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月球,為啥有個“背面”?
發布時間:2018-12-13   文章來源 : 科技日報   字號:
 

嫦娥四號奔月進行時,專家詳解——
月球,為啥有個“背面”?

  

  12月8日2時23分,嫦娥四號探測器搭乘長征三號乙運載火箭,開始了奔月之旅。她肩負著沉甸甸的使命:首次實現人類探測器月球背面軟著陸。
      
  請注意這里的關鍵詞——月球背面。
   
  曾經無數次舉頭望明月的你,是否留意過,我們始終只能看到月亮有玉兔和月桂樹的那一面?沒錯,千百年來月球始終只有一面對著地球,另一面始終背對地球。
   
  問題來了,是誰把月球變成了雙面伊人?
   
  同步自轉只是表面原因
   
  用一句話解釋這個現象,也很容易:月球繞地球公轉一圈和月球自轉一圈的時間,都是28天左右。
   
  想象一下,繞大樹畫個大圓圈,在大圓圈上均勻標出360個刻度。始終面對這棵大樹走一圈,用360步走完。在大圓圈上每走1步,身體就傾斜1度。走完時身體也同時完成360度旋轉,回到原位。
   
  也就是說,當你用同樣的時間完成自轉和公轉時,你始終會一面對著大樹。月球始終一面對著地球的現象也是如此。在天文學中,這叫同步自轉。
   
  然而,這只是表面原因。
   
  “月球形成早期,自轉速度比現在快多了。只有幾個小時,而不是現在的28天左右。”南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者,對地球而言,月球也曾是“多面伊人”。是數億年來,月球自轉速度不斷變慢,慢到自轉和公轉周期幾乎一樣,才導致它始終一面對著地球。
   
  所以,根本原因在于,是誰給月球自轉踩了剎車?
   
  潮汐力難辭其咎
   
  要解釋月球自轉變慢,潮汐力是最容易想到的因素。
   
  地球和月球相互繞轉,且相互具有萬有引力,彼此都會給對方施加潮汐力。地球上的潮汐現象,就與月球對地球的引力有關。
   
  住在海邊的人,會發現海水一天有兩次漲潮和落潮。一次是月亮在地球背面時,另一次是月亮在頭頂時。
   
  周禮勇解釋說,這是因為地球正對月亮的那面,受到的月球引力更強;背對月亮的那面,受到的月球引力較弱。引力的方向都朝著月球。而地球在繞月球轉時,無論哪個點的離心力都一樣。離心力的方向與月球施加于地球的引力方向相反。
   
  如此一來,地球背對月球的那面,受到的月球引力稍小于離心力,面對月球的那面月球引力稍大于離心力,最終兩面都感受到一個離開地心方向的力。所以地球兩側的海水就漲起來了。
   
  “月球在繞地球轉時,同樣會受到地球帶來的潮汐力。”周禮勇說,地球潮汐力的作用,是讓月球正對和背對地球的面都鼓起來,讓月球變扁了。
   
  盡管月球上沒有海水,月殼、月幔和月核卻依然可以感受到潮汐力,并在月球內部形成不斷涌動的固體潮。這種固體潮導致月球幔層之間不斷摩擦,轉變為月殼內部的熱能。這在幾十億年時間內,可以耗散月球部分動能。
   
  力矩才是直接剎車機制
   
  不過,潮汐力帶來的摩擦耗散可能是有限的。
   
  中科院國家天文臺研究員平勁松和同事們研究發現,月核與月幔之間的流體屬于超低粘性層,這意味著潮汐力所引發的月核與月幔之間的摩擦力很小,不至于耗散月球太多動能。
   
  “關鍵在于潮汐作用引起的摩擦作用發生在月球內部,這種過程只能耗散掉地球、月球這個系統的總機械能,而不能直接給月球自轉踩剎車。”周禮勇說。
      
  兩位天文學者都認為,最直接的剎車機制是地球與月球之間的力矩作用。力矩是指作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向。
   
  周禮勇解釋說,月球在逐漸變扁的過程中,依然要在繞著地球公轉的同時自轉。想象在月球內部,有一條與地心和月心連線方向一致的長軸。長軸在瞬間是指著地心的,但由于月球要自轉,下一瞬間這條長軸就會偏過去,不再指著地心。
   
  這時,來自地球的潮汐力對月球這個長軸的兩端都會產生力矩。這個力矩與長軸偏移過去的方向相反,也就是跟月球自轉方向正好相反。這會直接改變月球自轉的角動量,導致月球自轉速度逐漸減慢。
  
  天長月久,月球自轉周期和公轉周期變得相差無幾,最終有了我們在地球上看不到的“背面”。

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