地球已经自转长达46亿年,为什么地球自转没有衰减到近乎停止?

发布者:温柔老农 2023-5-13 21:51

简单回答:因为时间还太短。


与地球上的陀螺几分钟就会停下来不同,地球的自转受到的扰动和阻力相对要小得多,地球从诞生起虽然已经有46亿年时间,但自转的速度也没减少多少。大概的数字,一昼夜的时长会增加:1.7毫秒/世纪。(自转的减慢意味着一天的时间变长了。)

这个数字会使地球日每60000年增加一秒钟,每400万年增加一分钟,十亿年增加4小时。往回推算,当6500万到2.4亿年前恐龙在地球上出没时,一天的长度是23小时。


一天23小时,怪不得我觉得最近睡眠不足

地球为什么自转会变慢?


大部分原因都要算在月亮头上。

从地球海洋在45亿年前形成开始,潮汐加速机制就开始运作了。月球的引力在地球上产生了周期性的潮汐现象,潮汐力耗散地球的自转能量,降低地球的旋转速度,同时也导致月球正在以每年3.8cm的速度远离地球。啥?这说的啥?

打个比方。


想象一下,你的女神正骑在旋转木马上转啊转,而你骑着一头小驴在旋转木马外围同方向追啊追,但无奈的是,女神转得很快,而你的小驴有点慢。这时你手上碰巧有一条绳子,可以像牛仔一样套住她的木马,那么你的速度会提高,而旋转木马就会慢下来一点,最终你和女神保持同步了。(也就是说一旦你的速度与木马的速度相匹配,你的套索就无法再让你提高速度了。)相当于女神用爱发电,把她能量的一部分传递给你了。


你的小驴就是月球,旋转木马就是地球,而套索就是引力。我们知道,月球轨道升高是因为月球速度的提高,这就意味着地球自转变慢,从而使得一天的时间变得更久。一旦一天的长度等于一个月的长度,潮汐加速机制就会停止。(如果以现在1天为约24小时计,预计那个时候一天等于现在的47天。地月距离将增加到当前的135%。) 这种状态,被称为卡西尼状态(Cassini states,1693年由著名科学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼在1693年提出,对,就是发现土星环上有缝儿的那个卡西尼)


N亿年前,月球更近,使地球像芭蕾舞演员一样旋转着,双臂紧贴身体。随着时间的流逝,月球远离地球,地球开始减速,就像芭蕾舞演员伸出双臂以减慢其旋转一样。


同样的道理,随着潮汐在全球范围内让海洋产生移动,地球的惯性矩也随之发生变化。为了保持角动量守恒,固体地球会相应地改变其旋转速度。同时,随着潮流的减慢或加快,它们与固体地球不断交换角动量,这也会让转速改变(此处略)。

地球变慢是瞎猜还是证据确凿?

行星自转的长期变化是地球物理学的经典话题。英国天文学家埃德蒙多·哈雷爵士(Edmond Halley,就是那个“交大女生一回头,哈雷彗星撞地球”的哈雷)在300年前就首次提出了月球在不断加速的假设。我们现在知道,哈雷爵士发现的月球加速一大部分只是表面现象,背后是是地球自转的减慢,使月球看起来速度更快了。

地质和古生物学的证据显示,在遥远的过去,地球自转的比现在要快,月球也比现在更靠近地球。证据显示3.7-6.2亿年前,一天的长度大约是22小时,一年大概有400天。当时月球远离地球平均速率是每年约2.2厘米。


珊瑚化石可以通过年轮推算几亿年前的日长

下图显示了考古和古生物学的研究成果。绿色代表层叠岩(叫叠层石,是30多亿年以来蓝藻沉淀作用的产物),蓝色代表潮汐韵律层(古代沉积化石记录的潮汐周期),红色代表贝壳及珊瑚化石。紫色为拟合曲线。


横轴为距今的时间,单位MA百万年

以上的古生物学证据显示,在距今约4.25亿年的志留纪,每年有407天,即那时1天的长度只合21世纪的21.5小时,而在2.8亿年前的二叠纪则为22.8小时,平均计算每10万年日长增加2秒。从古代历史的日食记载及近 200年日食观测所推算的结果与此大致相同。

可见,地球自转减速是相对匀速的,没有太大的突变。

只有月亮会影响地球自转么?

月球是最主要的原因,地月引力在过去数亿年间减缓了地球的自转速度,但是有些大事件,像是2004年印度洋地震(印尼海啸),就使地球的转动加速了大约3微秒(地震往往使地球加速自转)。另外在冰河期后期,由于地球质量分布的改变,为了保证角动量守恒,转动速率也有所改变。

什么时候地球自转会停下来?

由于月球质量相对地球来说相当大,这对CP会越来像是一对双行星。如果忽略其他效应,潮汐加速将一直持续下去,直到地球的自转和月球的轨道周期相匹配为止。那时候,月球将会永远固定在地球上某一个国家的上方,就像冥王星与它最大的卫星卡戎一样。


冥王星-卡戎的质心落在这两个天体之外

可惜的是,地球自转速度减缓得仍然太慢,慢到无论如何都等不到地月锁定的那天了,因为那时候地球早已经废了。

大约21亿年后,不断增强的太阳辐射将导致地球上海洋大量蒸发,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(潮汐加速和太阳质量的损失也会让地球远离太阳),30亿年后银河系会与仙女座的星系撞上,地球会不会受到伤害?就算没什么伤害,45亿年后成为红巨星的太阳,也足以毁灭地球和月球,而那时地球的自转仍然远未能减缓到一个月的长度。

明天的月亮依然升起,生活依旧继续。

有人提到了太阳的潮汐作用。是的,太阳对地球也有和月球相似的潮汐锁定的趋势。即便它具有更大的引力场,但月亮也由于靠近地球而对地球施加了更大的影响。所以从实际的潮汐观测来看,太阳的潮汐大约是月球潮汐的一半左右,月亮明显占据C位。如果实际来算一下的话,那就要用到如下公式:


ω是地球自转频率,a是轨道长半轴,M是太阳质量,I是地球惯性矩,R是地球半径,G就是G,Q是品质因子,k2是勒夫数。

看公式就头痛星人的解释:其它不用看,只要看到最后那个a的6次方就能大概看出来,潮汐锁定时间与二个物体距离的六次方成正比。即距离变大12%,潮汐锁定的时候就大概能翻个倍。所以距离的影响特别大。所以说,月亮才是地球自转变慢的主谋,太阳是钱塘江大潮大案的帮凶。

粗略地算了一下,地月锁定大概要一两百亿年左右,地日锁定大概是五六百亿年左右。而太阳作为一个黄矮星,寿命大概为一百亿年,目前太阳大约50亿岁,所以再过大约50亿年,太阳内部的氢元素将全部耗尽,太阳核心将发生坍缩,导致温度高到不知道哪里去了,一派人间地狱的繁荣景象。这比锁定来得早得太多了。

大家都在看