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        誰正在把月球推走?

        來源:果殼網| 知力科普 發表于 2014.2.12| 點擊數10629

        月球正在遠離我們。圖片來源于網絡。

        (文/劉茜)事件:“阿波羅”號登月時,宇航員在月球表面安放了一面鏡子(測距儀)。此后,科學家從地球上向這面鏡子發射激光,并通過激光往返時間測算地月距離。結果顯示,月球每年遠離地球約3.8厘米。

        月球遠離,“真兇”是誰?

        1695年,埃德蒙·哈雷開始埋首于彗星軌道的研究。這是一件極端需要勤奮與耐心的工作,不光是因為驚人的計算量,還有從卷帙浩繁的故紙堆里一點點搜尋相關記載的水磨工夫。直到十年后哈雷才發表了關于那顆后來以他名字命名的彗星的計算,但在那之前,他先發現了一件看上去匪夷所思的事:    

        從歷史記錄中的日月食時間來看,月球的運行速度似乎發生了變化。      

        要是再退回去兩百年,恐怕根本不會有人相信月亮居然會有什么改變。幸好在哈雷那個時代,科學剛剛取得了一個偉大的勝利:《自然哲學的數學原理》出版,牛頓的萬有引力理論為人類提供了分析和認識宇宙的武器。如果沒有證據表明歷史記錄出了錯,那么記錄下來的事不管有多難以置信,都應該先認為它發生了。于是天文學家們摩拳擦掌地向這個謎團撲了上去:首先是計算出了月球運動的變化量,每一百年多移動了10角秒。10角秒是多大的距離?它僅僅是1度的1/360。這樣的變化真是太微乎其微了,難怪直到17世紀末才被察覺。天文學家由此計算了月球的軌道,這個發現意味著它正在遠離我們。沒人對此感到恐慌,牛頓已經告訴了大家,引力揮舞著控制整個太陽系乃至整個宇宙的指揮棒,一定有什么東西的引力影響著月球,只需要找出它是誰。太陽是第一個“嫌犯”:它的質量最大,引力作用想必也最大。其次是金星,它是離地球最近的行星。不過接下來的計算就讓天文學家們有些挫敗:太陽的影響——專門術語叫“攝動”——頂多只能解釋月球運動變化量的一半,而金星的攝動完全可以忽略不計。至于火星,比金星更小又更遠,那就更不能指望了。

        解釋這個現象的最終可能落在了地球身上。在哈雷發現月球變化的一個半世紀之后,人們確定了導致月球遠離地球的“真兇”:那就是地球自己。

        地月相吸,為何越來越遠?

        假如地球和月球都像高中物理習題集的描述那樣只是一個質點,那地球的引力是絕不可能反而把月球推走的。但它們在真實世界中不但是個巨大的球,而且是個會變形的巨大的球。要是你曾經在皓月當空的夜晚在海邊漫步,就會對這種變形有著深刻的感受。同一個地點的海面每天會經歷兩次高潮——月球吸引著包裹在地球表面的海水,形成一個橢球形的“水球”,水球的長軸方向從地球指向月球。長軸方向的海面在一天中達到最高,這是“潮”;短軸方向的海面在一天中最低,這是“汐”。

        潮和汐的產生,是因為地球表面不同的地方受到不同大小的月球引力,所以物理學上用“潮汐力”來稱呼由于引力差異而產生的力。地球在月球的影響下產生潮汐,月球雖然表面沒有海洋,也照樣會在地球的影響下產生非常微小的拉伸變形,不妨把這看作是固體的“潮汐”。    

        現在你退到海岸的高處,海面不斷升高,浸濕了沙灘。別忘了,與此同時地球在自轉,而月球在繞著地球公轉。地球自轉比月球公轉快得多,所以海面的最高點根本來不及恢復原狀,馬上就會被地球的自轉帶到月球的前方:瞧,月亮不是漸漸偏西了嗎?這一大團凸出的海水可以近似地和月球單獨“結算”引力,前方的海水和落在它身后的月球互相拉扯。先進帶動后進的結果是月球在軌道上獲得了加速度,來自地球的引力不能讓它安分待在原來的軌道上,于是月球竄到了能量更高、離地球更遠的軌道,這就是“潮汐加速”。而地球呢?原本好好的自轉著,卻被一團向后的海水拖了后腿,自轉的速度不得不稍微放慢一點。這樣的情況每時每刻都在地球的海面上發生,日積月累,后果終于變得不可忽略。    

        要是你覺得地球的變化似乎很難有切身體會的話——過去 10萬年累積下來,地球的自轉周期一共變慢了1.5 秒,這確實對我們的生活沒啥影響。那么我們不妨抬頭看看月球,月球并不是天生這樣癡心一片朝向我們的,它當初也有自轉,只是它的質量比地球小,自轉已經被來自地球的潮汐力“消滅”了。月球表面的固體潮最后被牢牢地鎖定在正對地球的方向,永遠只能用同一面朝向地球,這就是“潮汐鎖定”。 

        從其中一顆冥衛上看到的冥王星和冥衛一。藝術家想象圖。

        質量較小的月球已經被鎖定了,質量較大的地球也正前進在被鎖定的路上。月球在潮汐的幫助下,不斷地“偷走”地球自轉的能量,一直要到地球的海潮也被鎖定在正對月球的方向,潮汐的這種“吃里爬外”的行為才會結束,科學家估計這需要好幾十億年的時間。到那個時候,潮起潮落和月升月落將變成遠古的歷史名詞,歷法也必將面目全非:一天和一個月長度相等,都是現在一天(24 小時)長度的47倍,一年只有不到 8天。我們太陽系的近鄰里就有這么一對兒榜樣:冥王星和它的衛星冥衛一。這兩個天體的質量差異更小、彼此距離更近,早早地就達到了彼此的潮汐鎖定,面對面地繞著共同質心旋轉,仿佛跳著默契的雙人華爾茲一般。天體質量差別太大的系統就不太“公平”了,小天體不但被單方面“鎖定”,還要被大天體的潮汐力捏圓再捏扁,甚至可以把它捏出噴泉來,比如木星和土星的某些衛星的遭遇。

        土星的潮汐力讓土衛二表面噴出了冰水混合的噴泉。圖片來源:美國國家航空航天局,噴氣推進實驗室,空間科學研究所(SSI)。

        月球曾有多近,海洋知道答案

        月球正在逐漸遠離我們,那么它以前一定離地球很近,要是反推回去足夠久遠的時間——影響彼此的演化。這正是目前天文學家仍對地月系統間的潮汐加速興趣不減的原因,因為這也許能幫助我們揭開月球的起源之謎。這種從現有的少量數據出發,向數值范圍外的大膽推演是天文學家相當依賴的一種思考方式——誰讓他們研究的對象時間跨度那么大,而他們能夠觀測到的證據相對而言又那么少呢?你要是知道他們怎么測量宇宙,怎么熟練地像下跳棋一樣從幾十光年跳到幾十億光年的尺度,那才真的瞠目結舌呢。整個宇宙都被他們回溯成了一個奇點,比較起來,給地月系統回溯出一個肩并肩的過去那真不算什么。    

        月球現在遠離我們的速度可以非常精確地量出來:阿波羅計劃在月面上安裝了測距儀,測出地月距離每年增加大約38毫米,恰好是目前地月平均距離的一百億分之一;由此可以計算出地球現在的自轉周期變化,目前的速度是每過一百年,一天的長度增加2.3毫秒。    

        月球對地球施加潮汐力,大潮出現在月下點和對跖點,小潮出現在面向太陽和北向太陽的方向(圖中假設地球沒有陸地同時海洋的深度不變)。

        要是這個速度一直不曾改變的話,我們就能直接算出恐龍時代的一天有多長了:從6500萬年前它們滅絕那會兒到現在,地球的自轉周期大約增加了25分鐘。不幸的是,地球自轉的放緩不可能是均勻的,不能用現在的數據來計算以前的情況。那我們怎么能知道遠古以前地球是怎樣自轉的呢?天文學家尋找到了額外的助力:他們得到了地質學家和古生物學家的幫助。    

        按理來說,從地球上出現海洋的那一刻起,潮汐作用就穩定地施加在了地球身上,也在地球表面的巖石上留下了痕跡。不過我們找不到那么遙遠的證據,因為地球的板塊運動讓地殼的巖石始終不斷地循環,大部分的古老巖石都湮沒在巖漿中。從原核生物沉積形成的疊層石記錄看來,至少在25億年前,地球就顯著地受到潮汐作用影響。地質學家們研究了遠古時期的受潮汐影響的沉積巖層——他們管這種巖層叫“潮汐韻律層”——得出結論說9億年前地球上的一天大約只有18個小時,一年大概有481天;另一片6.2億年前的潮汐韻律層說明,當時的一天有21.9個小時,一年大約有400天,合13個月。    

        地月間潮汐作用的大小受到地球陸地和海洋分布的影響,而在整個地球46億年的演化過程中,地表發生過無數次滄海桑田的變化。光是冰期和間冰期之間的變動就會讓潮汐的大小產生明顯的不同,而由遠古時期的超大陸、超大洋變為如今的七大洲、四大洋,其間的差異更是翻天覆地。目前地球自轉的變慢幅度是長期以來最快的,以前的變化要更小一些。除了沉積巖層之外,古代的生物也提供了關于晝夜節律的線索。珊瑚和貝類是已經在地球上存在了至少4億年的物種,這兩種生物在環境合適的條件下,晝夜的生長速度有著明顯的 不同,并且也會體現出明顯的四季變化。于是,從它們的生長痕跡中就能辨別出一年的天數。現代的珊瑚每年會長出大約360根體現晝夜變化的生長紋,而在泥盆紀的珊瑚化石中,發現的生長紋大約是400根。更有意思的是,把從4億年前到6500萬年前的貝類化石按照年代排序,會發現年代越早的化石,體現出的生長紋越多。   

        月球軌道的演變,在地球遠古的生物身上留下了痕跡。而月球本身,也為地球生命的出現做出了貢獻。由于月球巨大的質量,地月之間的潮汐作用很快讓地球的軌道穩定下來,使地球表面的環境相對平穩,從而有利于原始生命的誕生。如今的月球雖然與地球漸行漸遠,但始終還將陪伴在我們身邊。天文學家計算過,大約 20億年后,膨脹的太陽將把地球表面的海水蒸干,那時月球的遠行步伐會進一步放慢。地月之間這段海枯石爛的緣分,要直到45億年后太陽吞沒地球,地老天荒的時候才會終結。

        本文原發表于《知識就是力量》。

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

         

         


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