同样是卫星,为什么月球逐渐远离地球,而火卫一在逐渐接近火星?

百科   科学   2024-09-12 18:28   北京  

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图片来源:popularmechanics

同样是卫星,月球正逐渐远离地球,而火卫一在逐渐接近火星,这是为何?







这个问题和潮汐力有关。月球逐渐远离地球是因为地月潮汐使月球加速获得能量,进入了更高的轨道。火卫一接近火星则是两者潮汐使火卫一减速的结果。

潮涨潮落,看似是大海自己的变化,其实和天体的引力有关。地球受月球引力(下图中米色箭头)作用,远离月球一侧的引力比靠近月球一侧的引力弱。由于地球围绕地球和月球的共同质心(地月系质心)的旋转运动,地球受的离心力(惯性力,绿色)与月球的引力方向相反。月球引力和离心力合起来的这种把海水“拉起来”的力量就被称作“潮汐力”(红色箭头)。由于潮汐力,地球和海水变形为椭球形。膨胀部分是涨潮,其余部分是退潮。

在潮汐力的作用下,海水被“拉”向地球最靠近月亮的位置,或者被推向离月球最远的位置,形成了两个大“鼓包”。这两个鼓包跟着月球,月球转到哪个方向,它们就跟着去哪个方向。

由于地球的自转比月球绕地球转动更快,陆地会在一天之内分别撞到2个鼓包(实际情况复杂得多)。站在陆地上的人,就会觉得海水每天上涨又下降了2次。这就是“潮汐”。     

比月球转得更快的地球陆地会与鼓包碰撞、摩擦,推着“鼓包”向前,因此潮汐最高点并不在月球正下方,而是更靠前一些。稍微靠前的海水拉着月球也向前跑,这样的加速作用就是潮汐加速。但月亮并不会越转越快,而是进入越来越高的轨道,离地球越来越远。

除了海洋,固体地球和大气层也有潮汐,只不过固体地球隆起极其有限,只有十几厘米,空气又太过稀薄,所以对于月球来说,潮汐加速的主要力量还是来自海洋。

潮汐加速有两个隐含条件:卫星绕行星公转的运动方向和它围绕的行星的自转方向一致;行星自转角速度要比卫星公转角速度更快。否则,卫星就相当于被向后拉,结果便是轨道越来越低,离星球越来越近,最终坠落。这样的情况在太阳系中也有,比如火星2颗卫星中的火卫一。

火星(大)和它的两颗卫星(小),画面左方是火卫一,右下方是火卫二 图片来源:livescience
火卫一的轨道半径只有9000千米左右,它绕火星一圈只需要不到8小时,而火星自转一圈需要24.6小时。尽管火星没有海洋,但来自固体火星微弱但持续的潮汐减速作用还是慢慢将火卫一拉向火星。据估计,差不多数百万年后,火卫一就会极其靠近火星,随后坠落。

对于火星的另一颗卫星火卫二来说,其卫星公转角速度慢于行星自转角速度,因此和月球远离地球一样,火卫二也在逐渐远离火星。

文摘自《科学世界》2024年第8期
作者 | 曹醒春

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