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幔游”课题组

"Rocking Mantle" Group





为什么月球总是一面朝向地球

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月球是地球唯一的天然卫星。地月平均距离38万千米,并自西向东沿逆时针的方向围绕地球旋转。与此同时,它也在自西向东沿逆时针的方向自转。值得一提的是,月球是一颗相当巨大的卫星:它的直径大概是地球的27%,而质量大概是地球的1.23%。这个相对比例在太阳系所有的卫星中都是鹤立鸡群的。月球本身不会发光,只能反射太阳光。由于反射太阳光的能力不同,月球表面就呈现出了明暗交错的样子。明亮的区域是月球上的高原,被称为月陆;而阴暗的区域是月球上的盆地,被称为月海。月球表面还有一个很显著的特征:到处都是星罗棋布的环形山。所谓的环形山,其实就是小行星或彗星撞击月球表面所形成的大坑,因此也被称为撞击坑。据统计,光是直径超过1千米的撞击坑,在月球上就有不下30万个。


很早以前,人们就注意到了一个非常诡异的现象:月球总是一面朝向地球。换句话说,我们在地球上只能看见月球的一面(即正面),而永远看不见它的另一面(即背面)。这到底是怎么回事呢?


为了回答这个问题,让我从一个大家非常熟悉的自然现象说起。


众所周知,地球上的海水每天都会周期性地发生涨潮和落潮,这就是所谓的潮汐现象。其中“潮”由“水”和“朝”组合而成,代表“早上的涌水”;而“汐”由“水”和“夕”组合而成,代表“黄昏的涌水”。“潮”和“汐”合在一起,就描述了海水每天在与海面垂直方向上的周期性涨落。


那为什么会发生潮汐呢?最早猜出正确答案的人,是大天文学家约翰内斯·开普勒,开普勒于17世纪初提出了著名的行星运动三定律,因而被后世称为“天上的立法者”。


1609年,开普勒提出了一个关于潮汐起源的理论。他认为,地球上之所以会有潮汐,主要是由于月球的吸引力。事实上,这个理论已经远远超越了时代。因为要再等整整78年,牛顿才能提出万有引力定律。直到那时,人类才能彻底地理解潮汐的起源。

图2.3就是地球上能产生潮汐现象的原理图。



由于地球本身有一定的大小,地球表面就会有一个地方离月球最近(也就是图中的月下点),同时还有一个地方离月球最远(也就是图中的对跖点)。牛顿的万有引力定律告诉我们,任意的两个物体之间都存在引力,而且引力的大小与它们距离的平方成反比。这样一来,因为离得最近,月下点受到的月球引力就最大;而由于离得最远,对跖点受到的月球引力就最小。这种引力的差异就是所谓的潮汐力。


很明显,在潮汐力的作用下,地球表面的海水就会在地月连线的方向上发生“隆起”的现象。换句话说,在月下点和对跖点,海水会出现高潮;而在两者中间的圆环区域,海水会出现低潮。由于月球在不断地绕着地球旋转,月下点和对跖点的位置就会发生周期性的改变,从而使全球的海水出现周期性的涨潮和落潮。这就是潮汐现象的由来。


很明显,月球本身也有一定的大小,所以地球对月球同样也会有潮汐力。虽然月球上没有海洋,但是地球的潮汐力可以直接作用在月球的岩石上;这样一来,月球也会在地月连线的方向上发生“隆起”。


在遥远的过去,月球的自转速度比现在要快不少,使月球正对地球的位置不断发生改变。这样一来,月球受地球潮汐力而“隆起”的部位也在不断发生改变,从而对月球内部的岩石产生了一个摩擦力。所谓的摩擦力,是一种能阻碍物体运动的力量;在日常生活中,让汽车火车能够停下来的,就是这种力量。正是这个摩擦力,减慢了月球的自转速度。


最终,地球的潮汐力把月球的自转速度减慢到了一个临界值:27.32天自转一圈。换言之,月球的自转周期恰好与它绕地球转一圈的周期相等,从而让月球的一面一直都朝向地球。此时,月球受地球潮汐力而“隆起”的部位不再发生改变,从而让月球内部的岩石不再受摩擦力,进而达到一个稳定的平衡状态。这意味着,这个月球自转速度就不再发生改变,从而使月球的一面永远都朝向地球。这在科学上被称为“潮汐锁定”。


顺便再多说一句。潮汐力不仅能减慢月球的自转速度,还能减慢地球的自转速度。事实上,与创生之初相比,目前地球的自转速度已经被减缓了一半以上。换句话说,正是由于月球的潮汐力,地球上的一天才由最初的10小时变成了今天的24小时。


我们来做个总结。很早以前人们就注意到,月球总是一面朝向地球。这是月球被地球引力潮汐锁定的结果。由于月球本身有一定的大小,它会受到地球的潮汐力,从而在地月连线的方向上发生“隆起”。这对月球内部的岩石产生了一个摩擦力,进而减慢了月球的自转速度。最终,月球的自转速度被减慢到27.32天自转一圈,这恰好与月球绕地球转一圈的周期相等。此后,月球达到了稳定的平衡状态,从而使月球的一面永远都朝向地球。


摘选自 王爽《宇宙奥德赛:漫步太阳系》有删改