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月球的自转是靠地球引力“捻”动的

2013-10-12 11:03:37 来源:

没有想到今年中秋节,科学网这么热闹。也许是今年的月亮特别大,特别亮,更可能是大家的相机都升级了,反正看到好多博友都在网上秀自己拍摄的十五的月亮,看得我只流口水,可惜咱相机不行,勉强用手机拍摄了一幅,实在拿不出手。不过,评价一下别人的还是不错的。

不知何时,大家开始谈论月球的脸面和脑袋的问题了。看到了老邪的文章,他这次倒是一本正经地发了好几篇文章,请求科普,并冠名为“看不见月亮后脑勺的物理机制”,写得好长好长的博文,我记得老邪的文章总是言简意赅的,老长的博文倒看起来不适应了。我耐着性子读了一遍,还是稀里糊涂的。因为我一直觉得这个问题不难呀,所以信手评价到:“老邪呀,我一直不觉得这是一个难题。不用深奥的物理学和天文学知识,其实也能理解的,您是否考虑得太复杂了?至少我根据已经知道的事实是这样理解的:......月球正面是月瘤(月 质量瘤),集中着比较多的高密度物质,是月球表面重力比较大的地方。说月球自转或者公转只是人们为了研究方便而刻意的一个定义而已,其实从月球角度看,它根本就没有自转,只是因为月瘤比较重,被地球引力吸引而朝向地球而已。”有人附和说我说得有道理, 我那个得意呀!

关于这个问题,最近一直长期躲猫猫的暧昧教主也出手了,而且还结合自己的专业特长——纺织学专业(有这个专业吗?)来说明,并冠名为“小科普”。这都什么呀,净搞些花里胡哨的东西,以前还出过什么隐形科普。科普就科普嘛,干嘛还加这么多形容词?关键是写的内容看得我是云里雾里呀。我生气地评价道:“本来,我以为自己理解了月球的问题,被你这么一搅合,我糊涂了。不过,从你的文章中,我总结出一句话:月球的自转是靠地球引力‘捻’动的。”本来,偶是想反过来给她“大科普”一下的,显然她不明其意,回复我:“我这是搅合吗?我以为我这下子把大家都说得很清楚了。不对吧,月球的公转是地球引力的结果,但自转的原因,我就是木有搞清楚啊。”唉,怎么说你呢?公转才不是地球引力造成的呢,那是月球自身的惯性与地球引力博弈的结果好吧,你月球要是自己没有惯性,早就被地球拽到自己身上多出一块大陆了;自转才是地球撼动的呢!

OK,也许上述的评论,我都没有说清楚,那我现在就花一些时间,专门撰文配图好好科普一下我的认识。

先上图,对,下面这就是地球,我们都认识。

下面这个呢?是月球。瞎说,月球怎么是这个形状(正如某相声所说的“一头大呢一头小”)?嗯,这个是变形的月亮。因为月球的质量分布不均,质心和形心有很大差异,有一头重,一头轻,这里用大头表示质量重的那一边,就是称为月瘤被我们看到的那一面。这里为了形象起见,特画成这种怪怪的模样,其实是用形状的变化来表示质量的变化(我实在想不出更好的办法)。

虽然月球离地球的距离很远,但显然也不能考虑为是一个质点,其不同质量区域受到地球的引力应该是有足够差异的。如果将月球考虑为一个质点,那还讨论什么自转问题呢,质点转不转有什么区别呢?

既然不同区域受到的引力不一样,那一定是下面的A图这种情况(没有考虑月球和地区之间的距离和体积比例)。

如果不是这种情况,比如没有自转(B图)或者有其他的偏差,那最终由于受力不一样,还是会发生偏转,转成A图的模样。

再换一个角度看看,运动是相对的,转动也是相对的,月球绕地球转,那是以地球为中心。如果以月球为中心,那么也可看成是地球绕月球转。地球转到什么地方,就会牵引着月球受引力大的一面朝向它(C图、D图),所以月球的自转是靠地球引力“捻”动的。

刚准备发这篇博文,又看到了黄秀清在老邪帖子的评价:“认真想想,1楼的回答还是没有触及物理实质,是什么物理原因导致月球的形变和质量分布的不均匀?个人认为还是与潮汐有关。”行,那我再啰嗦几句,尝试解释一下。

虽然现在月球表明是岩石固体,但曾经不是。老早老早的时候,就是刚出炉的月球还没有凉成固态的时候,还是因为地球的引力(这两个星球实在太近了,没有办法),将重的成分拉到一边来了。行,这就算是您老黄理解的潮汐吧,但不是固体潮,应该是液体潮(我自创的名词)吧。

 

非专业之作,欢迎拍砖!

 

【补记】看到大家对这个问题越来越有兴趣,今天到办公室后,首先在网上查了一些网页内容(非专业文献,太专业的文献估计我看不懂)看了看,更加深了一些理解。

1)如果月球的自转与地球引力无关,很难想象数十亿年来(网上这么说的,我也很奇怪这是怎么得到的)能保证月球绕轴自转周期与绕地球公转周期相同。当然如果没有这么长时间,有文明记录以来的时间也够长了,也没有发现例外。数学家可以算算,宇宙间的两个星体,如果周期间无明显的关联性,发生这种巧合的几率有多少?所以,月球的自转必定与地球引力有关,而且是决定性的。

2)探究月球的重力分布不均衡问题更有意思。据说,美国宇航员尽量避免在月球轨道上留下太空垃圾,这是由于月球引力场不均,月球轨道非常不稳定,很容易让飞船撞到月球表面。所以,月球卫星轨道通常杂乱无序且短命,部分原因就是因为月球有“月瘤”。这说明,月瘤表面遭受外来撞击的可能性更大,月幔更容易从近地面流出,使近地面的撞击坑更容易被玄武岩岩浆所“灌溉”,进一步加剧质量分布不均。还有解释说,当地球运转到太阳与月亮中间,月亮上便发生了日全食(在地球上却是月全食),日全食会形成月正面的巨大温差(没有大气和水的月球,在有太阳照射和无太阳照射的条件下,差异太大了),一次又一次温度骤变造成了正背面的差别。

3)在网上也找到了一些看似专业和主流的说法,与我博文的说法没有重大差异和矛盾:主流解释说这是“潮汐锁定”的结果。正如同月球使得地球自转渐慢,过去地球也曾使月球的自转变慢,当最后月球自转周期等于它的公转周期时,月球上两处因引潮力而形成的隆起就永远停驻不移,因而不再拖慢自转。这种因引潮力而减慢自转,终于达成自转公转同步现象的效应,这也存在于许多太阳系中的其它卫星。可预期地球的自转转速总有一天会降到于月球公转同步,那时地球和月球就会永远以同一面彼此相望,就像现在的冥王星和它的卫星卡戎一样,三重同步。

就不列参考文献了,有兴趣的可以自己用月球、自转、月瘤等关键词查询。

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