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地球已經自轉長達46億年,為什麼地球自轉沒有衰減到近乎停止?

2024-01-28 23:20:52

簡單回答:因為時間還太短。

與地球上的陀螺幾分鐘就會停下來不同,地球的自轉受到的擾動和阻力相對要小得多,地球從誕生起雖然已經有46億年時間,但自轉的速度也沒減少多少。大概的數字,一晝夜的時長會增加:1.7毫秒/世紀。(自轉的減慢意味著一天的時間變長了。)

這個數字會使地球日每60000年增加一秒鐘,每400萬年增加一分鐘,十億年增加4小時。往回推算,當6500萬到2.4億年前恐龍在地球上出沒時,一天的長度是23小時。

一天23小時,怪不得我覺得最近睡眠不足

地球為什麼自轉會變慢?

大部分原因都要算在月亮頭上。

從地球海洋在45億年前形成開始,潮汐加速機制就開始運作了。月球的引力在地球上產生了週期性的潮汐現象,潮汐力耗散地球的自轉能量,降低地球的旋轉速度,同時也導致月球正在以每年3.8cm的速度遠離地球。啥?這說的啥?

打個比方。

想象一下,你的女神正騎在旋轉木馬上轉啊轉,而你騎著一頭小驢在旋轉木馬外圍同方向追啊追,但無奈的是,女神轉得很快,而你的小驢有點慢。這時你手上碰巧有一條繩子,可以像牛仔一樣套住她的木馬,那麼你的速度會提高,而旋轉木馬就會慢下來一點,最終你和女神保持同步了。(也就是說一旦你的速度與木馬的速度相匹配,你的套索就無法再讓你提高速度了。)相當於女神用愛發電,把她能量的一部分傳遞給你了。

你的小驢就是月球,旋轉木馬就是地球,而套索就是引力。我們知道,月球軌道升高是因為月球速度的提高,這就意味著地球自轉變慢,從而使得一天的時間變得更久。一旦一天的長度等於一個月的長度,潮汐加速機制就會停止。(如果以現在1天為約24小時計,預計那個時候一天等於現在的47天。地月距離將增加到當前的135%。) 這種狀態,被稱為卡西尼狀態(Cassini states,1693年由著名科學家喬凡尼·多美尼科·卡西尼在1693年提出,對,就是發現土星環上有縫兒的那個卡西尼)

N億年前,月球更近,使地球像芭蕾舞演員一樣旋轉著,雙臂緊貼身體。隨著時間的流逝,月球遠離地球,地球開始減速,就像芭蕾舞演員伸出雙臂以減慢其旋轉一樣。

同樣的道理,隨著潮汐在全球範圍內讓海洋產生移動,地球的慣性矩也隨之發生變化。為了保持角動量守恆,固體地球會相應地改變其旋轉速度。同時,隨著潮流的減慢或加快,它們與固體地球不斷交換角動量,這也會讓轉速改變(此處略)。

地球變慢是瞎猜還是證據確鑿?

行星自轉的長期變化是地球物理學的經典話題。英國天文學家埃德蒙多·哈雷爵士(Edmond Halley,就是那個“交大女生一回頭,哈雷彗星撞地球”的哈雷)在300年前就首次提出了月球在不斷加速的假設。我們現在知道,哈雷爵士發現的月球加速一大部分只是表面現象,背後是是地球自轉的減慢,使月球看起來速度更快了。

地質和古生物學的證據顯示,在遙遠的過去,地球自轉的比現在要快,月球也比現在更靠近地球。證據顯示3.7-6.2億年前,一天的長度大約是22小時,一年大概有400天。當時月球遠離地球平均速率是每年約2.2釐米。

珊瑚化石可以透過年輪推算幾億年前的日長

下圖顯示了考古和古生物學的研究成果。綠色代表層疊巖(叫疊層石,是30多億年以來藍藻沉澱作用的產物),藍色代表潮汐韻律層(古代沉積化石記錄的潮汐週期),紅色代表貝殼及珊瑚化石。紫色為擬合曲線。

橫軸為距今的時間,單位MA百萬年

以上的古生物學證據顯示,在距今約4.25億年的志留紀,每年有407天,即那時1天的長度只合21世紀的21.5小時,而在2.8億年前的二疊紀則為22.8小時,平均計算每10萬年日長增加2秒。從古代歷史的日食記載及近 200年日食觀測所推算的結果與此大致相同。

可見,地球自轉減速是相對勻速的,沒有太大的突變。

只有月亮會影響地球自轉麼?

月球是最主要的原因,地月引力在過去數億年間減緩了地球的自轉速度,但是有些大事件,像是2004年印度洋地震(印尼海嘯),就使地球的轉動加速了大約3微秒(地震往往使地球加速自轉)。另外在冰河期後期,由於地球質量分佈的改變,為了保證角動量守恆,轉動速率也有所改變。

什麼時候地球自轉會停下來?

由於月球質量相對地球來說相當大,這對CP會越來像是一對雙行星。如果忽略其他效應,潮汐加速將一直持續下去,直到地球的自轉和月球的軌道週期相匹配為止。那時候,月球將會永遠固定在地球上某一個國家的上方,就像冥王星與它最大的衛星卡戎一樣。



冥王星-卡戎的質心落在這兩個天體之外

可惜的是,地球自轉速度減緩得仍然太慢,慢到無論如何都等不到地月鎖定的那天了,因為那時候地球早已經廢了。

大約21億年後,不斷增強的太陽輻射將導致地球上海洋大量蒸發,消除了大部分潮汐隆起引起的潮汐摩擦和潮汐加速。就算海洋能得以保全(潮汐加速和太陽質量的損失也會讓地球遠離太陽),30億年後銀河系會與仙女座的星系撞上,地球會不會受到傷害?就算沒什麼傷害,45億年後成為紅巨星的太陽,也足以毀滅地球和月球,而那時地球的自轉仍然遠未能減緩到一個月的長度。

明天的月亮依然升起,生活依舊繼續。

有人提到了太陽的潮汐作用。是的,太陽對地球也有和月球相似的潮汐鎖定的趨勢。即便它具有更大的引力場,但月亮也由於靠近地球而對地球施加了更大的影響。所以從實際的潮汐觀測來看,太陽的潮汐大約是月球潮汐的一半左右,月亮明顯佔據C位。如果實際來算一下的話,那就要用到如下公式:

ω是地球自轉頻率,a是軌道長半軸,M是太陽質量,I是地球慣性矩,R是地球半徑,G就是G,Q是品質因子,k2是勒夫數。

看公式就頭痛星人的解釋:其它不用看,只要看到最後那個a的6次方就能大概看出來,潮汐鎖定時間與二個物體距離的六次方成正比。即距離變大12%,潮汐鎖定的時候就大概能翻個倍。所以距離的影響特別大。所以說,月亮才是地球自轉變慢的主謀,太陽是錢塘江大潮大案的幫兇。

粗略地算了一下,地月鎖定大概要一兩百億年左右,地日鎖定大概是五六百億年左右。而太陽作為一個黃矮星,壽命大概為一百億年,目前太陽大約50億歲,所以再過大約50億年,太陽內部的氫元素將全部耗盡,太陽核心將發生坍縮,導致溫度高到不知道哪裡去了,一派人間地獄的繁榮景象。這比鎖定來得早得太多了。

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