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为什么我们看到的月亮总是一样的面?

地球引力场的潮汐力使月球上的固体潮汐升起,导致月球形状变成类似足球的非球形物体。这种效应的大小大约是月球在地球上引起的固体潮的20倍,约为20x20厘米或4米。在月球最初形成时,它与地球的距离比现在更近,所以潮汐振幅更强。


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并且,月球当时是灼热的状态,它对地球引力场施加的潮汐变形反应更强烈。结果自然是月球的形状与球形相差甚远。月球最初旋转的速度比现在快,因此在30-40亿年前,它并不以像绕着它自己的自转轴那样快的速度来围绕地球轨道旋转。


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下面这张图片来自克莱门汀1号卫星,展示了月球是如何从一个完美的球体变形的。颜色显示出不同的区域与完美的球形相差了多少千米。红色意味着表面向外突出;蓝色意味着从球形表面向内凹陷。而月球面向地球的这一面是向外突出着的。


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然而这么多年来,作用在非球形月球上的重力潮汐力使它的非球形形状趋于稳定,并通过摩擦引起了月球旋转能量的耗散。重力潮汐力消耗了巨大的能量使月球变形,并且这些能量通过月球内岩石之间的摩擦流失,从而引起固体潮汐。因为月球可能已经凝固成足球形状的非球形物体,所以月球中的一部分总是比月球的其他部分更略近于地球。


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在月球绕地球旋转时,更近于地球的部分形成了一个“把手”,地球的引力场可以“抓住”它来对月球施加一个稍微更大的力。相似的变形部分也存在于水星,这有助于太阳将水星同步成2:3的轨旋共振。对于月亮,以及其他行星的更大的卫星,类似的变形会导致1:1的共振,因此卫星的同一侧总是朝向行星。

因此,月球在受持续潮汐变形的影响下,在最初热融状态时变形、在地球潮汐力场作用下固化。这些条件相结合导致了一个月球在其轨道上可持续十亿年以上的首选方向系统。


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潮汐锁定

潮汐锁定(又称同步自转、受俘自转)是指,当一对共轨天体的长期相互作用将它们其中至少一个的自转速率进入该天体(例如行星)和围绕第二天体的轨道之间,没有更多的角动量净转移的状态时所产生的效应。在围绕第二天体的一个轨道过程中,必须满足“无净转移”的这一条件。


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由于潮汐锁定,在中央天体的居民永远看不见标示绿色的一面。

这并不意味着在一个轨道里的公转和自旋速率总是完全同步的,因为在轨道的过程中可能会有一些来回的转移。这种效应产生于在一段足够长的时间内共同轨道物体之间的重力梯度(潮汐力)。在轨道偏心率和斜角接近于零的特殊情况下,潮汐锁定导致旋转物体的一个半球一直面向它的共轨天体,这种效应称为同步绕转。


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如果自转的频率大于轨道 (公转)频率,抵制的小扭矩将会浮现,最终达成频率锁定(绿色描述的情况)。

例如,月球的同一面总是面向地球,因为由于月球的轨道不完全是圆的,所以会有一些天平动。在同步绕转中,一个被潮汐锁定的天体围绕它自己的轴旋转所需的时间和围绕它共轨天体旋转所需的时间一样长。通常,只有卫星才能被潮汐锁定在较大的天体上。然而,如果两个天体之间的质量差和它们之间的距离都比较小,那么两个天体都可能被潮汐锁定在另一个天体上。冥王星和卡戎就是这样。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. astronomycafe

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