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生活中的物理学——潮汐锁定

已有 3994 次阅读 2020-4-8 20:47 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 科普, 青少年, 天文学, 物理学

刚刚过去的47日,月球再次运动到其绕地轨道的近地点,这是2020年中距离地球最近的近地点。因此,这个满月看起来要更大更亮。在月盈的日子里,你有没有留意到你所看到的月亮上的阴影总是同一幅图景?想象链球运动员在扔出链球前的高速旋转,链球的一面总是正对着运动员。链球围绕运动员转一圈,它绕着其轴线也正好旋转一周。月球就是处于这样一种状态,它绕地球公转一周的同时正好自转一周。这种现象叫作潮汐锁定,又称引力锁定。

潮汐锁定和潮汐现象的物理机制是相同的,都是万有引力引起的。两个物体之间的引力强度与其距离平方成反比,与它们的质量成正比。月球在产生之初就不是一个完美的球体,再加上经年累月的潮汐力作用后,其形状是蛋形。当其处于潮汐锁定状态时,其对称轴指向地球。设想一下,如果月球的自转角速度大于或者小于公转角速度,其对称轴将偏离地月连线。由于月球近端受到的地球引力大于远端的引力,结果是地球的引力将其重新拉回对称轴指向地球的平衡态。正是这样的机制,自45亿年前产生以来,月球的转速越来越慢,直至现在的状态。现在的状态并不是终点,地球和月球组成的系统还在继续演进。

moon-earth.png

(示意图。形状、大小及距离皆不成比例。)

在链球运动员和链球组成的体系中,链球运动员也具有和链球一样的自转周期。链球运动员和链球都只有一面展示给对方。地球和月球组成的系统正在往这个方向演进,地球的自转周期以每百年2.3毫秒的速率减慢。由于引力的特点,不难想象,达到相互锁定的状态所需要的时间与这两颗星体的重量及距离有关。若行星和卫星之间的距离越近,它们的质量越大,它们相互锁定需要的时间就越短。五百亿年后,地球的自转周期、月球的自转和公转周期都将一样。那时,它们组成的系统将处于相互锁定的稳定状态。不过,它们也许等不到那一天。因为,现在的五十亿年后,太阳已经演化成一颗红巨星。那时的太阳将变得如此巨大,地球极有可能已经被太阳吞噬。

太阳系有8颗行星。除水星和金星外,其它行星少则有1颗卫星,多则有五十多颗卫星。目前已经确认的太阳系里的卫星总数有158颗。在太阳系里,除了月球被地球锁定外,还有很多卫星也都被它们的行星锁定。并且,冥王星和它的卫星卡戎已经处于相互锁定的状态。因为水星离太阳最近,它已成为太阳系里第一个被太阳锁定的行星。与月球的状态不同的是,水星的自转和公转周期的比例是23。也就是说,当水星绕太阳公转2圈后,其正好自转了3圈。如何解释水星达到现在这样一种特殊的状态并不是想象得那么简单,需要对水星在孕育之初的状态以及水星的结构等都有合理的描述才有可能给出正确的解释。2012年发表于《自然·地球科学》的研究结果表明,对于特定的初始状态,水星有68%的概率会演化成自转和公转周期一样的同步旋转状态。在同步旋转状态下,如果水星受到大的撞击,它将极有可能演化成现在的状态。




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