地球自轉了45億年,為何到現在還沒有停下來?能量來自哪裏?
首先我們説下能量來自哪裏
這裏説的能量肯定指的是動能或角動量,那麼最初的角動量哪裏來的?我們都知道在銀河系中有很多活躍的恆星形成區域。而我們的太陽肯定也是眾多恆星形成區域中不起眼的一部分。
上圖就是我們的銀河系,再眾多旋臂上的亮點都是恆星形成區域,當然星系中心肯定是最活躍的,因為那裏的引力擾動比較大!
恆星一般都誕生於一團分子云中,而最初的分子云是在三維空間中分佈的,並不是一個圓盤,但也不是一個完美的均勻的球形,我們稱其為三軸橢球體!在分子云內部原子、分子會不斷地發生碰撞運動,整個巨大的分子云本身就自帶一種緩慢旋轉的內在屬性。可能微乎其微我們根本無法觀察到。
還有一種可能就是,兩團分子云也會再引力的作用下形成一種潮汐力矩,並且互相靠近多方,這樣也為最初的分子云團提供了內在動量。這是引力勢能到動量的轉化。很容理解吧。
而獲得了動量的分子云,這個三軸橢球體在引力的作用下會在較短的軸上率先塌縮,啪!就像攤煎餅一樣,一個形成圓盤就這樣誕生了!我們都很瞭解一個物理定律,也是現實生後中常見的現象,那就是滑冰運動員,當它把胳膊收起來時,轉速會加快,這就是動量守恆定律。
氣體雲的塌縮也一樣,由於質量分佈的集中,根據角動量守恆定律,此時的行星圓盤會旋轉加速,這就是最初旋轉能量的來源。
巨大的行星圓盤都轉起來了,你還擔心小小的地球不轉嗎?所以太陽系內的行星天體都帶有同樣的逆時針旋轉的角動量,太陽也不例外。
現在説下為啥轉了這麼長時間為啥不停呢?
在我們日常生活中,轉個陀螺,不一會自己就停了。這説明脱落損失了自己的角動量,從哪裏損失的?肯定是與地面、空氣的摩擦!
從這一點我們就知道為啥地球不停,因為根據能量守恆定律,能量是不會憑空消失,除非發生轉移,地球在太空中那是幾乎沒有摩擦的,而且地球質量如此龐大,旋轉慣性也很大,是很難停下來的。
你看,剛才我説了幾乎!意思就是想表達地球其實在自轉的過程中是由微小的摩擦力的。這就要説到月球了。
潮汐摩擦和角動量傳遞
地球實際上並沒有以恆定的速度旋轉,並且每個世紀以大約1.7毫秒的速度在逐漸降低。這似乎是微不足道的變化,但比較有趣的是,地球上古代的生物對一天的時間有不同的認識。
這一切始於45億年前。在一顆火星大小的行星和原始地球發生了致命的碰撞之後,圍繞着熾熱的地球形成了熔融撞擊碎片環。
經過漫長的歲月,碎片環聚結成了月球,當時月球到地球的距離約地球半徑的三倍,剛好超過洛希極限。這是地球的一天僅有4個小時。
隨着月球繞地球的運動,兩個天體之間交換了角動量。月球的引力吸引海洋,形成了潮汐凸起,旋轉更快的地球會受到海水與陸地的摩擦作用。由於這場引力的拉鋸戰,我們的行星自轉就隨着時間的推移減慢了。
地球失去的角動量被轉移到月球,這一效應也使月球以每年3.8釐米的速度在遠離地球。
如今,與背景恆星相比,地球繞其軸旋轉一週大約需要23個小時56分鐘4.09秒。這稱為一個恆星日。目前,月球的平均距離為384,400公里,約為地球半徑的60倍。這就是漫長歲月所帶來的變化。
那麼在10億年內,月球距地球的距離會增加37,800公里,距離地球更遠,而地球上的一天要增加4.72小時。當月球到達地球半徑的80倍時,預計月球將停止其向外的螺旋運動。
最終,月球將每47天完成一個軌道,而地球每47天自轉一週。當這種情況出現時,地球和月亮將被潮汐鎖定。因此,在世界的某些地區,一個較小,較暗的月亮將永久地裝飾在夜空(白天),而在另一側只有星星。