月球以一面朝向地球,这不是偶然,而是确有其理,一切皆因“潮汐锁定”。
要探究潮汐锁定的奥秘,咱们先来了解一下什么是潮汐力。
想象你手握一只充气的圆球,用线拉着它旋转,使它在你的头顶形成一个圆圈,那气球会怎样?
没错,它会变成一个椭圆。这是因为绳子的拉力和圆周运动产生的离心力共同作用所致。气球连接着线的一端会受到向心的拉力,而离心力则作用在气球的其他部分,向外拉扯,这两股力一内一外地改变了气球的形状。
类似的现象也会发生在绕转的天体上。
例如地球一边绕太阳公转,一边受到引力与离心力的影响。正是这二者的平衡使得地球既不会坠入太阳,也不会飞离,但这种平衡仅限于地球的中心。
由于引力随距离递减,地球各处所受的离心力是均等的,但面向太阳一侧的引力大于离心力,而背向太阳一侧则反之,这就导致海水在这两个方向上相对“鼓起”,形成涨潮,即我们所说的潮汐。
需要注意的是,地球的潮汐还会受到太阳和月亮的共同作用,因此有大潮和小潮的区别,这个我们稍后再谈。
我们现在关心的焦点是潮汐锁定。
如同海水受潮汐力鼓起,月球绕地球转动时也受到潮汐力的影响。尽管月球上没有海洋,但固体物质在长时间作用下也会产生形变,因而月球实际上呈椭圆状。
而一个椭圆状的天体,在引力作用下会如何呢?
我们以一个夸张的例子来想象:
设想一个本就是椭圆的气球,线系在较长的一端,你无论从哪个方向拉动绳子,气球都会在引力的作用下“站立”起来。
对于椭圆的天体也是如此,引力作用在较长部分最强,这导致该部分倾向于朝向引力的方向,久而久之,椭圆状的月球便会始终以一个“站立”的姿态面对地球。
当然,我们举的例子可能略显夸张,但其核心原理是:月球朝向地球的一面总是其较长的部分。
读者可能会问:
地球和月球互相吸引,双方的固体都会发生形变,那为何地球没有被月球的潮汐力锁定,始终以不同面朝向月球呢?
这涉及到多种因素,其中之一是地球的质量远大于月球,更关键的是,锁定过程需要漫长的时间。如果时间足够长,地球也会被月球或太阳锁定。
例如冥王星与其卫星卡戎,它们互为锁定,总是以同一面相对,这与两者质量相近、相互环绕的质心位于冥王星外部有关。
读者可观察下文的两幅示意图,左图显示的是地球与月球环绕的质心位置,右图则是冥王星与卡戎的质心,明显可以看出不同。
由于冥王星与卡戎的运动模式,使得冥王星更易被拉长,长条形的天体更易被潮汐锁定。
而地球与月球的运动模式,使得地球的形变并不显著,潮汐锁定的过程极其漫长。据科学家推算,即使太阳衰变为白矮星,地球被潮汐锁定的可能性也极低。