揭秘：為什麼月亮總是以同一面朝向地球

驚奇 06-10

一個「月亮日」大約等於29又二分之一個「地球日」。這一自轉周期和月球繞地球公轉的周期恰好相同，因此在地球上我們只能看到月球表面的大約59%。當月球剛剛形成時，它的公轉速度和軌道與現在截然不同。然而隨著時間流逝，由於地球重力場的影響，月球的公轉逐漸減慢，直到公轉速度和旋轉周期穩定下來，使得月亮總以同一面朝向地球。

揭秘：為什麼月亮總是以同一面朝向地球

這其中的原理是什麼呢？簡單來說——潮汐摩擦力。但要把這個不簡單的問題解釋清楚，我們需要運用一些科學知識和術語。但請你耐心看下去，我保證這將會非常有趣。

首先，想一想月球引力是如何引起引潮力進而導致地球上的潮汐的。力的作用是相互的，地球對月球也有同樣的引潮力作用。而且由於地球質量是月球質量的81.28倍，這個引潮力作用要比月球對地球引潮力的作用顯著得多。

所以，在月球受自身重力而向（一條直線）的方向運動的同時，地球也將它拉向另一個方向（朝著地球的方向）。此外，地球引力對距離地球更近的月球表面的作用要比對離地球更遠的月球表面的作用強得多（當然，月球引力對地球表面不同部分的作用效果也是如此）

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這些作用的結合將月球和地球拉伸開來，使得兩個天體上都出現了潮汐隆起。這一現象在這兩個天體的兩面都有發生，使得地球月球兩個正對的面因引力靠攏，而另外相隔遠的兩個面由於慣性分開。在後一種情況中，由於慣性佔主導地位，所以物質受到引力的影響較少。換句話說，物質試圖沿一條直線離開地球，並且這裡的地球引力不足以克服這個趨向，於是這一個面上就出現了隆起。

所以，在月球被地球潮汐鎖定之前，多虧了摩擦力和月亮自轉比它繞地球公轉要快一點的這個事實，月球靠近地球的那個面上的隆起要稍微強一些。所以在這一稍強一點的隆起被月球地球間的萬有引力作用線抵消的過程中，產生了一個扭矩，這一扭矩逐漸使月球自轉速度變慢，直到它被地球潮汐鎖定。因此，月球永遠只有一個面朝向地球。（註：隆起在月球另一個離地球較遠的面上有相反的效果，但離地球較近面上的隆起主導了這種相互作用。）

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但是你會發現，我之前說我們在地球大概能看到月球表面的59%,而不是50%。這一差別產生的原因在於月球的繞地公轉軌道不是一個標準圓軌道，而是橢圓形的。所以在月球距離地球的距離增加和減少的過程中，它的公轉角速度會發生改變，而線速度保持不變。這就使我們比在標準圓形軌道狀況下多看了9%的月亮表面。

你可能已經猜到了，這件事的另一面：月亮對地球也有同樣的作用，它也在逐漸使得地球自轉的速度減慢，而且方式和地球潮汐鎖定月亮的方式一模一樣。另外，由於月亮減緩了地球的自轉速度，地球的一小部分旋轉動量轉移成了月球的公轉動量，導致月球的公轉軌道半徑平均每年增加3.8厘米（與你以後可能會讀到的正相反，月亮並不是從這裡得到它所有的能量的，它的大部分能量是通過摩擦生熱轉化來的，只有大約3%的能量是從上述相互作用中「偷」來的。）

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因此，地月距離在逐漸改變，旋轉周期也多多少少在改變。不過還有一點值得注意，這種改變並非恆定的，因為大地震，冰川變化，大陸漂移和其他重大地理改變也會參與其中併產生影響。這正是為什麼閏秒不是以有規律的間隔增加而是在需要時才被加上的原因。但總體的影響是，隨著時間流逝，月亮每年都在一點一點原理地球，同時地球的自轉速度在不斷變慢。

理論上說，再過幾百億年之後的某個時刻（由於太多不可知的因素，精確的時間很難被確定）地球的一個面會一直朝向月亮，並且在每個月亮周期，大多數的估計認為那時一個月亮周期大概等於現在47個地球日，只轉一圈。

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