月球竟然能分毫不差地以同一面对着地球,如此巧合概率接近为零?

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潮汐是非常复杂的现象。对于任何特定的位置,潮汐的高度和随时间的波动不同程度上取决于太阳和月亮的位置,还取决于海岸形状、海岸线、海岸线深度和洋流这些细节。这张图片展示了世界上高潮和低潮的差异。

月球背面和月球正面之间是有差别的,月球正面是平坦的,撞击坑相对较少,而月球背面就剩下密密麻麻的撞击坑了,这与它的朝向有关,一些向地球袭来的天体大多数被木星吸引过去、逃过木星吸引的还有部分就会撞击在月球背面。当然,不仅地球会对月球潮汐锁定,月球也会对地球进行潮汐锁定。现在地球的自转周期就在变慢,只不过由于月球质量太小,导致的潮汐锁定力道太小,需要上万年才会产生可观测的量变。

 

图解:加拿大芬地湾的满潮与干潮

在数十亿年前,早期月球的自转角速度远快于公转角速度。但由于地球引力对月球产生的潮汐作用,月球的赤道两侧被拉变形,产生潮汐隆起。当月球自转时,潮汐隆起部分会被地球引力往后拉拽,从而让月球自转减速。由于引力会随距离衰减,地球各部分受到的离心力却是相同的,这就使得地球面向太阳的一侧引力大于离心力;背向太阳的一侧引力小于离心力,于是海水就在这两个方向朝相反方向“隆起”了,其具体的表现就是海水涨潮了,这就叫做潮汐力。

资料图:图为月球背面南极艾特肯盆地(South Pole-Aitken
basin)的地貌卫星图片。(拖拽图片可查看大图)

牛顿的解释是,当你计算地球和月球在地球表面每一点上的重力差时,你会得到如下的习惯法编绘图表:

这就形成了一对力偶,让月球有红色箭头的旋转趋势。与自转方向相反,这对力偶就实际上起到了减缓月球自转的作用,最终把自转速度将为公转速度一样,即月球的一侧永远朝向地球。返回搜狐,查看更多

(科技日报12月12日报道)12月8日2时23分,嫦娥四号探测器搭乘长征三号乙运载火箭,开始了奔月之旅。她肩负着沉甸甸的使命:首次实现人类探测器月球背面软着陆。

这也是“等势面”的形状,在这里质量处于平衡状态,并且瞬间处于“静止”状态。引力潮汐有两种:固体潮和水潮。固体潮是固体地球对地球固体岩石中的引力变形的回应。月球固体潮相对于地球的无应力形状有0.3米高,而太阳固体潮大约是这个高度的一半。

请注意这里的关键词——月球背面。曾经无数次举头望明月的你,是否留意过,我们始终只能看到月亮有玉兔和月桂树的那一面?没错,千百年来月球始终只有一面对着地球,另一面始终背对地球。问题来了,是谁把月球变成了双面伊人?

图解:月球公转与地球自转方向相同,但地球自转速度快于月球公转,使涨潮被地球自转带着跑,在月球至中天前到来,相差约3度。
月球与潮汐隆起相互吸引,使得地球自转渐渐变慢,而月球公转渐快。这使得当前每一年月球轨道约推离地球38毫米,而地球的一日延长约23微秒。
因为月球对地球万有引力的作用,地球视作一固态整体,较背对月球一侧的海水更被拉近月球,因此背对月球一侧的海水形同“升高”了。这造成两端的潮汐隆起与每天两次的涨潮。

■同步自转只是表面原因

水潮汐则高得多,因为水的密度比岩石低,水可以自由地在地球表面流动,其惯性比岩石小。水潮汐能够比它们高出10米!

用一句话解释这个现象,也很容易:月球绕地球公转一圈和月球自转一圈的时间,都是28天左右。想象一下,绕大树画个大圆圈,在大圆圈上均匀标出360个刻度。始终面对这棵大树走一圈,用360步走完。在大圆圈上每走1步,身体就倾斜1度。走完时身体也同时完成360度旋转,回到原位。也就是说,当你用同样的时间完成自转和公转时,你始终会一面对着大树。月球始终一面对着地球的现象也是如此。在天文学中,这叫同步自转。然而,这只是表面原因。

你会认为固体潮汐会严重地弯曲地面,以至于管道、铁路轨道和其他交通系统会随着时间的推移弯曲和断裂。所幸的是,这种扭曲的规模是跨越大洲的,如下图所示。

“月球形成早期,自转速度比现在快多了。只有几个小时,而不是现在的28天左右。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者,对地球而言,月球也曾是“多面伊人”。是数亿年来,月球自转速度不断变慢,慢到自转和公转周期几乎一样,才导致它始终一面对着地球。所以,根本原因在于,是谁给月球自转踩了刹车?

月球潮汐力:这些图像描绘了直接从北纬30°(或南纬30°)以上的月球,显示了这颗行星的两面。红色部分朝上,蓝色部分朝下。(维基百科中的“地球潮汐”一词)红色表示由于固体潮汐而向上移动0.3米。每一块方形瓦片的边长约为600公里,因此,如果你计算从凸起部分的顶端(红色部分)到最小的“蓝色”变形区域的变形,你会算出每公里垂直位移约为0.027毫米!如果你有一根1公里长的管子,它的两端会弯曲0.027毫米,或者说是27微米……这还不足以造成结构的破坏。

■潮汐力难辞其咎

图解:月球对地球不同部分的引力与对地心引力的差别

要解释月球自转变慢,潮汐力是最容易想到的因素。地球和月球相互绕转,且相互具有万有引力,彼此都会给对方施加潮汐力。地球上的潮汐现象,就与月球对地球的引力有关。住在海边的人,会发现海水一天有两次涨潮和落潮。一次是月亮在地球背面时,另一次是月亮在头顶时。周礼勇解释说,这是因为地球正对月亮的那面,受到的月球引力更强;背对月亮的那面,受到的月球引力较弱。引力的方向都朝着月球。而地球在绕月球转时,无论哪个点的离心力都一样。离心力的方向与月球施加于地球的引力方向相反。如此一来,地球背对月球的那面,受到的月球引力稍小于离心力,面对月球的那面月球引力稍大于离心力,最终两面都感受到一个离开地心方向的力。所以地球两侧的海水就涨起来了。

像欧洲核子研究中心的大型强子对撞机这样的大型科学仪器,必须在环形的机械中包含这种扭曲设计,而环形的机械设计必须精确,这样才能使循环中的质子的路径不受这种扭曲的影响。

“月球在绕地球转时,同样会受到地球带来的潮汐力。”周礼勇说,地球潮汐力的作用,是让月球正对和背对地球的面都鼓起来,让月球变扁了。尽管月球上没有海水,月壳、月幔和月核却依然可以感受到潮汐力,并在月球内部形成不断涌动的固体潮。这种固体潮导致月球幔层之间不断摩擦,转变为月壳内部的热能。这在几十亿年时间内,可以耗散月球部分动能。

图解:从空中鸟瞰大型强子对撞机的地理环境,虽然结构大部分在法国境内,但是主要的建筑则多在瑞士。

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那么这一切与潮汐是否在赤道被发现有什么关系呢?

虽然牛顿给了我们固体潮汐的基本引力理论,但他把这个理论应用到水的运动上时,许多细节上是不正确的。法国数学家拉普拉斯运用了牛顿的引力理论,但他意识到引力理论在潮汐中的应用更多地与各种水振荡的引力作用有关。水的振荡被视为一个有许多不同的共振频率的谐波系统,它能够更有力地描述地球上的水潮汐的细节。当你把主要的月球潮汐和作用在地球表面一个形状复杂的水层上的太阳潮汐结合起来,你将得到一个截然不同的高潮和低潮的模式,如图所示。

这张由美国国家航空和宇宙航行局/戈达德太空飞行中心的理查德·雷博士/空间测地学分部制作的图,显示了M2月球潮汐的组成成分。振幅由颜色表示,白线表示同潮时期相差1小时。在等潮线辐辏点周围的弧线显示了潮汐的方向,每个都表示一个同步的6小时周期。值得注意的是,海水的这种反应实际上与上述的牛顿的计算中所期望的简单的双凸起、重力应力模式毫无关系。

那么,在赤道有潮汐吗?答案是:有的。事实上,只有在靠近两极的地方才有非常弱的潮汐!

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

  1. astronomycafe- TomatoFIKA

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