為什麼月球始終一面朝著地球?若時間足夠長,地球也會面朝月球!

2020-12-03 艾伯史密斯

我們注意到,月球始終一面對著地球,在地球上的我們是看不到月球背面的,這種現象叫做「潮汐鎖定」,在天文學上很常見。

月亮形狀

月球圍繞地球轉,月球本身也有自轉,當月球公轉周期和自轉周期相等時(27.5天),地球上就只能看到月球的一面了。

實際上,因為月球存在天平動,使得我們能看到59%的月面,而非50%;甚至在地球上的不同位置,看到的月亮也是存在微小區別的。

潮汐鎖定現象

萬有引力描述,兩個質點的引力和距離平方成反比,對於天文學上的多體問題,絕大部分天體是不能看做質點的;比如地球直徑有1.27萬公裡,月球直徑3476公裡,地月距離是38萬公裡。

這就會導致,地球對月球的引力並不是均勻的,這種引力差就叫做「潮汐力」;通俗地說,你站在地面上時,腳距離地心更近,所以腳受到的重力加速度,會比頭受到的重力加速度大。

物理原理

這種差異對小物體來說可以忽略,但是對月球這樣的大物體就不能忽略了;反過來,月球對地球的吸引力也是一樣的,在靠近月球一側,會導致海水被隆起,產生潮起潮落現象。

同樣月球靠近地球一側,單位質量物質受到的地球引力更大一些,這將導致在月球內部出現不均勻的應力,應力使得月球內部出現內摩擦力,就像踩剎車一樣讓月球自轉速度減慢。

相互鎖定

由於月球是固體,應力的描述不直觀,我們反過來看地球,地球自轉速度是月球公轉速度的27.5倍,被月球引力吸起的海水,會和地球固體部分產生內摩擦,從而造成地球自轉減速,原理和月球自轉減速是一樣的。

只有當月球被地球潮汐鎖定後,月球內部應力導致的內摩擦力才會消失;這也說明了,只要時間足夠長,地球也會被月球潮汐鎖定,但是這個時間長達100多億年,我們是等不到那一天了。

潮汐鎖定實例

在我們太陽系中,還有其他被潮汐鎖定的衛星,也有相互潮汐鎖定的天體,比如:

(1)火星的兩顆衛星火衛一和火衛二,都被火星潮汐鎖定;

(2)冥王星和它的衛星卡戎,就是相互潮汐鎖定的;

(3)被木星潮汐鎖定的衛星,有多達八顆;

(4)被土星潮汐鎖定的衛星,有高達20多顆。

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