潮汐鎖定
潮汐鎖定 |
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中文名 :潮汐鎖定 系內 :水星、月球等 別稱 :同步自轉、受俘自轉 形成原因 :重力梯度 外文名 :tidal locking |
潮汐鎖定,天體術語,(或同步自轉、受俘自轉)發生在重力梯度使天體永遠以同一面對着另一個天體;例如,月球[1]永遠以同一面朝向着地球。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈要花上繞着同伴公轉一圈相同的時間。這種同步自轉導致一個半球固定不變的朝向夥伴。
這種潮汐鎖定實際上在太陽系的天體裡面是比較多的,比方說,太陽和水星之間,行星和衛星之間,太陽系[2]外的其他的恆星和行星之間,都會有這樣的潮汐鎖定現象。
潮汐鎖定在同一個觀測點看到的圖像是一樣的,不受公轉運行位置的影響,但不同的觀測點看到的圖像不一樣的。
目錄
簡介
通常,在給定的任何時間裡,只有衛星會被所環繞的更大天體潮汐鎖定,但是如果兩個天體的物理性質和質量的差異都不大時,各自都會被對方潮汐鎖定,這種情況就像冥王星與卡戎。這種效應被使用在一些人造衛星的穩定上。
我們在地球上為什麼看不到月球的背面?是因為地球跟月球之間實現了潮汐鎖定,這就像我跟你之間有一個吸引力,但是我前胸受到的吸引力跟後背受到的吸引力是不一樣的,就會導致每天像是有人在牽扯我,慢慢會讓我的自轉和公轉同步,所以在地球上,我們始終只能看得到月球的正面,看不到月球的背面。
但是,這種潮汐鎖定實際上在太陽系的天體裡面是比較多的,比方說,行星和衛星之間,太陽系外的其他的恆星和行星之間,都會有這樣的潮汐鎖定現象。月亮的引力會引起地球上每天兩次漲潮,兩次退潮,我們稱之為潮汐。不僅地球上的海洋會有潮汐,其實地球上岩石圈每天也會起伏60厘米,這叫固體的潮汐。
機制原理
在自轉率的改變上,大的天體A將天體B潮汐鎖定,需要A的引力在B的隆起的誘導下造成扭矩。
潮汐隆起
A的引力對B造成潮汐力使得B的引力平衡受到扭曲,形狀在朝向A的軸線方向上變得細長;相反的,在垂直A軸向的維度上略有減少。這種扭曲現象被稱為潮汐隆起。當B未被潮汐鎖定時,這個隆起會在表面旅行,兩個高潮之一會在靠近A在正上方的一個點。對大型的天體而言,由於本身的重力,形狀位接近球體,潮汐的扭曲會造成輕微的扁球體,也就是說一個沿着主軸方向軸對稱的橢球體。較小的天體也會經歷這種扭曲,但這些扭曲是不規則的。
隆起拖曳
物體B對潮汐力引起的周期性的重塑會施全力(Exertion)的抵抗。事實上,有時候B需要一些時間來重塑重力的平衡,但在這段時間,A-B的軸向因為B的旋轉已經改變,所以形成的隆起會與A-B軸向有一段距離。從太空中的瞭望點來看,隆起最高點的方向與指向A的方向已經有了偏差。如果B的自轉周期短於它的軌道周期,這個隆起將超前於A-B軸的指向;反過來如果B的自轉周期較長,取而代之的是隆起將落後。
結果的扭矩
由於隆起偏離了A-B軸指向的方向,A的引力將拉住這些質量而對B施加了扭矩。在面對A的隆起扭矩的作用在使B的自轉符合軌道周期,但在"背面"的隆起是遠離A的,因此起了相反的作用(維持自轉的周期)。不過,朝向A這一側的隆起比背面的隆起更靠近A大約相當於B的直徑,所以會經歷較強的引力和扭矩。來自這兩個隆起扭矩的淨效應,是永遠朝向B的自轉周期與軌道周期同步,也就是結果終將是潮汐鎖定。
軌道變化
A-B系統的總角動量在這個過程中是守恆的,所以當B減慢速度和失去角動量時,軌道的角動量會提升相似的量(其中也有一些對A的自轉造成較小的影響)。這樣的結果是導致B在減緩自轉速度時,相對於A的軌道會提升。而另一種情況,當B的自轉速度太慢時,潮汐鎖定的作用會使它的自轉加速,同時使B的軌道降低。
大天體的鎖定
潮汐鎖定的效應也會發生在大天體A上,只是因為B的體積較小,引力作用也較微弱,所以需要更長的時間才能將A潮汐鎖定。例如,地球的自轉就因為月球而逐漸減緩,從一些化石在地質時間上的推宜可以察覺其總量。對於大小相似的天體,這種效應在同等級規模的天體上,或許會兩者同時被潮汐鎖定。矮行星冥王星和它的衛星卡戎就是最好的例子—只有從冥王星的一個半球可以看見卡戎,反之亦然。
自轉軌道共振
最後,在軌道離心率較高的情況下,潮汐力是相對較弱的,較小的天體最終可能會產生軌道共振而不是潮汐鎖定。在這種情況下,軌道周期和自轉周期的比率是一些明確的分數,像是1:1。一個著名的例子是水星的自轉-鎖定到與公轉太陽周期為3:2的共振。
參考文獻
- ↑ 為什麼太陽對地球引力遠大於月球,但潮汐卻主要受月球影響? ,搜狐,2024-04-19
- ↑ 太陽系中的行星:一次奇妙的旅程,搜狐,2024-03-06