月球分毫不差地以同一面对着地球,这并不是什么巧合!

subtitle 魅力科学君 10-23 17:17 跟贴 2 条

作为我们地球的卫星,月球有一个引人注目的特点,那就是它在围绕着地球公转的过程中,一直只用同一面对着地球,以至于我们无法根本看到月球的背面是什么样子。那么问题就来了,为何在地球上始终不能看到月球的背面?这是巧合,还是另有原因呢?

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如果说这是巧合的话,那这样的现象就不免让人浮想联翩,甚至还有人猜测月球本身就是一艘巨大的外星飞船,而其目的就是用来监视地球,不得不说,这是一个非常迷人的想法。

然而事实却不是这样,科学家告诉我们,月球分毫不差地以同一面对着地球,是因为月球自转一圈所用的时间,刚好与月球公转一圈的时间相等,但这并不是什么巧合!这其实是月球被地球潮汐锁定的结果,下面我们就来讲一下。


我们都知道,月球、地球乃至所有被称为“星球”的天体都是圆的,那为什么会这样呢?其实这是因为引力,虽然引力是四大基本力中最弱的一种力,但因为引力是一种长程力,并且可以无限叠加,所以当一个天体的质量达到一定程度的时候,其自身的引力就会造成整个星体发生形变。

在巨大的引力面前,构成星球的物质在整体上会呈现出流体的性质,而当它们达到流体静力平衡时,就成为了一个球体,月球当然也不例外。

很显然,由于地球的引力巨大,因此地球的引力也会对月球的形状产生影响,而因为引力的大小与距离的平方成反比,所以月球的各个部位受到的地球引力存在着很大的差距,在这种情况下,月球的流体静力平衡就会被地球引力破坏,从而在其正面和背面形成隆起(原因是引力和“惯性力”),这被称为潮汐隆起。

如上图所示,月球的公转速度为v1、自转速度为v2,当月球在“月球1”的位置上时,其形状被地球引力拉伸成了一个椭球形(注:图中的形状是为了方便讨论,实际上只是拉伸了一点,并没有这么夸张)。

由于月球上的潮汐隆起需要一段时间后才能恢复原状,因此如果月球的自转速度v2大于其公转速度v1,那么当月球运行到“月球2”的位置上时,在“月球1”的位置上形成的潮汐隆起就会偏离原来的方向(红色部分)。

因为与地球的距离不同,所以月球正面的潮汐隆起所受到的力F,会比其背面的潮汐隆起所受到的F'大一些,这就相当于地球的引力给月球施加了扭矩,而其效应与月球自转方向相反,在这种情况下,月球的自转速度就会减慢。

反过来讲,如果月球的自转速度v2小于其公转速度v1,那么这种扭矩的效应就与自转方向相同,在这种情况下,月球的自转速度就会加速。

总而言之,这种机制的效应就是永远指向月球的自转周期和公转周期同步,如果月球的自转速度快了,这种机制就会让月球的自转减速,反之则让月球的自转加速,日积月累之下,其最终的结果就是月球被地球潮汐锁定,分毫不差地以同一面对着地球,我们在地球上也就始终不能看到月球的背面了。由此我们可以看到,这并不是什么巧合。

其实在太阳系中潮汐锁定这种现象并不罕见,比如说木星和土星的很多卫星都是被潮汐锁定了的,其中就包括大名鼎鼎的木卫二(Europa)和土卫六(Titan)。相对而言,冥王星和它的卫星——冥卫一(Charon)就显得比较“奇葩”,因为它们居然是互相潮汐锁定的(如下图所示),而其原因就是冥王星的质量太小了。


值得一提的是,研究人员通过高精度的计时系统发现,平均每一年,地球的自转周期就慢16微秒(1秒相当于100万微秒),这就说明了月球的引力也会对地球造成同样的影响,只不过因为月球的质量比较小,所它对地球自转的影响就显得非常有限。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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