月亮为什么一面总是向着地球

随着潮汐研究的深入,人们发现不仅海水有涨落潮汐。作为地球主要构成的岩石固体也会由于引潮力发生变形而起伏。1876年英国学者开尔文(Kelvin,1824-1909)从地球形变的迹象中提出地球是弹性体而不是完全刚体的观点,提出可能由于月球的运行而变形。

直到1883年英国的达尔文(G.H.Darwin,1845-1912)对海潮观测中长周期分量的数据进行比较,发现它只有理论值的2/3,他认为所损失的1/3是由于地球的固体表面发生与海水类似的周期性涨落所致,从而在理论上验证了固体潮的存在,后来由于许多学者进一步的从理论和实测多方面的探索,发现固体潮的确存在,而且最大位移可以有1000px之多。在科学进步,大地测量的精度日益提高的要求下,固体潮会成为影响测量精度的很重要的一种因素。

同样,包围着地球的大气也会由于月亮和太阳的引潮力产生全球性的震荡。这就是大气潮。大气潮对于人类在太空的活动会有影响。

目前,从开天辟地就有的潮汐,对地球的影响,至少有三点值得注意的。

其一是地球自转变慢。地球自转速度变慢是一个已经经过各方面证实了的事实。科学家经过测算,地球日长每百年间增加0.0012至0.002秒。一些考古学家也断定地球4亿年前泥盆纪时代的珊瑚虫化石上“年轮”中有400条“日轮”,地球在13亿年前1年大约500天。现今人们认为,地球自转变慢的主要原因就是潮汐。它的来回受阻尼的耗散运动,其中固体潮,也由于在固体振动中有内耗,消耗了地球自转的动能,从而使地球自旋减慢。

具体地说,如图地球上的高潮总要滞后一点,也就是在月球过了头顶上的子午线后一些时间高潮才会到来,这是由于潮汐质点运动的惯性,它们在受到月球的引潮力之后产生加速度,过一定的时间位移才会到达最大值。由于这种滞后,可以看出,月亮对于离月球比较近的A点的引力会比较大,而对离月球比较远的C点的引力比较小,这种引力差,会形成一个与地球自转方向相反的力矩,而这个力矩会通过流体之间运动的摩擦力传递到地球的固体地壳,由于这个力矩的长期作用,所以即使很小,也会积累使地球旋转速度减慢。进一步地球上的固体潮和大气潮也会加强这种刹车作用。这就是引潮力能够使地球旋转刹车的原因。

地球潮汐高潮的滞后

由于潮汐可以使星球的自转减慢,那么减慢到一定程度,就会不再相对地球转动,这就是天体演化中的“潮汐锁定”。具体说,月球总是一面朝向地球,另一面总是背向地球。由于月球比地球小很多,所以先前的月球即使是自己旋转着的,也会被地球对它的引潮力作用逐渐减慢直至“锁定”。

其二是,固体潮引发地震。由于地壳是由岩石固体材料组成的,而固体潮使它承受昼夜两次交变的应力。我们知道任何材料在交变应力作用下,会有疲劳破坏的问题。同样在地壳薄弱的地方,也会由于引潮力交变作用发生断裂,这,也许就是引发地震的一种原因。

其三是,引潮力会撕裂巨大天体的伴星。我们在地球上可能觉得引潮力是很小的,其实,当伴星与主星距离减小到一定程度主星的引潮力就会把伴星撕裂。因为向着主星的一面引潮力是拉力,背着主星的一面引潮力是推力,两个力大到一定程度,就会把他撕裂或撕得粉碎。有一个数,称为洛希极限,它是法国天文学家爱德华·洛希(Édouard Albert Roche,1820—1883)于1848年提出的,它是一个距离。它等于行星赤道半径的2.44倍。如果一个天体的物质仅仅是由万有引力聚集在一起的,当天体和第二个天体的距离为洛希极限时,天体自身的重力和第二个天体造成的潮汐力相等[注]。如果它们的距离小于洛希极限,这时由于引潮力大于聚集的引力,天体就会倾向碎散,继而成为第二个天体的环。洛希就是用这个理论去解释土星光环是怎样形成的。

稿源:科学网

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