月球,為啥有個“背面”?
2018-12-12 10:26:50 來源: 科技日報
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  嫦娥四號奔月進(jìn)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(yùn)載火箭,開始了奔月之旅。她肩負(fù)著沉甸甸的使命:首次實(shí)現(xiàn)人類探測器月球背面軟著陸。

  請注意這里的關(guān)鍵詞——月球背面。

  曾經(jīng)無數(shù)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(zhuǎn)只是表面原因

  用一句話解釋這個現(xiàn)象,也很容易:月球繞地球公轉(zhuǎn)一圈和月球自轉(zhuǎn)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(biāo)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(zhuǎn),回到原位。

  也就是說,當(dāng)你用同樣的時間完成自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)時,你始終會一面對著大樹。月球始終一面對著地球的現(xiàn)象也是如此。在天文學(xué)中,這叫同步自轉(zhuǎn)。

  然而,這只是表面原因。

  “月球形成早期,自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快多了。只有幾個小時,而不是現(xiàn)在的28天左右?!蹦暇┐髮W(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)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(shù)億年來,月球自轉(zhuǎn)速度不斷變慢,慢到自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期幾乎一樣,才導(dǎo)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(zhuǎn)踩了剎車?

  潮汐力難辭其咎

  要解釋月球自轉(zhuǎn)變慢,潮汐力是最容易想到的因素。

  地球和月球相互繞轉(zhuǎn),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(xiàn)象,就與月球?qū)Φ厍虻囊τ嘘P(guān)。

  住在海邊的人,會發(fā)現(xiàn)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?yàn)榈厍蛘龑υ铝恋哪敲妫艿降脑虑蛞Ω鼜?qiáng);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(zhuǎn)時,無論哪個點(diǎn)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(cè)的海水就漲起來了。

  “月球在繞地球轉(zhuǎn)時,同樣會受到地球帶來的潮汐力?!敝芏Y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(nèi)部形成不斷涌動的固體潮。這種固體潮導(dǎo)致月球幔層之間不斷摩擦,轉(zhuǎn)變?yōu)樵職?nèi)部的熱能。這在幾十億年時間內(nèi),可以耗散月球部分動能。

  力矩才是直接剎車機(jī)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(fā)現(xiàn),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(fā)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(guān)鍵在于潮汐作用引起的摩擦作用發(fā)生在月球內(nèi)部,這種過程只能耗散掉地球、月球這個系統(tǒng)的總機(jī)械能,而不能直接給月球自轉(zhuǎn)踩剎車?!敝芏Y勇說。

  兩位天文學(xué)者都認(rèn)為,最直接的剎車機(jī)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(zhuǎn)動軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的同時自轉(zhuǎn)。想象在月球內(nèi)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(zhuǎn),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(chǎn)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(zhuǎn)方向正好相反。這會直接改變月球自轉(zhuǎn)的角動量,導(dǎo)致月球自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢。

  天長月久,月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期變得相差無幾,最終有了我們在地球上看不到的“背面”。(記者 劉園園)

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