引潮力

張君波　范舟

月球正面

月球背面

為什么海洋每12個小時要經(jīng)歷一次潮起潮落？為什么人們抬頭望月只能看到月球正面？

太陽系的8顆行星中，為什么有的行星會自帶光環(huán)……這些看似奇怪的現(xiàn)象，在宇宙中卻是普遍存在的，讓我們一探究竟吧！

引力潮汐力，簡稱引潮力，是指一切天體對其他天體或物體的引力差，會導(dǎo)致后者發(fā)生形變。它是作用在兩個天體間無形的手！

根據(jù)牛頓的萬有引力定律，兩個物體之間的引力同它們的質(zhì)量成正比，同距離的平方成反比。天文學(xué)家在計(jì)算天體引力時，通常將它們視為一個“質(zhì)點(diǎn)”，忽略體積。但在計(jì)算相距較近的天體引力時，例如地月系統(tǒng)，體積就不能忽略了。造成天體間相互繞轉(zhuǎn)運(yùn)動的是天體間的平均引力，即平均引力提供了向心力，而在近點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)所受實(shí)際引力與平均引力的差就形成了引潮力。

地球會受到來自太陽系內(nèi)各個天體的引潮力，其中月球以近取勝占主導(dǎo)，太陽以質(zhì)量優(yōu)勢次之，其他基本可以忽略。

要了解海水潮汐的成因，首先讓我們來到地球北極上空，俯瞰地球和月球。它們像是一對深情的舞者，各自優(yōu)雅地旋轉(zhuǎn)又結(jié)伴而行。雖然它們是兩顆獨(dú)立的星球，卻像被一條無形的紐帶緊緊地連在一起，這條紐帶就是兩個天體間的平均引力所形成的向心力。

地球半徑6378千米，不同位置受到的月球引力相對平均引力會有一定的差別，即存在引潮力。其方向，在近月點(diǎn)指向提供引力的天體，即月球；在遠(yuǎn)月點(diǎn)背向此天體（小減大得負(fù)力），從地面看則力的方向是向上的。

于是，我們可以看到如右上圖所示的情景，海水由于引潮力的影響，在近月點(diǎn)附近高高隆起，在遠(yuǎn)月點(diǎn)亦是如此。地球自轉(zhuǎn)為24小時，相比之下，月球在24小時內(nèi)移動很少，因此人們就可以在一天之內(nèi)經(jīng)歷2次海水漲落潮。

另外，由于地球在自轉(zhuǎn)，速度比起地月系的繞轉(zhuǎn)速度要快得多，即地球上的潮汐隆起總比月球前進(jìn)得更快，而月球的引力會拖拽住地球的潮汐，產(chǎn)生的摩擦力會阻礙地球的自轉(zhuǎn)，使得地球自轉(zhuǎn)逐漸變慢。由于地月系統(tǒng)角動量守恒，減少的地球自轉(zhuǎn)角動量會轉(zhuǎn)移到月球上，導(dǎo)致月球的軌道逐漸變大，也就是現(xiàn)在的月球正以約4 厘米/ 年的速度遠(yuǎn)離我們的地球。

月球被地球潮汐鎖定示意圖（供圖/ 張君波）

地球自轉(zhuǎn)與引潮力

如果說月球要對地球海洋潮汐負(fù)責(zé)，那么地球?qū)υ虑虻囊绷鹗裁礃拥暮蠊?/p>

地球質(zhì)量約是月球的81倍，在距離不變的情況下，質(zhì)量成為王牌，于是地球?qū)υ虑虻囊绷Υ蟮阶阋詫⒃虑颉俺毕芥i定”，即月球自轉(zhuǎn)周期與繞地球公轉(zhuǎn)周期一致?？此迫绱司珳?zhǔn)的巧合，背后隱藏著非常復(fù)雜的動力學(xué)原因，這恐怕要從月球形成之初講起。

月球被地球潮汐鎖定示意圖（供圖/ 張君波）

引潮力對月球的影響

月球被認(rèn)為是地球在受到巨大天體撞擊后，拋出去的一團(tuán)熾熱的熔化物在引力作用下形成的一個天體，其自轉(zhuǎn)軸隨機(jī)。上面提到的引潮力的影響也會復(fù)現(xiàn)在月球上，由于受到地球引潮力的影響，炙熱的熔化物會沿著兩個天體的核心連線向兩側(cè)隆起，形狀似橄欖球。由于自身引力作用，在月球自轉(zhuǎn)過程中，這些隆起最終又會回落，再隆起，再回落……雖然有滯后。

在不斷重復(fù)這個過程中，月面的“潮汐”通過摩擦力逐漸阻礙月球的自轉(zhuǎn)，使得月球自轉(zhuǎn)逐漸變慢。同時由于能量守恒，在同樣力的作用下，隨著月球自轉(zhuǎn)速度降低，月球的軌道距離逐漸增大，月球也從最初形成的位置慢慢飄離地球。最終，它的自轉(zhuǎn)軸變成單軸，自轉(zhuǎn)一周與它繞地球公轉(zhuǎn)一周的時間相同，這時，不會再受到摩擦力的作用，也就成為了今天我們所看到的地月運(yùn)行的樣子。

其實(shí)潮汐鎖定現(xiàn)象在宇宙中相當(dāng)普遍，只要時間足夠長，兩個獨(dú)立的、相互繞轉(zhuǎn)的天體終究會被彼此潮汐鎖定。那是否有一天地球也會被太陽潮汐鎖定呢？這是當(dāng)然的！真的到了那一天，生活在地球上的我們不會再經(jīng)歷晝夜更替，地球面向太陽的一面將永遠(yuǎn)是白天，而另一面將進(jìn)入永久的黑夜，想想還是很可怕的。

看起來總是大的天體潮汐鎖定小的天體，那么小的天體會鎖定大的天體嗎？同樣也會的，但是這個過程會更加漫長。例如，月球要想潮汐鎖定我們的地球，至少要花上500 億年，不過，那時候我們的太陽系可能早就不復(fù)存在了。

被粉碎的界限——洛希極限如果說潮汐鎖定是天體之間達(dá)到的一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，那么一種不穩(wěn)定的狀態(tài)會是什么樣子？假設(shè)一大一小兩個天體質(zhì)量已定，其中小天體從無限遠(yuǎn)處奔向大天體的懷抱，在這個過程中，其所受到來自大天體的引潮力逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個距離時，引潮力和其自身凝聚成球的引力達(dá)到平衡。一旦更近一步，引潮力便會大于其自身引力，從而將小天體撕碎。這個赫赫有名的極限距離，最早是由愛德華·洛希計(jì)算出來的，因此后人將此距離稱為“洛希極限”。

月球之所以能夠和地球快樂地跳起“華爾茲”，很明顯它們都懂得“分寸”，不會靠得太近?？墒怯钪嬷?，總有一些“不明事理”的家伙沖進(jìn)別人家的領(lǐng)地，當(dāng)其突破洛希極限時，“受傷”的事情就會發(fā)生。

月球被認(rèn)為是地球在受到巨大天體撞擊后，拋出去的一團(tuán)熾熱的熔化物在引力作用下形成的一個天體，其自轉(zhuǎn)軸隨機(jī)。上面提到的引此潮汐鎖定。那是否有一天地球也會被太陽潮汐鎖定呢？這是當(dāng)然的！真的到了那一天，生活在地球上的我們不會再經(jīng)歷晝夜更替，地球面向太陽的一面將永遠(yuǎn)是白天，而另一面將進(jìn)入永久的黑夜，想想還是很可怕的。

看起來總是大的天體潮汐鎖定小的天體，那么小的天體會鎖定大的天體嗎？同樣也會的，但是這個過程會更加漫長。例如，月球要想潮汐鎖定我們的地球，至少要花上500 億年，不過，那時候我們的太陽系可能早就不復(fù)存在了。

如果說潮汐鎖定是天體之間達(dá)到的一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，那么一種不穩(wěn)定的狀態(tài)會是什么樣子？假設(shè)一大一小兩個天體質(zhì)量已定，其中小天體從無限遠(yuǎn)處奔向大天體的懷抱，在這個過程中，其所受到來自大天體的引潮力逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個距離時，引潮力和其自身凝聚成球的引力達(dá)到平衡。一旦更近一步，引潮力便會大于其自身引力，從而將小天體撕碎。這個赫赫有名的極限距離，最早是由愛德華·洛希計(jì)算出來的，因此后人將此距離稱為“洛希極限”。

月球之所以能夠和地球快樂地跳起“華爾茲”，很明顯它們都懂得“分寸”，不會靠得太近?？墒怯钪嬷螅傆幸恍安幻魇吕怼钡募一餂_進(jìn)別人家的領(lǐng)地，當(dāng)其突破洛希極限時，“受傷”的事情就會發(fā)生。

逐漸逼近洛希極限的天體被撕碎

如果有一天，月球受到外力沖擊導(dǎo)致軌道變小，突破了地月之間的洛希極限，那么月球?qū)⒈煌呓獬伤槠蔀榈厍虻墓猸h(huán)。宇宙中不乏這樣的例子，瞧瞧我們的鄰居——土星，它的環(huán)即位于洛希極限內(nèi)，可想而知光環(huán)的由來咯。

現(xiàn)在我們了解了地球海洋的潮汐，月球的深情，土星的光環(huán)……這些看似神奇卻在宇宙中普遍存在的現(xiàn)象，通通和引潮力有關(guān)，可以用牛頓的萬有引力定律來解釋。在感嘆宇宙之大、宇宙之神奇時，我們還要向諸如牛頓的先輩們致敬，是他們讓后人能夠站在巨人的肩膀上繼續(xù)探索宇宙的奧秘。年輕的朋友們，人類的未來在地球之外，探索宇宙，永無止境！

（責(zé)任編輯 / 張麗靜 美術(shù)編輯 / 周游）