為什麼月亮離地球越來越遠了?天文學家給出了答案,看完恍然大悟

2020-12-04 天文在線

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由於月球的萬有引力,它會更強烈地拉著地球的某一部分向自己靠近,造成地球上海洋潮汐隆起。由於地球自轉速度比月球快得多,這一隆起比月球更早發生。由於一系列物理現象,月球被推到一個離地球更遠的軌道上。

圖解:月球繞行地球的軌道大小和距離的比例。圖片中一個畫素寬度對應至實際上500公裡的距離

很容易認為月亮的存在是理所當然的,這是相當危險的。太陽也是。然而,當月亮不再永遠掛於天空,地球上的生活將和現在截然不同,對我們人類來說也不是好事。

圖解:月球在近地點和遠地點的大小比較。

然而,我們唯一的天然衛星—月球—事實上正在離地球越來越遠。它的運行軌道每年都在變大。

潮汐力的影響

月球已經圍繞地球旋轉45億年了,由於地球的質量更大,相對的,它給月亮的引力遠大於月亮給它的。這意味著地球一直相對強烈地拽著月亮靠近自己。這就造成了潮汐力和海洋上對應的潮汐。

圖解:MRO從火星軌道上拍攝的月球和地球。目前,地球的自轉和一天的長度因為月球(質量是地球的1/81)的存在,每百年延長約2毫秒。

地球面向月球的那一面,地月之間萬有引力更強。而且,在離地球最近(有最短距離)的地方,引力也最強。

如上圖,地球中部(赤道區)比地球底部和頂部(南北極)離月亮更近。因此,月亮拉地球赤道區的力量更強,刺激了此地區海洋的漲潮,也造成了地球中部地區(赤道區)的突起。這被稱作是潮汐隆起,也叫作赤道隆起。

圖解:地-月系統的圖顯示潮汐隆起如何被地球的自轉推進。月球對這個隆起偏移量施加的淨力矩,造成地球自轉速度的減緩。

這就是海洋潮汐如何運作,取決於地球與月球之間的相對位置。它清楚地解釋了當離月亮最近時海洋會經歷漲潮。

為了得到對這一現象更形象的表示:下面的圖片它講述了太陽、地球和月亮之間引力相互作用如何造成地球上的潮漲。

潮汐力的影響取決於涉及到事物雙方。就像地球出現月球重力引起的隆起(注意,隆起的結果是地球的固體部分出現了僅僅幾釐米的變性),月球也同樣在離地球最近時出現隆起。

地球和月球的自轉

月亮的漸行漸遠也與地球和月球的自轉有關。你看地球自轉相當快(更準確的說是有一個很高的自轉速度)。它繞地軸旋轉一周只需24小時;另一方面,月球繞軸一周需要27.3天。顯然,對它們各自的自轉速度來說,月球要遠遠慢於地球。下面這幅動圖描繪了地球和月球不同的自轉速度。

圖解:地球和月球自轉速度的比較(注意:這幅圖並未展示月球不停繞地球公轉,同樣,距離和大小並不匹配。)

由於在速度上有很大的差異,地球的潮汐隆起試圖將月球拉向離地球更近的軌道並且速度有所加快(略微增加)。正如每一事物都具有兩面性,月亮在地球的潮汐隆起處會遠離地球,造成地球自轉速度加快。

圖解:月球與太陽引力如何影響地球潮汐

地球自轉速度加快導致角動量(自轉能量)減少,然後其通過潮汐力傳遞到月球的運行軌道上,使軌道半徑逐年增加。

這一切的結果都是月亮繞地球的運行半徑以每年3.8釐米(1.49英寸)的速度增加。換句話說,月亮每年都比前一年遠離地球3.8釐米。

圖解:如果自轉的頻率大於軌道 (公轉)頻率,抵制的小扭矩將會浮現,最終達成頻率鎖定(綠色描述的情況)。

同樣,地球的自轉速度也會有所下降,在距今100年後,地球上每一天將比現在長2毫秒。

總而言之,月亮的確正離我們越來越遠,但它進行的相當慢。因此我們完全不用擔心沒有月亮的夜晚。

圖解:由於潮汐鎖定,在中央天體的居民永遠看不見標示綠色的一面。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.scienceabc-白色衣衫

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