楠木軒

地球已經自轉了45億年,什麼時候才能停下來?

由 閻桂榮 發佈於 科技

地球誕生至今已有45億年的歷史,從誕生之初就一直在繞着太陽公轉,自身還在不斷地自轉。太陽每天東昇西落,就是地球自西向東旋轉引起的。高速旋轉的陀螺都會停下來,40多億年了,地球為何現在還在旋轉?什麼時候才能停下來?難道有什麼神奇力量在暗中推着地球轉?

力並不是維持物體運動的原因

地球雖然處於不斷的運動之中,但是茫茫太空中幾乎空無一物,地球在太空中運動時幾乎不會遇到阻力,所以不需要一直提供動力。

小汽車靠燃燒汽油產生的動力驅動輪子轉動,一旦燃料燒完了,小汽車也就動不了了,這是因為小汽車在地面運動時會持續受到地面的阻礙,這種阻礙作用就是輪子和地面之間的摩擦力,小汽車想要持續運動就必須要克服這種摩擦力,當然需要持續供給能量。

沒有阻力的作用,物體能夠一直保持運動狀態,那是因為物體具有慣性。那啥是慣性呢?慣性就是物體保持靜止或勻速直線運動狀態的一種性質,是對其自身運動狀態改變的一種阻礙程度,通常用質量來衡量,質量越大,慣性越大。牛頓在慣性定律中就明確描述了這種現象,只要沒有外力阻礙或者合外力為0,物體就能夠一直保持靜止或均速直線運動狀態。也就是説,力並不是維持物體運動的原因,力只能改變物體的運動狀態。

萬物皆在運動,地球自誕生就保持高速運動。地球質量非常龐大,因此慣性也比較大,並且地球在宇宙中運動時幾乎毫無阻力,所以地球能夠一直保持自轉,根本不需要外界提供動力。雖然地球一直在自轉,不過地球的自轉速度一直在變慢,下面將會介紹地球自轉變慢的原因。

地球的運動狀態主要受引力支配

在廣袤無垠的宇宙中,地球主要受到太陽和月球的引力影響。由於受到太陽的引力作用,地球才以近似橢圓形的軌道繞太陽公轉。地球本身具有很大的公轉線速度,在公轉的過程中,勢能和動能不斷轉化,機械能保持守恆狀態,這就是地球為啥沒有掉到太陽上去的原因。月球是地球的衞星,月球繞地球公轉與地球繞太陽公轉的原因相同。月球的存在還能穩定地球的自轉軸,地球的氣候能夠一直保持穩定就與此有一定關係。

太陽或者月球施加給地球的引力,除了能夠改變地球的運動方向以外,還能產生潮汐作用,也就是使地球發生形變,這種影響會使地球的自轉速度變慢,每個世紀地球自轉週期大約增加1~2毫秒。運動的物體具有動能,旋轉的物體具有角動能。而這種潮汐作用產生的摩擦力會使地球的角動能轉變為內能,從而使自轉速度慢慢降低。研究表明,在地球誕生之初,地球的自轉速度極快,大約每4個小時自轉一週,隨着自轉速度的變慢,現在地球自轉一週大約24個小時。

太陽雖然比地球和月球的質量大得多,但是地球和月球距離比較近,所以地球和月球之間的潮汐作用更加強烈,是日地之間潮汐作用強度的6倍。由於地球的質量比月球大得多,月球目前已經被地球潮汐鎖定,這就是為什麼我們從地面永遠只能看到月球的一個面,看不到月球背面的原因。運動的物體具有動量,旋轉的物體擁有角動量。由於地月系的總角動量守恆,當地球的自轉變慢、角動量減少時,月球的公轉角動量便會增加,並逐漸遠離地球。激光測量數據表明,目前月球正在以每年3.8釐米的速度遠離地球。

下圖形象地説明了地球是如何減緩月球自轉速度的。

什麼是潮汐鎖定?就是同一天體公轉週期和自轉週期保持一致的運動現象。引力的作用是相互的,據估計,幾十億年之後地球也會被月球潮汐鎖定。到那時,地球的自轉週期、月球的公轉週期和月球的自轉週期都會保持一致,大約為47天,地球只有一個面才能看到一個很小的月亮,月球也將會停止遠離地球。目前,科學家已經在宇宙中發現了這種兩個天體之間相互潮汐鎖定的現象。如果地球被太陽潮汐鎖定,那麼地球一面會一直被太陽炙烤,另一面會一直保持黑夜。不過在這之前,地球很有可能會被演變成紅巨星的太陽吞噬。

地球自轉的初始動力來自哪兒?

萬物誕生於一場史無前例的大爆炸,經過一段時間的冷卻,宇宙中的基本粒子形成,並組成了簡單的原子、分子,這些物質(主要是氫)又聚合成星雲。在引力的作用下,星雲內部發生坍縮,形成了恆星乃至行星。太陽和地球都誕生於同一片星雲,像地球這樣的行星其實是由太陽誕生之後的邊角料構成的。

除了地球在自轉,太陽本身也在自轉。既然是誕生於同一片星雲,它們自轉的初始動力也就來源於那片星雲。在太陽未形成之前,由於星雲內部的密度分佈並不均勻,引力的分佈自然也不均勻,於是便會形成力矩。在力矩的作用下,星雲便開始旋轉起來。當星雲坍縮形成太陽時,由於角動量守恆,太陽也繼承了星雲的旋轉特性。並且在坍縮過程中,由於旋轉半徑縮小,旋轉速度也會加快。

下圖就是角動量守恆中的一類典型現象。

太陽誕生之後,周圍的塵埃盤也會隨着太陽的旋轉而旋轉,並且與太陽的自轉方向保持一致。當這些邊角料形成地球等行星時,它們幾乎都處於同一個軌道平面上,通常公轉和自轉方向也相同。除非有外力改變,不然不會發生變化,太陽系內的金星和海王星就是受到了其它天體的猛烈撞擊,導致自轉方向改變或者自轉軸發生較大傾斜。

下圖展示了太陽系八大行星的自轉軸傾角以及自轉方向。

總結

綜上所述,萬物運動的初始動力來源於宇宙大爆炸,而地球、太陽等天體的自轉特性繼承自星雲。在旋轉過程中,由於天體之間的潮汐作用,地球等天體的自轉速度基本上都在變慢,最終會引發潮汐鎖定現象。由於太空中幾乎沒有阻力,並且地球擁有巨大的旋轉慣性,這意味着地球幾乎不可能停止自轉。

地球自轉減慢的速度很緩,除非地球在很短的時間內來個急剎車,不然幾億年內根本不用擔心會對人類產生什麼影響,更加應該擔心的是小行星撞機等事件。