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小顽童阿淑
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龙发集团

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月球俗称月亮,也称太阴,是地球的唯一的天然卫星,也是离地球最近的天体。月球距离地球平均为384,401公里。这段距离约为地球赤道周长的10倍。月球轨道呈椭圆形,近地点平均距离为363300公里,远地点平均距离为405500公里。月球直径为3476公里,约为地球直径的3/11。月球表面面积大约是地球表面面积的1/14,比亚洲面积稍小。月球的体积只相当于地球体积的1/49。月球质量约等于地球质量的1/81.3。月球物质的平均密度为每立方厘米3.34克,只相当于地球密度的3/5。月面上自由落体的重力加速度地球上表面重力加速度的1/6。月球上的逃逸速度约为每秒2.4公里,为地球上的逃逸速度的1/5左右。月球在环绕地球作椭圆运动的同时,也伴随地球围绕太阳公转,每年一周。月球不但处于地球引力作用下,同时也受到来自太阳引力的影响,所以具有十分复杂的轨道运动。月球本身不发光也不透明,但能反射太阳光。由于日、地、月三者的相对位置不断变化,因此,地球上的观测者所见到的月球被照这部分也在不断变化,从而产生不同的视形状。这叫月相。月相的变化是有规律的。月相变化的周期性,给人们提供了一种计量时间的尺度。阴历或农历月就是以月相为基础,星期也是由此演化而来。自古以来人们就知道,月球总以相同的一面向着地球。这是由于月球自转周期恰好和月球绕地球转动的周期相等造成的,而这两个周期相同则是潮汐长期作用的结果。月球赤道面同它的轨道面有6度41分的倾角。因为这一倾角的存在和月球绕转速度的不均匀等原因,在月球运动过程中,地面上某一点的观测者多少还能看出月面边沿有前后的摆动。从地面观测,不止看到月球的半面,而且能看到月球的59%,其余41%则不能直接看到。月球形状也是南北极稍扁、赤道稍许隆起的扁球。它的平均极半径比赤道半径短500米。南北极区也不对称,北极区隆起,南极区洼陷约400米。月球重心和几何中心并不重合,重心偏向地球2公里。这一结论已为"阿波罗号"登月获得的资料所证实。月面上山岭起伏,峰峦密布。此外,还有洋、海、湾、湖等各种特征名称。其实,月面上并没有水。只是早年观测者凭借想象,借用地球上的名称而已,最多不过有某些形态上的相似罢了。月面上的最明显的特征是环形山,通常指碗状凹坑结构。其中大的直径可超过100公里,小的不过是些凹坑。直径大于1公里的环形山总数3万多个,占月球表面积的 7~10%。环形山大多以著名天文学家或其他学者的名字命名,月球背面有4座环形山,分别以中国古代天文学家石申、张衡、祖冲之、郭守敬命名。月面最大的几个环形山是:南极附近的贝利环形山,直径295公里;克拉维环形山,直径233公里;牛顿环形山,直径230公里。许多环形山的中心区有中央峰或中央峰群,高达2.5公里。肉眼所看到的月面上的暗淡黑斑叫“月海”,它们是广阔的平原。在月球正面,月海面积约占整个半球表面的一半。已知月海共22个(包括背面),其中最大的叫风暴洋,面积约500万平方公里。雨海面积约90万平方公里。月面中央的静海面积约26万平方公里。此外,较大的还有澄海、丰富海、危海、云海等。月海大多具有圆形封闭的特点,四周是山脉。有些月海伸向陆地称为湾,小的月海则称为湖。月陆是月面上高出月海的地区,一般高出2~3公里。月陆主要由浅色的斜长岩组成,其反照率较高。月球正面的月陆与月海面积大致相等,而背面则月陆面积大些。月陆形成的年代经同位素年龄测定为46亿年,比月海要早。月球上也存在一些山脉,大多以地球上的山名命名,如亚平宁山脉、高加索山脉、阿尔卑斯山脉等。最长的山脉长达1000公里,往往高出月海3~4公里。最高的山峰在月球南极附近,高达9000米,比地球上最高的珠穆朗玛峰还高。除山脉外,还有长达数百公里的峭壁,最长的是阿尔泰峭壁。月面上有一些辐射纹, 典型的有第谷环形山和哥白尼环形山周围的辐射纹。第谷环形山有辐射纹12条,从环形山周围呈放射状向外延伸,最长的达1800公里,满月时看得最清楚。其成因尚无定论:有人说是火山爆发形成的;也有人认为是陨石轰击月面造成的。长期天文观测与登月的直接考察证实,月球周围没有明显的磁场。月球磁场强度不及地球磁场的1/1000。月球上更没有像地球和木星那样的辐射带。月球上不存在任何形态的水,完全没有大气,几乎接近真空状态。通过月球火箭探测查明:月球正面有称为"重力瘤"或"质量瘤"的重力异常区,达12处之多;月球表面大部分地区为一层厚度不等的月尘和岩屑所覆盖。月球没有像地球大气那样的保护层,月面直接受到流星体的猛烈冲击,因此在一定程度上会影响到月岩的化学成分、岩屑大小、玻璃含量以及再结晶的程度。月球早期广泛发生火山爆发,喷出大量熔浆,从而形成月面上广阔的熔岩平原。月球本身并不发光,只反射太阳光。它的亮度随日、月间角距离和地、月间距离的改变而变化。它的平均亮度为太阳亮度的1/465000,亮度变化幅度从1/630000至1/375000。满月时亮度平均为 -12.7等。它给大地的照度平均相当于100瓦电灯在距离21米处的照度。月面不是一个良好的反光体,它的平均反照率只有7%,其余93%均被月球吸收。月海的反照率更低,约为 6%。月面高地和环形山的反照率为17%,看上去山地比月海明亮。由于月球上没有大气,再加上月面物质的热容量和导热率又很低,因而月球表面昼夜的温差很大。白天,在阳光垂直照射的地方温度高达127摄氏度;夜晚,温度可降低到零下183摄氏度。这些数值,只表示月球表面的温度。用射电观测可以测定月面土壤中的温度,而且所用的射电波的波长愈长,愈能探测到月面土壤中较深处的温度。这种测量表明,月面土壤中较深处的温度很少变化,这正是由于月面物质导热率低造成的。从月震波的传播了解到月球也有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳厚60~65公里。月壳下面到 1000公里深度是月幔,它占了月球大部分体积。月幔下面是月核。月核的温度约1000摄氏度,很可能是熔融的。月球背面的结构和正面差异较大。月海所占面积较少,而环形山则较多。地形凹凸不平,起伏悬殊。最长和最短的月球半径都位于背面,有的地方比月球平均半径长4公里,有的地方则短5公里(如范德格拉夫洼地)。背面未发现"质量瘤"。背面的月壳比正面厚,最厚处达150公里,而正面月壳厚度只有60公里左右。关于月球的成因,众说纷纭,主要有三种假说,即俘获说、分裂说和同源说。俘获说: 月球可能是在地球轨道附近运行的一个小行星,后来被地球所俘获而成为地球的卫星。因为月球和地球的平均密度相差很大,而化学组成又十分不同,所以,它们可能是由太阳原始星云中不同部位的不同物质形成的。另一方面,月球的平均密度却与陨石、小行星十分接近。因此,很可能是小行星在围绕太阳运行中,由于接近地球,地球的引力使它脱离原来的轨道而被地球所俘获。有人认为,这个事件发生在35亿年前,整个过程经历5亿年。在月球被地球俘获后,月球由于受到地球的起潮力,喷发出大量岩浆,形成月海玄武岩。分裂说:在太阳系形成的初期,地球和月球原是一个整体,那时地球还处于熔融状态,自转非常快,自转周期只有4小时左右。因此,这时太阳对地球的潮汐作用的周期为 2小时。这个周期恰与地球自由摆动周期相等,从而产生共振,于是在赤道面上形成一串细长的膨胀体,终于分裂而形成月球。太平洋就是月球分裂出去时留下的遗迹。根据计算,地月系统现有的角动量总和,即使再加上几十亿年的角动量损耗,也不足使地球和月球分裂。而且月球的位置又不在地球赤道面上。这些事实是分裂说很难加以解释的。同源说:地球和月球是由同一块行星尘埃云所形成。它们的平均密度和化学成分不同,是由于原始星云中的金属粒子在形成行星之前早已凝聚。地球在形成行星时,一开始便以铁为主要成分,并以铁作为核心。而月球则是在地球形成后,由残余在地球周围的非金属物质聚集而成。月球形成的这三种假说,都能或多或少地解释月球的成分、密度、结构、轨道及其他基本事实。除分裂说一般认为难以成立外,俘获说和同源说这两种假说究竟哪一种更加合理,目前尚无定论。根据对月球各种热历史模型的研究,整个月球曾发生过多次局部熔融。在月球形成的初期,月球的大部分温度曾达到1000摄氏度。距今41亿年前,月球发生过一次规模较大的岩浆运动,在岩浆的分离过程中,形成了斜长岩成分的月壳,残留部分成为月表的高地。月球表层固结后又在较深的部位发生局部熔融,产生苏长岩成分的熔体。大约距今40亿年前,形成了富含放射性元素、难熔元素的非月海玄武岩。斜长岩高地长期裸露在月表,不断受到陨星物质的撞击,因而被削低了1.5~2公里,在高地上发育着大量古老的冲击月坑。后期,高地为一系列的断裂所切割和破坏。距今41~39亿年前,月球比较集中地遭受到各种大型陨星的撞击,使月表出现许多月海盆地,即大型的环形构造,最典型的是雨海事件。月球上的月海大致都是在相近的时期内形成的。月海生成的大致次序是:酒海、澄海、湿海、危海、雨海……。雨海纪形成的各个月海大约在距今39~31亿年间,被后期喷发的玄武岩所充填和覆盖。根据同位素年龄的测定,大致充填的时间次序是雨海西、雨海东、湿海、危海、雨海、静海、丰富海、澄海和风暴洋。此后月表的轮廓基本形成,31亿年以来,月球内部的演化已处于"停滞"状态,外力作用在月球的演化史中占有主导地位。陨星冲击月表,使月坑继续形成和增多。爱拉托逊纪形成的辐射月坑,其辐射纹受月表的各种作用,或者变得不明显,或者消失;而哥白尼纪形成的月坑,则具有明显的辐射纹。月球或月亮是指环绕地球运行的一颗卫星。它是目前人类已知的唯一一颗地球天然卫星和离地球最近的天体。 概述 月球与地球之间的平均距离是384,400千米。 1969年尼尔·阿姆斯特朗/阿姆斯壮/杭斯朗(Neil Armstrong)和奥尔德林(Buzz Aldrin)成为最先登陆月球的人类。 轨道资料--部分资料来源自[[1]] 平均轨道半径 384,400千米 轨道偏心率 0.0549 近地点距离 363,300千米 远地点距离 405,500千米 平均公转周期 27天7小时43分11.559秒 平均公转速度 1.023千米/秒 轨道倾角 在28.58°与18.28°之间变化 (与黄道面的交角为5.145°) 升交点赤经 125.08° 近地点辐角 318.15° 物理特征 赤道直径 3,476.2 千米 两极直径 3,472.0 千米 扁率 0.0012 表面面积 3.976×107平方千米 扁率 0.0012 体积 2.199×1010立方千米 质量 7.349×1022千克 平均密度 水的3.350倍 赤道重力加速度 1.62 m/s2 地球的1/6 逃逸速度 2.38千米/秒 自转周期 27天7小时43分11.559秒 (同步自转) 自转速度 16.655米/秒(于赤道) 自转轴倾角 在3.60°与6.69°之间变化 (与黄道的交角为1.5424°) 反照率 0.12 满月时视星等 -12.74 表面温度(t) -233~123℃ (平均-23℃) 大气层 大气压 1.3×10-10 千帕 月球的两面 月球是一颗 同步卫星。因此,月球的正面永远向着地球。另一方面,除了在月面边沿附近的区域因天秤动而间中可见以外,月球的背面绝大部分不能从地球看见。在没有探测器的年代,月球的背面一直是个未知的世界。 月球背面的一大特色是它几乎没有月海这种较暗的月面特征。而当探测器运行至月球背面时,它将无法与地球直接通讯。 月球的周期 名称 Value (d) 定义 恒星月 27.321 661 相对于背景恒星 朔望月 29.530 588 相对于太阳(月相) 分点月 27.321 582 相对于春分点 近点月 27.554 550 相对于近地点 交点月 27.212 220 相对于升交点 月球轨道的其它特征 名称 数值 (d) 定义 默冬章 (repeat phase/day) 19 年 平均月地距离 ~384 400 千米 近地点距离 ~364 397 千米 远地点距离 ~406 731 千米 轨道平均偏心率 0.0549003 交点退行周期 18.61 年 近地点运动周期 8.85 年 食年 346.6 天 沙罗周期 (repeat eclipses) 18 年 10/11 天 轨道与黄道的平均倾角 5°9' 月球赤道与黄道的平均倾角 1°32' 月球的起源 月球的起源问题非常古老,也是科学界争论不休的题目。 最早的一种假说可以称之为“同源说”,认为月球和地球有相同的起源,但是现在一般都认为月球轨道的倾角表明它不太可能与地球同期形成或于后期被掳获。另外一个早期的推测认为在太阳系形成初期,地球处于熔融状态,由于地球的转速很快,月球因地球自转的离心力分离而成,甚至有人认为太平洋就是这个分出去后的疤痕。但要满足此一说法,地球初始转速必须很大。亦有人认为月球在别处形成,后来被地球掳获。 其他理论包括共生理论或称为凝聚理论,指地球和月球于相同的时间自吸积盘形成。此理论无法解释月球为何缺少铁。又有一些理论认为月球由围绕地球的大堆碎屑(因小行星或行星间的碰撞)形成。哈喇 现时较为人接受的理论称为大撞击理论,该理论认为月球由呈半融熔状态的地球和火星般大小的天体(有些人给它起名叫Theia)碰撞后的碎片形成。 月球的地质年代由几次重大的撞击事件定义。 潮汐力使早期呈熔融状态的月球变成一个以长轴指向地球的椭球体。 成分 45亿年前,月球表面仍然是液体岩浆海洋。科学家认为组成月球的矿物克里普矿物(KREEP)展现了岩浆海洋留下的化学线索。KREEP实际上是科学家称为“不兼容元素”的合成物--那些无法进入晶体结构的物质被留下,并浮到岩浆的表面。对研究人员来说,KREEP是个方便的线索,来明暸月壳的火山运动历史,并可推测彗星或其他天体撞击的频率和时间。 月壳由多种主要元素组成,包括:铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝 及氢。当受到宇宙射线轰击时,每种元素会发射特定的伽玛辐射。有些元素,例如:铀、钍和钾,本身已具放射性,因此能自行发射伽玛射线。但无论成因为何,每种元素发出的伽玛射线均不相同,每种均有独特的谱线特征,而且可用光谱仪测量。 直至现在,人类仍未对月球元素的丰度作出面性的测量。现时太空船的测量只限于月面一部分。例如:1992年伽利略号曾于飞掠月球时测量过元素丰度。[2] 表面地理 月球表面有上万个直径超过1千米的环形山.他们大部分都有上亿年的历史;缺少大気层和气象活动以及缺乏近期地质活动保证了它们大部分永久性的保持原样. [月球上最大的环形山,也是太阳系内已知最大的,形成了South Pole-Aitken basin. 这环形山位于月球的背面,接近南极的地方,直径约2,240 公里,深13 公里。 那些暗色和较少特征的月球平原叫“月海”,这是由于古代的天文学家认为上面是海洋的缘故。事实上,月海由巨大陨石撞击后从月幔流出并覆盖表面的玄武岩岩浆形成。较浅色的高地叫“月陆”。几乎只有面向地球的月面才有月海,月球背面的月海寥寥可数。天文学家相信这是因为月球的质心比形心更靠近地球所导致的(详请参见月海)。 在月壳上是一层表面呈尘埃状的岩石层,称为月壤,月壤并不是土壤。月壳和月壤在月面的分布并不均匀。月壳的厚度由60公里(月球正面)至100公里(月球背面)不等,月壤则由约5米(月海)至十多米(月陆)。 在2004年,Johns Hopkins University的Ben Bussey博士率领的小组从克莱门汀任务拍摄得来的照片中,发现月球北极Peary crater边沿的4个区域经常受到日照(南极却没有发现类似区域)。这些终年日照区的产生是由于月球的自转轴倾角很小,同样道理,有很多位于两极的陨石坑底经常没有光照。 水的存在 自古以来,彗星和陨星不断地撞击月球。这些物体中的大部分都含有水分。来自阳光的能量将这些大部分的水分分解回组成它的元素,氢和氧。两者通常都会立即飞离月球。但是,有科学家提出假说,认为还有相当含量的水在月球之上,例如在表面或深藏在月壳里。美国克莱门汀任务显示,一些细小的水冰冰块(含水彗星撞击后的碎片)可能藏在永久无日照区域的月壳里未被融化。虽然这些冰块很小,但总水量却可能相当可观(约有1立方公里) 而有些水分子,亦可能在月面弹跳其间掉进陨石坑而藏于其中。由于月球自转轴相对于黄道面法线有1.5度的轻微倾斜,部分极区的陨石坑底部从来没有受阳光照射,处于永久的影子中。克莱门汀任务曾测量月球南极这些陨石坑([3])并绘制成地图([4]) 。科学家期望可在此类陨石坑中找到水冰,并开采及利用太阳能电力或核能来电解成氢和氧。月球上可用的水量大大影响了人类在月球上居住的成本,因为从地球运送水(或氢和氧)昂贵得不切实际。 由阿波罗号上的太空人在月球赤道附近收集的岩石并不含任何水分。月球勘探者号或其他近期研究(例如:史密森学会)均没有找到液态水、冰或水蒸汽的直接证据。然而,月球勘探者号的结果指出在永久无日照区有氢,并可能以水冰的形式存在。 磁场 与地球相比,月球的磁场非常弱. 部分地区上的磁场相信是来自月球本身的(例如在Sirsalis月溪上的月壳),但与其他天体碰撞亦可能令它的磁场改变。而无大气层的天体是否能透过彗星和小行星撞击而获得磁场,是行星科学里一个历久常新的问题。测量月球磁场更可提供月核大小及导电率等资料,对科学家暸解月球起源有很大帮助。若月核比地球含有较多磁性物质(例如:铁),则月球的撞击起源说便较不可信(不过科学家已从另外一些角度来解释为甚么月核含较小的铁) 大气 月球只有微不足道稀薄的大气. 这些大气的来源之一是除气作用—气体的释放, 例如月球表面的氡气原先就是深藏于月球内部的. 有时,太阳风也会被月球的引力掳获,成为气体的另一重要来源

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伊兰0518

月球自身质量太小,自身的引力根本无法将大气层牢牢拉住,没有了大气层的保护,太阳风会直接侵袭月亮。

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jhaiyun888

朱长超,1944年生,1967年毕业于复旦大学化学系。1968年超在上海无线电一厂工作,当过工人,搞过化学分析。1974年调往自然辩证法杂志工作。1978年调入上海社会科学院,1979年被录取为上海社会科学院哲学研究所方法论专业研究生,1982年毕业后一直该院信息研究所从事研究工作。1991年被评为副研究员,1993年被聘为中国管理科学院思维科学研究所教授,兼任上海思维研究所所长。

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小苹果草莓心

一、什么是潮汐

严格意义的潮汐,是指由于日、月引力的作用,地球的岩石圈、水圈和大气圈产生的周期性运动和变化。完整的潮汐研究对象包括地潮、海潮和气潮。

由于海潮现象十分明显,且与人们的日常生活、经济活动、交通运输等关系密切,所以习惯上将潮汐狭义理解为海洋潮汐。海洋潮汐一般每日发生两次,发生在白天的称为“潮”,发生在晚上的称为“汐”,部分地区只发生一次。当外海潮波沿江河上溯,又会引起江河下游发生潮汐。

根据周期,潮汐又可分为三种类型:

不论那种潮汐类型,在农历每月初一、十五以后两三天内,各要发生一次潮差最大的大潮。在农历每月初八、二十三以后两三天内,各有一次潮差最小的小潮。

由太阳引起的潮汐称 太阳潮 ,由月球引起的称月球潮汐,也称 太阴潮 。

二、潮汐产生的原因

古人早已发现潮汐与月相变化之间存在密切的关系,但对此无法作出合理解释。直到牛顿发现万有引力定理,才为解释这个现象提供了理论基础。但即使如此,对于潮汐的形成原因还是存在普遍的误解。

误解一:月球对海水的引力导致地球对着月亮的海面向上隆起,形成潮汐。

误解二:月球和地球实际是在围绕共同的质心旋转,旋转的离心作用对地球背面海水和正面海水都会产生向外拉拽的效果,导致地球呈现椭球形,从而形成潮汐。

这是网上流传最多的观点,我解释一下:

地球向月点B、北极点F、背月点D距离轴线距离不同,因此它们的运动轨迹为图中半径不同的虚线圆圈。因为“角速度相同的情况下,离心力与旋转半径成正比”,所以这三个点的离心作用由弱到强,黄色箭头长度显示了各点离心力的大小,箭头方向显示了离心力的方向。由于转轴在地表以下,所以B点离心力是指向月亮的,F和B点则远离月亮。

站在F点的观察者,由于自身处在一个旋转的参考系中,所以他观察到的D点离心力等于D点箭头长度减去F点箭头长度,B点离心力则等于其箭头长度加上F点箭头长度(见下面俯视图中橙色箭头),计算可知两者长度相等,因此观察者看到B、D两点受到大小相等方向相反的离心力作用,两处的海水向外拉伸,因此发生了涨潮。

可能不太好理解,举个例子:假设你和两个小球共处于一个电梯中,初始时都是静止状态。这时电梯缆绳突然断了,你和小球随着电梯轿厢开始自由落体,正常情况下你会看到两个小球漂在空中,与你的距离既不变远也不变近,你会认为它们和你都没有受到力的作用,虽然实际上你们都受到了重力的作用。假如由于某种奇异的机制(比如外星人作祟),其中一个小球落得比你快,另一个落得比你慢,虽然两者实际都还在加速下落,但在你看来,你会认为其中一个球受到了向上的拉力,另一个受到了向下的拉力。

位于F点的观察者观察B、D点,与轿厢中的人观察两个小球是类似的,他观察到的B、D点离心力的大小是等于两点实际值减去F点的实际值的。这个分析是不是很有道理?它的确能说明向月点和背月点都受到了向外的拉力。但是, 它只分析了向月点、北极点和背月点的受力,没有分析其它区域的受力 ,我们还不能据此就认为它对潮汐成因的解释是对的。

我们在地球表面上放置一个可移动的点A,按照上面的分析计算A点受到的离心力(用箭头AA1表示其大小和方向),再将其减去F点受到的离心力FF1,得到图中A3点的位置,AA3表示的就是F点观察者所看到的A点受力。移动A点位置,观察A3点轨迹,就能得出地球不同位置的受力图,然后直观看出前面的解释是否正确。

先让A点在地球经线上移动,见下面的侧视图:

A3点轨迹连成了一个椭圆,说明B、D两点的离心力的确大于经线上其它部位,符合前面的分析结果。

我们再让A点在地球赤道上移动,见下面的俯视图:

怎么回事,A3的轨迹竟然是个圆形!?为了确认没有看错,我在图中画上一个以地球球心为圆心的绿色圆形辅助线,然后再揉揉眼睛仔细看,没有看错,A3轨迹确实是圆形的!

这说明了什么?这说明在离心力作用下,地球赤道上各个位置受到的向外拉拽的力量是相同的,这种力会使地球向“两极更扁、赤道更鼓”的铁饼形变化,而不是“向月点和背月点更鼓”的椭球形,因此不会出现同期性的潮汐。 对地球上的观察者来说,地月互绕只不过是给地球自转叠加了一个分量而已。 可以断定: 前面的第2个解释是错误的!

网上基于第2种解释的观点很多,部分解释会加上一句“离心力和月球引力的共同作用导致了地球的椭球形”,语焉不详,其实并没有解释清楚潮汐的成因。

那么正确的解释是什么呢?

这次我们对地球各点受到的与月球有关的力做一下客观分析。每个点受到的与月球相关的力只有两个:地月互绕产生的离心力和月球引力。我们对图4做一些修改,将箭头A1A3改为A1A2,A1A2是A受到的实际月球引力,它与A1A3的不同之处在于:因为月球距离影响引力,所以A1A2的大小会随A的位置变化而变化,而不是像A1A3那样保持不变。据此做出的动图如下:

仔细观察可以看出与图4的不同:A2轨迹是个椭圆,虽然在地月直线方向上与辅助圆是重合的(图5右上角),但在垂直方向A2却在辅助圆以内(图5左侧和右侧),尽管差别很微小。这说明在赤道上向月点和背月点海水受到的向外拉拽力比侧面的要大。

上面这个图有些复杂,下面的描述加简单,更能说清楚它的本质。

图4、图5表明,地月互绕带来的离心作用只能给赤道上各点带来相同大小的离心力,月球引力的不同才会带来真正的变化,那我们干脆抛开离心力,只考虑月球引力。再画图分析一下。

上面两个图表示的是赤道上各点和F点受力情况,箭头方向表示受力方向,长度表示受力大小。图6表示的是实际月球引力,图7表示的是站在F点的观察者观察到的受力。为突出效果,图中将引力变化幅度做了放大,图7呈现了明显的椭球形。

我们知道,做匀速圆周运动的物体实际是向着圆心做加速运动,地球也是如此:地球由于月球引力而向月球做加速运动,由于背月点海水受到的引力较小,引力带来的加速比地球小,因此被地球拉着飞向月球;而向月点海水受到的引力比较大,相比地球有更快飞向月球的趋势,因此它拽拉地球往前跑。所以,对于地球来说,背月点和向月点的海水都有飞离的趋势,这就是潮汐的动力来源。

根据表1数据计算(考虑地月互绕,但不考虑地球自转):

虽然引潮力很小,但地球表面70%以上区域被海洋覆盖,月球引力作用于所有区域,累积起来对水体的运动产生很大影响。同时,地球的自转使得海岸挤压隆起的水体,进一步加大了潮汐效果。

大家也许听说过:海底地震在深海区域引起的海啸一般不并太高,可能也就几十厘米,海啸经过时船只甚至没有感觉,但当海啸传播到近海时,会被海床陡然抬高,甚至高达十几米,产生巨大的破坏力。潮汐也类似,在某些近岸环境会展现巨大的威力。

太阳同样会对潮汐产生很大影响,但由于距离太远,虽然质量远大于月亮,太阳产生的引潮力大小只是月球的46%左右。

朔点时刻太阳和月球在地球的一侧,有最大的引力,所以会引起大潮,在农历每月的十五或十六附近,太阳和月亮在地球的两侧,太阳和月球的引力你推我拉也会引起大潮;在月相为上弦和下弦时,即农历的初八和二十三时,太阳抵消了月球的一部分潮汐效应,所以就发生了小潮。

由于月球每天在地球上东移13度多(360/27.32),地球自转这个距离需50分钟左右,所以每天月亮上(下)中天时刻比前一天推迟约50分钟(即:1太阴日 ≈ 24时50分),故每天涨潮时刻也推迟50分钟左右。

地潮、海潮和气潮的发生都是由上述原因引起的,三者之间又互有影响。大洋底部地壳的弹性和塑性也会导致海潮形变,即地潮对海潮有一定影响;而海潮引起的海水迁移,改变地壳承受的负载,又会使地壳发生变曲;气潮作用于海面上引起附加的振动,使海潮的变化更趋复杂。

三、潮汐的应用

(一)能源开发 1. 潮汐能 潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。由于地球的自转,这种水位变化以周期12小时25分的深海波浪形式由东向西传播(太阳潮周期为12小时)。根据平衡潮理论,如果地球完全由等深海水覆盖,月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0.563m,太阳引潮力的作用为0.246m。和水力发电相比,潮汐能的能量密度很低,但一般平均潮差达到3m以上就有实际应用价值。世界大的潮差能达13~15m。

2. 开发潜力 尽管潮汐很复杂,但对任何地方的潮汐都可以进行准确预报。海洋潮汐从地球的旋转中获得能量,并通过浅海区和海岸区的摩擦以1.7TW的速率消散。吸收能量过程会使地球旋转减慢,但减慢非常微小,也不会由于潮汐能的开发利用而加快。只有在地理条件适宜的地方,才有可能从潮汐中提取能量。据估算,有开发潜力的潮汐能量每年约200TW·h。

3. 潮能储量 全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3×10^9 kW。我国海岸线曲折,全长约1.8×10^4 km,沿海还有6000多个大小岛屿,组成1.4×10^4 km的海岸线,漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。我国潮汐能的理论蕴藏量达1.1×10^8 kW,其中浙江、福建两省蕴藏量最大,约占全国的80.9%,但这都是理论估算值,实际可利用的远远比这少。

4. 发电站 1912年,世界上最早的潮汐发电站在德国的布斯姆建成。1966年,世界上最大容量的潮汐发电站在法国的朗斯建成。我国在1958年以来陆续在广东省的顺德和东湾、山东省的乳山、上海市的崇明等地,建立了潮汐能发电站。加拿大安纳波利斯潮汐电站、法国朗斯潮汐电站、基斯拉雅潮汐电站是世界三大著名潮汐电站。

(二)军事应用 1661年4月21日,郑成功率领两万五千将士从金门岛出发,到达澎湖列岛,进入台湾攻打赤嵌城。郑成功的大军舍弃港阔水深、进出方便但有重兵把守的大港水道,选择了鹿耳门水道。鹿耳门水道水浅礁多,航道不仅狭窄而且有荷军凿沉的破船堵塞,所以荷军此处设防薄弱。郑成功乘着涨潮航道变宽且深时,攻其不备,顺流迅速通过鹿耳门,在禾寮港登陆,直奔赤嵌城,一举成功。

1939年,德国布置水雷,拦袭夜间进出英吉利海峡的英国舰船。德军精确计算潮流变化的大小及方向,确定锚雷的深度、方位,用漂雷战术取得较大战果。

1950年朝鲜战争初期,朝鲜人民军长驱直入打到釜山一带。美国纠集联合国多国部队杀到朝鲜,但在选定登陆地点时犯了难——适合登陆的港口都有朝鲜人民军重兵把守,强行登陆代价巨大。最终美军司令麦克阿瑟指挥美军于仁川成功登陆。原来,仁川港位于朝鲜的西海岸,平时易守难攻,朝鲜人民军认为美军不可能从仁川登陆,加之战线拉得太长,所以对仁川港疏于防守,兵力薄弱。可是仁川每年有3次最高的大潮,潮差可达9.2米,为亚洲之最。美军利用9月15日的大潮,穿过了平时原本狭窄、淤泥堆积的飞鱼峡水道和礁滩,出人意料地在仁川港登陆。朝鲜人民军因此被拦腰截断,前线后勤完全失去保障,腹背受敌,损失惨重,几乎陷入绝境。美军和联合国军仅用1个月,几乎席卷朝鲜半岛,兵临鸭绿江边,取得空前胜利。

四、潮汐对天体的影响

(一)潮汐与地球自转变慢 由于各层海水做相对运动时的粘滞力以及海水与陆地和海床的摩擦作用,潮汐对地球自转有制动作用,使地球自转逐渐变慢。研究表明,地球自转周期每个世纪变长1-2毫秒。按这个减慢效应推算,距今3.7亿年前的泥盆纪一年约有400天,这与泥盆纪珊瑚化石的生长环数目相符(珊瑚环一天长一环)。

(二)月球总是以同一面对着地球 人们发现月球总是以同一面对着我们,它的另一面在地球上是看不到的。这是因为月球自转周期恰好和月球绕地球转动的周期相等,而这两个周期相同则是潮汐长期作用的结果。地球对月球的引潮力为月球对地球引潮力的22.17倍,加上月球的转动惯量比地球小得多,因此潮汐造成的自转速度减慢对于月球尤为显著。早期的月球有较大的自转速度,在潮汐的作用下,月球自转逐渐减慢,最后和月球绕地球转动的周期相等,此时,月球潮汐消失,月球的自转周期不再发生变化,所以今天的月球总是以相同的一面对着地球。

(三)潮汐与月地距离的增大 潮汐使得地球自转变慢,导致地球自转角动量减少。由于地月系统的总角动量保持不变,且月球绕地球旋转的方向与地球自转方向相同,故地球自转角动量减少,势必使得月球对地月系统质心的角动量增大,以保持地月系统的总角动量守恒。这一效应使得月球与地球的距离缓慢增加。据观测,月球正以每年3.81厘米的速度远离地球。

月球缓慢地远离地球,也可以用地球潮汐凸起部分导致的月球加速来解释。潮汐的凸起部分被地球的自转带向东面,因为凸起部分离月球更近,凸起部分对月球的引力更大,使得地球引力中心偏向地球和月球质量中心连线的东面,于是对月球在它的轨道运动方向产生了一个很小的加速,使月球的速度加快,缓慢地向外盘旋。

1. 文章中 GeoGebra 动图源文件链接: 2. 为降低理解难度,文中把加速度描述为“力”,实际上,加速度乘以质量才等于力。

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快乐Angels

这个科学应该是无从考证的,不过我有一个猜测那就是月球经历过一次核爆炸,所以导致表面至今有许多坑坑洼洼如今也寸草不生。

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yoyo爱生活2012

朱长超 1944年10月生。上海社会科学院信息研究所研究员,兼中国管理科学研究院思维科学研究所教授。主要学术著作有:《当代科学技术新概念手册》、《科技革命的步伐》、《思维的历程》、《思维探索》等,科普著作有:《人生的思维艺术》、《珍惜我们的家园》、《人类的座标》、《思维与智慧》、《开发自我》等。

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