如果月球沒有被潮汐鎖定地球引力對月球造成的潮汐隆起是會移動的

作者：太空生物學·黃媂

月球的自轉和它圍繞地球的公轉方向相同而且周期完全一致，這個導致了月球永遠是那固定的一面面向地球，或許有人會對這件事情感到驚奇，這是一個物理現象叫做——潮汐鎖定。所謂潮汐鎖定說的是圍繞著一個星球旋轉的天體因為重力梯度，使得天體永遠以同一個面對著另一個天體，月亮就是一個經典的例子，它公轉一周是一個月，它自轉一周也是一個月，在地球上你永遠看不到月球背面的半球，這就好像有個人圍著你轉圈，他一直面向著你，今天來聊聊潮汐鎖定現象。

地球和月球都是流體靜力平衡狀態的星球

宇宙中的天體但凡質量大一點的星球都是球形的，只有特別小的小行星或者是宇宙中的小石頭塊才可能是各種奇形怪狀的，這是因為當一個星球的質量足夠大了以後，它的引力就會超過自己作為固體能夠保持原有形狀的力量，這樣的星球會使得上面的物質都流向自己最低的重力勢能的狀態，達到一個流體靜力平衡的狀態，這樣就會在外形上變成球形。嚴格來說，如果這個星球會自轉的話，那麼它就會是一個橢球形，例如比太陽還要大幾倍的織女一自轉周期只有12.5個小時，這使得織女一的赤道直徑遠大於兩極的直徑，目測織女一就是一顆橢球形星球。在流體靜力平衡的星球上，山太高了，重力會把山拉下來，淵太深了，重力會把淵填上，總之但凡質量大一點的星球都是球形的。

對於一般的固體星球，流體靜力平衡說的是整體的規模性狀態，對於細小的部分還是能給固體一些自由的空間的，但是這只限於一定的區間之內，如果把視角放大，可以把流體靜力平衡狀態的星球看作是一個有一定粘稠度的液態星球，地球和月球都是流體靜力平衡狀態的星球。

引力梯度

月球圍繞著地球轉是因為地月之間的萬有引力，萬有引力是一個和距離的平方成反比的力，月球作為一個球體，那麼月球這個球體靠近地球的那一部分受到的地球引力比較大，而離地球比較遠的那一部分受到地球的引力比較小，因此對月球造成了一個引力梯度，近端受到的引力大，遠端受到的引力小，這就會造成月球在朝著地球的方向上被吸引出來一個鼓包，對應著的遠端也會有一個被甩出去鼓包，這個叫做——潮汐隆起。

月球在朝向地球的方向上會變得細長，就像手裡提著一個裝滿水的氣球，水球會被拉長，這種現象，月球對地球也有例如月球引起的潮水，高出來的潮水就是地球在月球的引力梯度下出現的潮汐隆起所造成的，月球會被地球的引力吸出一個鼓包來，如果這個鼓包一直是朝向地球的，也就是說如果月球鼓包的這一面永遠朝向地球，但是如果月球的自轉周期和它圍繞地球的公轉周期不一樣的話，那就會出現問題，月球的自轉會把這個鼓包給轉走，雖然地球會在月球上朝向自己的那個最近的地方再吸引起鼓包來，但是吸出來月球的自轉也會帶走，這種情況下就會使得月球的鼓包偏離地月質點連線，雖然偏離的程度很小，因為這個鼓包離地球比較近所受到的引力比較大，小範圍的偏離會使得地球給月球的引力造成了一個轉動力距。

如果月球不是保持固有的一面朝向地球的話，也就是說月球的自轉角速度和它圍繞地球公轉的角速度不同的話，那月球上被吸出來的鼓包就會被月球的自轉帶的偏離地月質點連線，那麼地球給鼓包的力距就會迫使月球的自轉做出改變，以使得月球上的這個鼓包一直朝向自己，月球自轉太慢的話，鼓包滯後了，力距就會加速，月球自轉太快的話，鼓包被帶的超前了，力距就會減速，日積月累，月球的自轉周期和公轉周期就會越來越接近，最終相同，月亮就進入了潮汐鎖定的狀態只有一面面向地球。

如果月球沒有被地球潮汐鎖定

如果月球沒有被地球潮汐鎖定，地球引力在月球上造成的潮汐隆起是會移動的，這會在月球的內部造成摩擦轉換為內能，造成動能的消耗，嚴格來說在地球上看月亮是有一些輕微的震蕩的，在天文學裡這個現象叫做——天平動，這個是因為月球公轉軌道不是正圓以及月球的自轉軸和它圍繞地球的公轉面有傾角等原因造成的，這個不是潮汐力造成的震蕩。

圖解：天平動

是不是所有互相圍繞旋轉的星球都會被潮汐鎖定？

不一定。

潮汐鎖定是有一定條件的，條件之一就是星球公轉軌道的離心率不能太高，公轉軌道離心率簡單說就是星球公轉軌道的橢圓它有多扁，橢圓可以看作是一個正圓在側斜一定角度下的投影，傾斜的角度越大橢圓就越扁，傾斜角度的正弦值就是離心率，正圓形軌道離心率是0，橢圓形軌道離心率是>0<1（大於0小於1）。

例如月亮圍繞地球公轉的軌道離心率是0.0549，而超級大扁橢圓軌道的哈雷彗星公轉軌道的離心率是0.967，很接近於1了，月球已經被地球潮汐鎖定了，而哈雷彗星到它消亡的那一天也不會被太陽潮汐鎖定，就算是水星離太陽最近的行星它公轉軌道的離心率是0.2056，水星就沒有被太陽潮汐鎖定。

按理說水星離太陽很近，太陽給它的潮汐力也是很大的，但是水星也沒有朝著被潮汐鎖定的方向去，而是以一個固定自轉、公轉周期比在圍繞著太陽轉動，水星每自轉三圈公轉兩圈，這個現象不是潮汐鎖定而是軌道共振，或者也可以說水星的自轉周期和公轉周期被鎖定在了2:3，因為偏心率大了公轉的角速度的變化就比較大了，根據克卜勒第二定律在萬有引力之下橢圓軌道公轉的星球在它距離所圍繞的星球近的時候角速度比較大，在距離比較遠的時候角速度比較小，這就導致了當水星在近日點的時候太陽給水星造成的潮汐力的隆起拖拽傾向於讓水星自轉的角速度和水星近日點時候的角速度一致，而水星在遠日點的時候太陽的潮汐力的拖拽傾向於讓水星自轉的角速度和水星遠日點的角速度一致，水星公轉軌道的偏心率是很大的，近日點和遠日點的角速度相差很大，對於水星和太陽來講就是軌道共振。

公轉軌道離心率太大的星球都不會出現潮汐鎖定，目前太陽系所有已經被潮汐鎖定星球有火星的火衛一和火衛二，木星衛星中的8顆，土星衛星中的15顆，天王星衛星中的天衛一~天衛五，海王星的海衛一和海衛八，冥王星的冥衛一，這些星球的公轉軌道離心率都是遠遠小於月球的。

另外，一個天體能被潮汐鎖定要有足夠大的質量和尺寸，如果只是一個小天體還沒有達到流體靜力平衡的標準，這樣的天體是比較難被潮汐鎖定的，這是因為越是接近理想的剛體越難以被潮汐鎖定，天體的尺寸越小潮汐力就越小，隆起脫拽的效果就越微弱，理想的剛體天體是無法被潮汐鎖定的，因為潮汐力無法在這個理想鋼體上吸起來一個鼓包，理想的鋼體不會形變了，也就無法產生能影響其自轉的轉動力矩，而小型的固體天體雖然不是絕對鋼體，它會因為地球對它產生的潮汐力而產生彈性形變，嚴格意義上說也算是對地球的引力產生了那麼細微的潮汐隆起，但是因為個頭太小，遠端和近端受到的這個引力差不多，那這兩端的引力差也就是一個潮汐力就太過微弱，想靠這點力量來改變自己的自轉狀態實在是任重而道遠。

黃媂結語·月球能不能把地球潮汐鎖定？

答案是：能。

太陽系中已經有了這樣的案例，那就是冥王星和冥衛一都被對方朝夕鎖定了，冥王星和冥衛一就像是我國傳統武術大師在比武之前，互相看著對方繞圈一樣，一直看著對方的一面，永遠看不到對方的背影。

地月之間，月球的引力也能在地球上造成潮汐隆起，而地球的自轉會把隆起拖向自轉方向的前方，地月之間的引力也會給地球造成一個減慢自轉的轉動力距，但是因為地球體積非常大質量也非常大，減慢自轉的過程是很慢的，現在地球上的一天每過一年會延長15微秒，而且地球被月球潮汐力造成的隆起會在地球自轉的時候給月球施加了一個向著地球自轉方向的加速效果，也就是說月球在被地球上的潮汐隆起所加速，月球的公轉軌道就會變大，月球會漸漸地離我們越來越遠，目前月球在以每年38毫米的速度遠離地球，圍繞地球的公轉周期呢就會越來越長。

如果沒有別的因素幹擾，地球也會被月球潮汐鎖定的，到時候地球上的一天和一個月是一樣長的，而且在地球上看月亮會比現在小很多，而且地球上只有一面能看到月亮，地球上的另一面永遠看不到月亮，看得到月亮的人們會發現啊，它會永遠處在天空中一個位置，只有陰晴圓缺不會有東升西落，但是因為地球的質量很大，月球想要把地球潮汐鎖定，把地球自轉減速的話還需要大約100億年左右。

100億年地球、月亮等得起，太陽卻等不起了，因為太陽會在大約50億年以後演化為紅巨星，到那個時候地球的軌道會處於太陽表面的位置上，地球和月亮會被太陽吞噬，以現在人類的科技能力來看，我們在地球上是等不到被月亮潮汐鎖定的。

圖解：被潮汐鎖定後的地球

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