先给答案:地球自转的动力,来自45亿年前太阳刚形成时,星云汇聚过程中的角动量。
星云汇聚形成太阳过程中,就在转动,太阳的一部分角动量分配给了地球(还有其他天体)。
首先得明确一点:地球并不是什么"永动机"。
很多人一听到地球转了45亿年还在转,第一反应就是"这不就是永动机吗"?
还真不是。
地球不仅不是永动机,而且它还在不停地"刹车",正极其缓慢地减少着角速度。
只不过这个"刹车"的力道实在太小了,小到我们人类几千年的文明史根本感觉不到。
如果50亿年后,衰老成红巨星的太阳没有吞噬地球。
地球的自转,最终也会停下来,只不过时间会相当漫长。
长到什么程度?
长到你根本无法想象。
其实不止地球,宇宙中任何星体都会旋转。
小到小行星,大到恒星甚至星系,没有不转的。
为什么都在转?
因为它们的动力,都来源于形成之初,引力势能的转化。
说白了,就是"掉"出来的。
怎么理解呢?
你想象一下,一颗正在形成的恒星。
或者说,任何星球的形成过程,本质上都是一样的。
恒星也好,行星也罢,都是这么来的。
只不过恒星的物质来源,是氢气为主的星云。
行星的物质来源是星际尘埃,而星际尘埃的主要物质,是超新星爆发所产生的物质。
什么铁啊,氧啊,镁啊,硅啊,甚至比铁更重的元素,还有各种化合物。
这些都是上一代恒星"死"了之后,炸出来的"残渣"。
我们的地球,说白了就是宇宙"垃圾"凑出来的。
这些原始物质,一开始都是分散在星空中的,稀稀拉拉的。
然后在引力作用下,开始往一起汇聚。
在汇聚的过程中,星际物质互相碰撞,速度叠加、方向叠加。
你想啊,那么多粒子,从四面八方往中间掉,方向能完全一致吗?
不可能的。
有的往左偏一点,有的往右偏一点,有的快一点,有的慢一点。
这么多粒子撞来撞去,最后肯定会形成一个整体的旋转方向。
要么逆时针,要么顺时针。
就这么简单。
旋转的物质结合在一起,最终就形成了一颗不停旋转的星球。
太阳也是这么转起来的,它的自转周期大约25天。
不过因为太阳是气态的,各部分自转速度还不一样,赤道转得快,两极转得慢。
这也挺有意思的,但今天不是重点。
重点是,这些旋转的能量,从哪来的?
能量守恒嘛,总不能凭空产生吧?
还真不是凭空产生的。
如果是一颗孤立的星球,当星际物质结合成星体后,完全符合能量守恒。
满足一个等式:引力势能 = 动能 + 势能转化的热能。
说白了,就是这些物质从老远的地方"掉"到一起,掉的过程中势能减少了,变成了动能和热能。
就像你从楼上往下跳,势能减少,动能增加,最后"啪"的一声落地,动能又变成了热能。
星球形成也是一个道理,只不过规模大了无数倍。
而且热能除了引力提供外,还有核能提供。
恒星的核聚变就不用说了,行星内部也有重核衰变在放热。
地球的地核为什么那么烫?一部分就是放射性元素衰变放的热。
从这个等式也能看出来,对于一个孤立星球来说,无论如何形成,它的自转动能,永远低于它的重力结合能。
这个就不展开了,有点超纲。
说了这么多,地球的自转动能到底有多大?
给你算一下,感受一下。
旋转体的动能公式是:E = ½Iω²。
I是转动惯量,实心球的转动惯量是 I = 2/5 MR²。
地球质量大约6×10^24公斤,半径大约6400公里,角速度大约7.29×10^-5弧度/秒。
算下来,地球的自转动能大约是2.6×10^29焦耳。
这个数字是什么概念?
人类当前的能源利用功率大约是2×10^13瓦。
按照这个功率,人类需要4亿年的时间,消耗的总能量才能相当于地球自转的动能。
看到了吧,这能量是真的庞大。
也难怪地球转了45亿年还没停下来,家底太厚了。
不过话说回来,现实中运动的物体最终都会停下来,因为有摩擦。
那么星体在宇宙中旋转,是不是也会因为摩擦减速呢?
当然是存在的。
因为真空不空。
很多人以为宇宙真空就是什么都没有,其实不是。
就拿我们整个太阳系来说,我们其实是处在本星际云之中的。
太阳在4.4~15万年前进入了本星际云,大约1~2万年之后就会离开。
即便离开了本星际云,也还处在本星系泡之中。
这些都是宇宙中的"气体云",虽然极其稀薄,但确实有物质。
有多稀薄呢?
本星际云的密度是0.26个原子每立方厘米,本星际泡的密度是0.1个原子每立方厘米。
听起来是不是很少?
给你对比一下就知道了。
1克的水,就有3.344×10^22个原子。
你自己算算差了多少个数量级。
也就是说,地球与星际物质即便存在摩擦损耗,能量损耗的比率也至少低于1/10^23。
这个数字小到什么程度?
小到你根本无法想象。
即便按照每秒损失这么多的能量比来算,地球要完全停下来的时间是3000万亿年。
这个时间远远超过当前宇宙寿命的20万倍。
对于地球形成到现在,短短数十亿年的损耗来说,几乎可以忽略不计。
甚至还没有地球大气散逸带走的能量更多。
而且地球还经常受到陨石、小行星的撞击,这些撞击带来的能量,可能比摩擦散失的还多。
搞不好撞击还能给地球"加个速"。
所以说,太空摩擦让地球变慢?
有是有,但可以忽略。
那问题来了,既然摩擦损耗这么小,地球又是怎么变慢的呢?
因为地球的速度,其实相比起45亿年前,已经慢了很多很多。
刚刚形成的时候,一昼夜只需要数个小时。
哪怕5亿年前的寒武纪,一天也只有21个小时。
现在一天是24小时,以后还会越来越长。
这是怎么回事?
主要在于月球的影响。
提到月球的影响,就不得不说月球是怎么形成的。
45亿年前,星际尘埃汇聚成了无数的陨石,陨石撞击、汇聚形成众多的小行星。
小行星再互相撞击,形成更大的行星。
太阳系最初形成的行星其实很多,原始的地球只是其中一颗。
然后,一颗叫做忒伊亚的行星,撞上了原始地球。
这一撞,撞出了月球。
月球形成曾有诸多学说,什么俘获说、同源说、分裂说等等。
但现在撞击说已经是主流了,NASA和BBC做的视频或纪录片,都是直接采用撞击说。
这个撞击的过程相当壮观,不过今天也不是重点。
重点是,月球刚形成的时候,离我们特别近。
一开始月球距离我们只有2.25万公里,只有现在38.4万公里的1/17。
当时看到的月球,也比现在大很多很多。
地球对月球的引力,是现在的290倍。
也正因为如此,地球很快就"锁住"了月球。
什么叫锁住?就是月球的公转周期等于自转周期。
说白了就是月球永远只有一面对着地球,另一面我们永远看不到。
这就是潮汐锁定。
而月球对地球的潮汐力呢?
地表形成的潮汐力是现今的5000倍。
那时候的地球,地表大多数是液态的水。
水被月球吸引,从而形成潮汐作用。
水跟着月球走,与地球自转出现相对运动。
地球变慢的关键,就是这个潮汐力。
地球自转动能的降低,主要在于两个方面。
第一,潮汐力带来地表物质相对速度的不同,形成摩擦,动能转变成了热能。
说白了就是海水和海底摩擦,还有海水内部的摩擦,都在消耗地球的自转动能,最后变成热量散掉了。
第二,潮汐力把月球一步步推得更远,地月系统的动能,部分转变成了月球的引力势能。
这个怎么理解呢?
你可以这么想,地球转得比月球公转快,潮汐隆起的部分会被地球带着"跑"在月球前面。
这个隆起的部分对月球有引力,相当于在"拉"着月球往前走。
月球被往前拉,速度就会增加,速度增加了,轨道就会升高,离地球就更远了。
就这么简单。
月球每年远离地球大约3.8厘米。
听起来不多,但架不住时间长啊。
几十亿年下来,就从2.25万公里变成了38.4万公里。
当然,在月球的作用下,地球的自转是不可能完全停下来的。
因为地球的自转速度远远快于月球的公转。
当地球自转降低足够低的时候,月球已经足够远了。
由于月球动能损失并不大,此时地球的引力将不足以吸引月球,月球将永远离开地球。
不过,这个时间可能至少100亿年以上。
但无论怎么样,依靠潮汐力,不可能让地球停止自转的。
等等,月球不行,那太阳呢?
太阳对地球形成的潮汐力,是否可能锁定地球,让地球自转停下来呢?
如果真的被太阳潮汐锁定了,会是什么样?
其实就是地球的自转角速度变得和公转一模一样。
说白了就是一面永远对着太阳,一面永远背对着太阳。
就像现在的水星那样,不过水星是3:2的共振,不是完全锁定。
金星更有意思,金星公转周期224.7天,而自转因为大气潮汐效应,朝相反方向自转,周期243天。
金星在未来,或许会成为被太阳最早潮汐锁定的行星。
但地球要被太阳锁定却并不那么容易。
因为地球自转很快,一年有365个周期。
地球现今的自转动能,相对于锁定时的自转动能,高出10万倍。
差距太大了。
在太阳引力下,地球自转变慢,同样在于潮汐作用下,地层内部摩擦动能转化成热能。
而热能是会通过热辐射,释放进入宇宙的。
根据地球半径、地日的距离关系来看,在某一刻,地球正对太阳和背对太阳的两面,受到的引力差,大约只有地球受到太阳引力的1/10^14。
太阳对地球引力的平均值大约是3.5739×10^22牛。
引力差的数量级大约是10^8牛。
考虑地球自转和锁定自转速度差,功率数量级大约是10^11瓦。
这个功率听起来不小,但跟地球的自转动能比起来,还是太小了。
预估地球被太阳潮汐锁定的时间,至少500~1000亿年。
由此也可以看出,虽然地球变慢的主要因素来自月球,但太阳至少也有10%的功劳。
月球对地球的潮汐力大约是太阳对地球的6倍左右。
所以说,月球是主力,太阳是辅助。
但无论月球远离,还是地球停止自转,这个时间都相当的漫长。
极有可能永远都等不到那一天。
为什么?
因为太阳等不了那么久。
50亿年后,太阳的主序星历程就结束了,会化作红巨星,膨胀250倍。
会吞噬水星和金星,或许还有地球。
即使没有吞噬地球,也会把地球“汽化”,地球变成炼狱星球。
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