力的影響。

*度量陰曆月長隨時間的變化。

這可以通過檢查巖石中保存的潮汐沉積物的厚度來實現,這些沉積物被稱為潮汐韻律層,它們可以留存數十億年。雖然現存的數據只發現了最早9億年前的潮汐韻律層。據我所知(我並不是地理學家!)對於它們的測量在90年代才開始。

*測量地球和月球之間距離的變化。

在現代這是通過阿波羅太空人在月球表面留下的反射器反射雷射來實現的。而70年代早期的測量結果相對不太準確。

*測量地球自轉周期隨時間的變化。

現如今地球的自轉速度是用甚長基線幹涉測量法測量的,這是一種使用許多相距很遠的射電望遠鏡來測量的技術。利用VLBI,類星體(微小的、遙遠的、明亮的射電天體)的位置可以非常精確地測量出來。由於地球的自轉帶動射電望遠鏡的天線轉動,測量結果可以非常準確地告訴我們地球的自轉速度。

然而,地球自轉周期的變化首先是用日食來測量的。研究了幾個世紀以來日食發生時間的天文學家發現,月球的軌道似乎在加速,但實際上卻是地球的自轉速度在減慢。埃德蒙·哈雷(Edmund Halley)於1695年首次注意到這種效應,理察·鄧索恩(Richard Dunthorne)於1748年首次測量到這種效應——儘管兩人都沒有真正理解他們所看到的是什麼。我認為這是關於這種現象最早的發現。

拓展知識

由於潮汐鎖定的原因,月球總是以同一面對著地球的。地球的自轉速度也在不斷減速,在以後的地球也會不會以同一面對著月球,形成地球「互鎖」呢?

理論上是可以的,可惜時間不夠了。50億月後太陽會變成紅巨星把地球吞噬,在那之前都不會出現這種情況。

那麼,有沒有哪個星球和它的衛星是互相以同一面對著對方呢?還真有,就是冥王星和它最大的衛星冥衛一,也叫卡戎。它們兩者之間都是以同一面對著對方,形成「互鎖」的現象。

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