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17路(17LUBBS) · 看见更远的宇宙

月球永远同一面朝我们,是因为它自转一圈正好用一个月

连着几个晚上在同一时刻抬头,会发现月亮一天比一天偏东,升起时间每晚晚约 50 分钟,位置也比前一晚多偏了十几度。这 50 分钟是月球绕地球多走的那一段路换来的。而它「永远同一面朝我们」这件事,用的也是同一个周期——只不过那不是巧合,是被潮汐力逼出来的结果。

月球的自转周期与公转周期都是 27.32 天,所以同一面始终朝向地球;锁定由地球施加的潮汐力矩完成,代价是内部耗散发热。因为天平动,我们实际能看到约 59% 的表面;月球每年远离约 3.8 cm,地球日长每世纪增加约 1.8 ms。

同一面朝我们,是自转与公转周期相等的结果

如果月球完全不自转,它绕地球一圈,我们就会依次看到它的正面、侧面和背面。要始终把同一面朝着地球,它必须在公转一圈的同时自转一圈。

27.32 天,两个周期严格相等。这种状态叫同步自转,也叫潮汐锁定。太阳系里大部分大型卫星都处于这个状态,它是潮汐作用的自然终点,不是特例。

潮汐隆起把自转刹住了

地球引力在月球上拉出一个沿地月连线方向的椭球隆起。如果月球自转比公转快,隆起来不及跟上,位置会稍稍超前于连线。

地球对这个偏转的隆起施加力矩,方向与自转相反,一点点把自转拖慢,直到隆起稳定指向地球。耗散的能量变成月球内部的热。锁定完成时,自转周期被迫等于公转周期。

锁定不是停止自转,而且我们能看到 59%

常见的说法是月球「不转了」,这不对。一个月转一圈,折合每小时约 0.55°。

月球轨道是椭圆,公转速度忽快忽慢,自转却是匀速的,于是经度方向出现约 ±8° 的摆动;加上轨道倾角,纬度方向也有摆动。两者叠加,地面可见面达到约 59%,剩下 41% 直到 1959 年才被探测器拍到。

地球也在被月球拖着减速,这套机制是双向的

月球在地球上拉起的潮汐同样消耗地球自转的能量。结果是地球日长每世纪增加约 1.8 ms,月球每年远离约 3.8 cm——这两个数字由阿波罗任务留下的反射器持续测量。

所以地月系统正在缓慢解耦。几十亿年后,地球自转也会被锁定,那时一天等于一个月,月球在天空中的大小会明显变小。

参数 数值 口径与来源
月球自转周期 27.32 天 恒星月,天文测定
朔望月 29.53 天 月相周期
每年远离地球 约 3.8 cm 激光测月,长期观测
地球日长变化 约 +1.8 ms/世纪 天文测定与古生物记录
可见月面比例 约 59% 天平动几何计算
轨道对黄道倾角 约 5.1° 轨道测定

哪些是观测,哪些还是推断

观测证实同步自转、每年 3.8 cm 的远离、日长的长期增加、59% 的可见面。激光测月的精度足以分辨厘米级距离变化。
理论预言潮汐力矩应把自转驱向同步;月球早期更近,远离速率应随时间下降。地质上的潮汐沉积记录部分支持后者。
尚未定论锁定完成的具体时间;早期月球是否经历过自转轴混沌;地质记录反推的远古日长与模型之间仍有不一致。

常见问题

月球背面是「暗面」吗?

不是。背面同样被太阳照亮,只是从不朝向地球。「暗面」是误译,准确说法是「背面」。

为什么我们永远看不到月球背面?

因为自转周期等于公转周期。要看到背面,只能派探测器绕到后面去,或者等锁定状态被打破,而那需要极其漫长的时间。

其他卫星也被锁定了吗?

很多。木星的四大伽利略卫星、土卫六、火卫一都在同步自转。潮汐锁定在太阳系里是常态,不是月球独有的现象。

延伸阅读

  • Murray & Dermott 1999, Solar System Dynamics, Cambridge University Press
  • Dickey et al. 1994, Science 265, 482
  • NASA 月球激光测月说明页(ilrs.gsfc.nasa.gov)
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文章名称:月球永远同一面朝我们,是因为它自转一圈正好用一个月
文章链接:https://www.17lubbs.com/tidal-locking-moon/
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