解读“潮汐引力”，为何月球的一面始终面向地球？|地球|月球|潮汐引力|耀斑为太阳|自转

在炎炎夏日的童年时光里，每当夜幕降临，我和邻里小伙伴们便会迫不及待地跑向自家的后院或房顶，寻找那清凉的夜风。我们仰望夜空，月儿高挂，明亮皎洁，令人不由得吟唱起那句“明月几时有”。有些机智的孩子会留意到，月亮似乎始终以一面朝向我们。

的确，月亮总是以一面对着地球，我们通常称之为正面。这种现象，我们称之为潮汐锁定。这一恒久不变的景象背后，隐藏着许多科学原理。那么，地月间的潮汐锁定是如何形成的呢？

何为潮汐？

在解答潮汐锁定之前，我们先来谈谈什么是潮汐。地球上的海洋，特别是那些广阔的水域，在特定的时刻会呈现出潮涨潮落的景象，那么这种壮观的潮汐是如何形成的呢？

我们知道地球绕太阳公转，并非因太阳的引力而坠入太阳，而是在自己的轨道上旋转。正是公转的角速度，即所谓的离心力，使得地球达到受力平衡，稳定于固定的轨道上。

若将太阳和地球简化为一个物理模型，我们能对地球的受力进行分析：

引力F1=GMm/R^2（M为太阳的质量，m为地球的质量，R为太阳到地球的距离）；

离心力F2=mω^2R（m为地球的质量，ω为地球的自转角速度，R为太阳到地球的距离）；

由图所示，如果从太阳中心画一条直线至地球中心，我们会发现A点与太阳最近，B点与太阳最远。通常情况下，地球的直径大约为太阳的1/109，因此，我们可以将地球简化为一个质点，任何地点的太阳引力均相同。

然而，对于地球上柔软的物质，如海洋，A点与B点的引力差异会导致其运动方向的差异。计算如下：

A点的太阳引力为Fa=GMm/(R-r)^2，其中r为地球的半径，此时的引潮力Fac=Fa-F2>0；

B点的太阳引力为Fb= GMm/(R+r)^2，其中r为地球的半径，此时的引潮力Fbc=Fb-F2<0；如下图所示：

在这两种引潮力的作用下，海水由于缺乏惯性，会倾向于形成椭球形状，而作为流体的海水则会表现出明显的运动。

地球的潮起潮落，究竟是太阳还是月亮起的作用？

许多科普文章简单地指出，涨潮是月亮引力引起的。那么，太阳引力为什么不会造成涨潮呢？我们已经分析了日地系统的引潮力，地月系统的引潮力原理与之相似。通过简单计算，我们可以得知太阳和月亮对地球的引力影响大小。

以下为相关数据：太阳质量为M，地球质量m，月亮质量为m1，太阳到地球的距离为R，月亮到地球的距离为r。根据牛顿第二定律F=ma，我们可知：

地球向日的引力为F=GMm/R^2，地球向月的引力为F=Gmm1/r^2。因此，太阳对地球的引力与月亮对地球的引力的比值为GMm/(R-r)^2，数值大约为174，也就是说，太阳对地球的引力是月亮对地球引力的174倍。

引潮力与引力加速度成正比，而与距离成反比。尽管太阳对地球的引力是月球的174倍，但太阳的距离却是月球的389倍。质量对引潮力的影响小于距离，因此，月球的引潮力是太阳的2.2倍。所以地球上海洋的潮起潮落主要是由月亮引力造成的。

了解了潮汐的形成原理，我们再回到潮汐锁定上。科学界尚未就地月系的形成原因与时间达成明确共识，但可以肯定的是，地月系已存在数亿年。

月球对地球产生引潮力，反之，地球也会对月球产生引潮力。然而，月球表面没有海洋这样的液态物质，而是由岩石等硬质物质构成，因此，短时间内看不出月球的明显变化。

但在漫长岁月中，地球对月球的引潮力作用于月球的岩石上，导致月球持续缓慢变形，最终变为今天的椭球形，科学家称之为固体潮。

假设月球自转速度为v，引潮力会使月球自转速度逐渐减慢。观察月球的受力图，我们便能知晓其中原理；当月球形成椭球体时，其长轴上的A点和B点所受引潮力始终阻碍月球自转，消耗其自转能量，最终使月球长轴始终指向地心。月球的自转速度v不再变化，即自转与公转同步。

既然月球能被地球锁定，那为什么地球没有被太阳锁定呢？实际上，太阳也会对地球产生潮汐锁定，只是所需时间较长。据天文学家估计，月球被地球潮汐锁定大约需要2000万年。力的作用是相互的，月亮对地球的潮汐力也可能使地球被锁定。在太阳系中，冥王星与其卫星卡戎星就处于相互锁定的状态。它们绕彼此的中心连接线旋转，而非以对方为圆心。只不过，这个中心连接线更靠近冥王星。