简单说,还是因为时间太短!
不同于地球上的旋转陀螺,短短几分钟便停下其舞步,我们的蓝色星球在浩瀚宇宙中,绕自身轴心的旋转显得格外坚韧。
诞生于46亿年前的地球,其自转速度的衰减微乎其微。以约1.7毫秒/世纪的速度,地球一天的时长正缓缓增长着(这微小的变化意味着一天的延长)。
这样的速度变化,使得每60000年,地球日会增加一秒,每400万年,会增添一分钟,而十亿年后,地球将多出4小时的白天。假若我们逆流而上,回到6500万至2.4亿年前恐龙称霸的时代,那时候的地球一天仅有23小时。
为何地球自转的节奏会放慢?月球是背后的主谋。
自45亿年前海洋诞生之日起,潮汐的魔力便开始显现。月球的引力,在地球上唤起了周期性的潮汐涨落,这些潮汐在消磨着地球自转的能量,从而减缓了地球的旋转速度。与此同时,月球也在这股力量的推动下,以每年3.8厘米的速度缓缓离我们远去。是不是有些难以想象?
那我们来举个例子。
想象一位佳人,正骑在旋转木马上疾驰,而你跨着毛驴,手持长绳,在外围奋力追赶。佳人转速飞快,而你的毛驴步伐缓慢。你将绳索套在旋转木马上,速度立时提升,旋转木马则略显迟缓。
最终,你与佳人同频共振(意味着你的速度与木马同步,套索便无法再为你加速)。这不就是佳人用她的爱意发电,分你一份能量吗?
在这场景中,你的毛驴就是月球,旋转木马就是地球,而那根长绳就是引力。我们知道,月球远离正是因为它获得了速度的提升,这便意味着地球自转的减缓,从而使一天的时间延长。终有一日,一天的长度将等同于一月,那时潮汐的魔力将停止(若以现今一天约24小时来计算,届时一天将相当于现在的47天。地月间距也将增至现值的135%)。这种情形,被称作卡西尼状态(由乔凡尼·多美尼科·卡西尼于1693年提出,那位著名的土星环缝发现者)。
在N亿年前,月球更接近地球,地球如同芭蕾舞者般旋转,双臂紧贴身体。但随着岁月流逝,月球逐渐远离,地球自转速度下降,仿佛芭蕾舞者展开双臂,以降低旋转的速度。
类似的逻辑,潮汐在全球海洋中涌动,改变了地球的惯性矩。为了保持角动量的守恒,固体地球会相应地调整其自转速度。同时,潮汐的减缓或加速,也意味着它们与固体地球不断地交换角动量,这也进一步影响了地球的自转速度(这部分内容此处略过)。
地球自转速度的减缓,是基于推测还是有实证支持?
关于行星自转长期变化的议题,一直是地球物理学领域的经典话题。300年前,英国天文学家埃德蒙多·哈雷爵士首次提出月球加速的理论。如今我们知道,哈雷爵士观察到的月球加速现象,其实只是一种表象,真正的原因是地球自转的减缓,让月球显得速度加快了。
地质学和古生物学的证据表明,在遥远的过去,地球自转速度比今日迅捷,那时的月球也更为接近地球。研究显示,3.7至6.2亿年前的地球上,一天约有22小时,一年则包含400天。在那期间,月球远离地球的平均速度约为每年2.2厘米。
如下图所示,考古学与古生物学的研究成果记录了这一过程。绿色部分代表叠层石(30亿多年蓝藻沉淀的产物),蓝色部分代表潮汐韵律层(古代沉积化石中的潮汐周期记录),红色部分为贝壳与珊瑚化石。紫色为研究者所拟合的曲线。
这些古生物学的证据揭示出,在大约4.25亿年前的志留纪,地球上每年有407天,意味着当时的一天仅相当于现今的21.5小时。到了2.8亿年前的二叠纪,一天则约为22.8小时,平均每十万年,日长增加两秒。通过对古代历史中的日食记录与近200年日食观测的推算,得出的结果与上述古生物学证据相吻合。
由此可见,地球自转的减缓是一个相对平稳的过程,并未出现剧烈的突变。
那么,是否只有月球对地球自转产生影响?
虽然月球是导致地球自转变慢的主要因素,但在过去的亿万年间,其他重大事件亦起到了作用。例如,2004年印度洋地震(即印尼海啸),使地球的自转加速了大约3微秒(地震往往会导致地球自转加速)。此外,在冰河期后期,由于地球质量分布的改变,为了保持角动量的守恒,地球的自转速度也有所调整。
何时地球自转会停止?
考虑到月球与地球质量的相对大小,这对星球伙伴愈发趋向于成为一对双行星。若忽略其他影响,潮汐作用会持续进行,直到地球自转与月球轨道周期达到匹配为止。届时,月球将固定在地球上某国的上空,如同冥王星与其卫星卡戎一样。
然而,地球自转速度的减缓实在是太过缓慢,以至于无论如何都无法等到地月锁定的那一刻,因为那时地球早已不复存在。
预计21亿年后,地球将面临太阳辐射增强导致海洋蒸发,潮汐摩擦与潮汐加速将不复存在。即便海洋得以保存(潮汐加速与太阳质量的减少将使地球远离太阳),30亿年后银河系与仙女座星系的碰撞是否会对地球产生影响?即便安然无恙,45亿年后太阳演变为红巨星,足以毁灭地球与月球。而那时,地球的自转还远未减缓至一月之长。
尽管如此,明天的月亮依旧会如期升起,生活也将继续。
有读者提及到太阳的潮汐作用,确实,太阳也对地球有着类似月球的潮汐锁定倾向。尽管它拥有更大的引力场,但由于距离较近,月球对地球产生的影响更为显著。因此,从实际的潮汐观测数据来看,太阳的潮汐作用大约是月球的一半。如果要进行理论计算,可以采用以下公式:
其中,ω代表地球自转频率,a是地球轨道的长半轴,M为太阳质量,I是地球的惯性矩,R为地球的半径,G是万有引力常数,Q是品质因子,k2是勒夫数。
不喜公式的读者,只需注意到最后的a的6次方,便能了解到潮汐锁定的时间与两个天体间距离的六次方成正比。也就是说,距离增加12%,潮汐锁定的时间大概会翻倍。因此,距离的影响极为显著。据此,我们得出结论:月球是地球自转变慢的主要推手,而太阳则是钱塘江大潮中的共犯。
根据粗略计算,地月锁定可能需要一两百亿年,而地日锁定则需五六百亿年。但太阳作为一颗黄矮星,寿命大约为一百亿年,目前太阳大约50亿岁,因此再过大约50亿年,太阳内部的氢元素将耗尽,太阳核心会因坍缩而温度飙升,呈现一片地狱般的景象,这比潮汐锁定来得早得多。