谁正在把月球推走?

来源:果壳网| 知力科普 发表于 2014.2.12| 点击数12159

月球正在远离我们。图片来源于网络。

(文/刘茜)事件:“阿波罗”号登月时,宇航员在月球表面安放了一面镜子(测距仪)。此后,科学家从地球上向这面镜子发射激光,并通过激光往返时间测算地月距离。结果显示,月球每年远离地球约3.8厘米。

月球远离,“真凶”是谁?

1695年,埃德蒙·哈雷开始埋首于彗星轨道的研究。这是一件极端需要勤奋与耐心的工作,不光是因为惊人的计算量,还有从卷帙浩繁的故纸堆里一点点搜寻相关记载的水磨工夫。直到十年后哈雷才发表了关于那颗后来以他名字命名的彗星的计算,但在那之前,他先发现了一件看上去匪夷所思的事:    

从历史记录中的日月食时间来看,月球的运行速度似乎发生了变化。      

要是再退回去两百年,恐怕根本不会有人相信月亮居然会有什么改变。幸好在哈雷那个时代,科学刚刚取得了一个伟大的胜利:《自然哲学的数学原理》出版,牛顿的万有引力理论为人类提供了分析和认识宇宙的武器。如果没有证据表明历史记录出了错,那么记录下来的事不管有多难以置信,都应该先认为它发生了。于是天文学家们摩拳擦掌地向这个谜团扑了上去:首先是计算出了月球运动的变化量,每一百年多移动了10角秒。10角秒是多大的距离?它仅仅是1度的1/360。这样的变化真是太微乎其微了,难怪直到17世纪末才被察觉。天文学家由此计算了月球的轨道,这个发现意味着它正在远离我们。没人对此感到恐慌,牛顿已经告诉了大家,引力挥舞着控制整个太阳系乃至整个宇宙的指挥棒,一定有什么东西的引力影响着月球,只需要找出它是谁。太阳是第一个“嫌犯”:它的质量最大,引力作用想必也最大。其次是金星,它是离地球最近的行星。不过接下来的计算就让天文学家们有些挫败:太阳的影响——专门术语叫“摄动”——顶多只能解释月球运动变化量的一半,而金星的摄动完全可以忽略不计。至于火星,比金星更小又更远,那就更不能指望了。

解释这个现象的最终可能落在了地球身上。在哈雷发现月球变化的一个半世纪之后,人们确定了导致月球远离地球的“真凶”:那就是地球自己。

地月相吸,为何越来越远?

假如地球和月球都像高中物理习题集的描述那样只是一个质点,那地球的引力是绝不可能反而把月球推走的。但它们在真实世界中不但是个巨大的球,而且是个会变形的巨大的球。要是你曾经在皓月当空的夜晚在海边漫步,就会对这种变形有着深刻的感受。同一个地点的海面每天会经历两次高潮——月球吸引着包裹在地球表面的海水,形成一个椭球形的“水球”,水球的长轴方向从地球指向月球。长轴方向的海面在一天中达到最高,这是“潮”;短轴方向的海面在一天中最低,这是“汐”。

潮和汐的产生,是因为地球表面不同的地方受到不同大小的月球引力,所以物理学上用“潮汐力”来称呼由于引力差异而产生的力。地球在月球的影响下产生潮汐,月球虽然表面没有海洋,也照样会在地球的影响下产生非常微小的拉伸变形,不妨把这看作是固体的“潮汐”。    

现在你退到海岸的高处,海面不断升高,浸湿了沙滩。别忘了,与此同时地球在自转,而月球在绕着地球公转。地球自转比月球公转快得多,所以海面的最高点根本来不及恢复原状,马上就会被地球的自转带到月球的前方:瞧,月亮不是渐渐偏西了吗?这一大团凸出的海水可以近似地和月球单独“结算”引力,前方的海水和落在它身后的月球互相拉扯。先进带动后进的结果是月球在轨道上获得了加速度,来自地球的引力不能让它安分待在原来的轨道上,于是月球窜到了能量更高、离地球更远的轨道,这就是“潮汐加速”。而地球呢?原本好好的自转着,却被一团向后的海水拖了后腿,自转的速度不得不稍微放慢一点。这样的情况每时每刻都在地球的海面上发生,日积月累,后果终于变得不可忽略。    

要是你觉得地球的变化似乎很难有切身体会的话——过去 10万年累积下来,地球的自转周期一共变慢了1.5 秒,这确实对我们的生活没啥影响。那么我们不妨抬头看看月球,月球并不是天生这样痴心一片朝向我们的,它当初也有自转,只是它的质量比地球小,自转已经被来自地球的潮汐力“消灭”了。月球表面的固体潮最后被牢牢地锁定在正对地球的方向,永远只能用同一面朝向地球,这就是“潮汐锁定”。 

从其中一颗冥卫上看到的冥王星和冥卫一。艺术家想象图。

质量较小的月球已经被锁定了,质量较大的地球也正前进在被锁定的路上。月球在潮汐的帮助下,不断地“偷走”地球自转的能量,一直要到地球的海潮也被锁定在正对月球的方向,潮汐的这种“吃里爬外”的行为才会结束,科学家估计这需要好几十亿年的时间。到那个时候,潮起潮落和月升月落将变成远古的历史名词,历法也必将面目全非:一天和一个月长度相等,都是现在一天(24 小时)长度的47倍,一年只有不到 8天。我们太阳系的近邻里就有这么一对儿榜样:冥王星和它的卫星冥卫一。这两个天体的质量差异更小、彼此距离更近,早早地就达到了彼此的潮汐锁定,面对面地绕着共同质心旋转,仿佛跳着默契的双人华尔兹一般。天体质量差别太大的系统就不太“公平”了,小天体不但被单方面“锁定”,还要被大天体的潮汐力捏圆再捏扁,甚至可以把它捏出喷泉来,比如木星和土星的某些卫星的遭遇。

土星的潮汐力让土卫二表面喷出了冰水混合的喷泉。图片来源:美国国家航空航天局,喷气推进实验室,空间科学研究所(SSI)。

月球曾有多近,海洋知道答案

月球正在逐渐远离我们,那么它以前一定离地球很近,要是反推回去足够久远的时间——影响彼此的演化。这正是目前天文学家仍对地月系统间的潮汐加速兴趣不减的原因,因为这也许能帮助我们揭开月球的起源之谜。这种从现有的少量数据出发,向数值范围外的大胆推演是天文学家相当依赖的一种思考方式——谁让他们研究的对象时间跨度那么大,而他们能够观测到的证据相对而言又那么少呢?你要是知道他们怎么测量宇宙,怎么熟练地像下跳棋一样从几十光年跳到几十亿光年的尺度,那才真的瞠目结舌呢。整个宇宙都被他们回溯成了一个奇点,比较起来,给地月系统回溯出一个肩并肩的过去那真不算什么。    

月球现在远离我们的速度可以非常精确地量出来:阿波罗计划在月面上安装了测距仪,测出地月距离每年增加大约38毫米,恰好是目前地月平均距离的一百亿分之一;由此可以计算出地球现在的自转周期变化,目前的速度是每过一百年,一天的长度增加2.3毫秒。    

月球对地球施加潮汐力,大潮出现在月下点和对跖点,小潮出现在面向太阳和北向太阳的方向(图中假设地球没有陆地同时海洋的深度不变)。

要是这个速度一直不曾改变的话,我们就能直接算出恐龙时代的一天有多长了:从6500万年前它们灭绝那会儿到现在,地球的自转周期大约增加了25分钟。不幸的是,地球自转的放缓不可能是均匀的,不能用现在的数据来计算以前的情况。那我们怎么能知道远古以前地球是怎样自转的呢?天文学家寻找到了额外的助力:他们得到了地质学家和古生物学家的帮助。    

按理来说,从地球上出现海洋的那一刻起,潮汐作用就稳定地施加在了地球身上,也在地球表面的岩石上留下了痕迹。不过我们找不到那么遥远的证据,因为地球的板块运动让地壳的岩石始终不断地循环,大部分的古老岩石都湮没在岩浆中。从原核生物沉积形成的叠层石记录看来,至少在25亿年前,地球就显著地受到潮汐作用影响。地质学家们研究了远古时期的受潮汐影响的沉积岩层——他们管这种岩层叫“潮汐韵律层”——得出结论说9亿年前地球上的一天大约只有18个小时,一年大概有481天;另一片6.2亿年前的潮汐韵律层说明,当时的一天有21.9个小时,一年大约有400天,合13个月。    

地月间潮汐作用的大小受到地球陆地和海洋分布的影响,而在整个地球46亿年的演化过程中,地表发生过无数次沧海桑田的变化。光是冰期和间冰期之间的变动就会让潮汐的大小产生明显的不同,而由远古时期的超大陆、超大洋变为如今的七大洲、四大洋,其间的差异更是翻天覆地。目前地球自转的变慢幅度是长期以来最快的,以前的变化要更小一些。除了沉积岩层之外,古代的生物也提供了关于昼夜节律的线索。珊瑚和贝类是已经在地球上存在了至少4亿年的物种,这两种生物在环境合适的条件下,昼夜的生长速度有着明显的 不同,并且也会体现出明显的四季变化。于是,从它们的生长痕迹中就能辨别出一年的天数。现代的珊瑚每年会长出大约360根体现昼夜变化的生长纹,而在泥盆纪的珊瑚化石中,发现的生长纹大约是400根。更有意思的是,把从4亿年前到6500万年前的贝类化石按照年代排序,会发现年代越早的化石,体现出的生长纹越多。   

月球轨道的演变,在地球远古的生物身上留下了痕迹。而月球本身,也为地球生命的出现做出了贡献。由于月球巨大的质量,地月之间的潮汐作用很快让地球的轨道稳定下来,使地球表面的环境相对平稳,从而有利于原始生命的诞生。如今的月球虽然与地球渐行渐远,但始终还将陪伴在我们身边。天文学家计算过,大约 20亿年后,膨胀的太阳将把地球表面的海水蒸干,那时月球的远行步伐会进一步放慢。地月之间这段海枯石烂的缘分,要直到45亿年后太阳吞没地球,地老天荒的时候才会终结。

本文原发表于《知识就是力量》。

转自http://www.guokr.com/article/437980/

 

 


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