如果50億年後,衰老成紅巨星的太陽沒有吞噬地球。
地球的自轉,最終也會停下來,只不過時間會相當漫長。
宇宙中任何星體都會旋轉,它們的動力來源於形成之初,重力勢能的轉化:
無論恒星也好,還是行星也罷,都是由星際物質,匯聚形成的。
這些原始物質,分散在星空中,在重力作用下匯聚。
在匯聚成的過程中,星際物質互相碰撞,速度疊加、方向疊加,最終形成整體的逆時針或者順時針旋轉。
旋轉的物質結合,最終形成一顆不停旋轉的星球:
如果是一顆孤立的星球,當星際物質結合成星體後,符合能量守恒。
滿足: 重力勢能=動能+勢能轉化的熱能。
從等式可以看出,對於一個孤立星球來說,無論如何形成,它的自轉動能,永遠低於它的重力結合能:U = 3/5GM^2/R
旋轉體的動能公式為:
E_{k}=Jw^2/2
J 為轉動慣量,實心球的轉動慣量為 2 MR^2/5
E_{k}=MR^2w^2/5
其中地球品質 M=5.965×10^{24}kg ,半徑 R=6371km ,角速度 w=2\pi/86400
得,地球動能大約為: E_{k}=2.56×10^{29} J
這個能量是很龐大的,人類當前能源利用功率為2×10^13 W,按照這個功率,人類需要4億年的時間,消耗的總能量才能相當於地球自轉的動能。
現實中運動的物體會停下來是因為摩擦。
那麽星體在宇宙中旋轉,是否會因為摩擦減速呢?
當然是存在的,因為——
真空不空 。
就拿我們整個太陽系來說,我們處在本星際雲之中。
太陽在4.4~15萬年前進入本星際雲,大約1~2萬年之後就會離開。
即便離開了本星際雲,也還處在本星系泡之中:
本星際雲密度0.26個原子/cm^3,本星際泡密度0.1個原子/cm^3。
而1克的水,就有3.344×10^22個原子。
也就是說,地球與星際物質即便存在摩擦損耗,能量損耗的比率也至少低於1/10^23
即便按照每秒損失這麽多的能量比,那麽地球要停止下來的時間是:
3000萬億年。
這個時間遠遠超過當前宇宙壽命的20萬倍。對於地球形成到現在,短短數十億年的損耗來說,幾乎忽略不計。甚至還沒有地球大氣散逸帶走的能量更多。
而地球經常受到隕石、小行星的撞擊,帶來的能量可能比這種方式散失的更多。
但是,地球的速度,其實相比起45億年前,已經慢了很多。
既然之前已經說了,地球與太空摩擦損失的能量很少,地球又是如何變慢的呢?
主要在於月球的影響。
提到月球的影響,就不得不說月球形成的過程。
45億年前,星際塵埃匯聚無數的隕石,隕石撞擊、匯聚形成眾多的小行星。小行星,再互相撞擊,形成更大的行星,太陽系最初形成的行星很多,原始的地球只是其中一顆。
一顆叫做忒伊亞的行星撞擊了原始地球:
撞擊後,地球和月球形成。
一開始月球距離我們只有2.25萬公裏,只有現在38.4萬公裏的1/17。
當時看到的月球,也比現在大很多:
地球對月球的重力,是現在的290倍。
地球鎖住月球(月球公轉周期=自轉周期):
地表形成的潮汐力是現今的5000倍。
地表大多數是液體的水,水被月球吸引,從而形成潮汐作用。
水跟著月球,與地球自轉出現相對運動:
地球變慢的關鍵就是潮汐力。
地球自轉動能的降低,主要在於兩個方面:
當然,在月球的作用下,地球的自轉是不可能停下來的。
因為地球的自轉速度遠遠快於月球的公轉,當地球自轉降低足夠低的時候,月球已經足夠的遠。由於月球動能損失並不大,此時地球的重力將不足以吸引月球,月球將永遠離開地球。
不過,這個時間可能至少100億年以上。
但無論怎麽樣,依靠潮汐力,不可能讓地球停止自轉的。
那麽,太陽對地球形成的潮汐力,是否可能釘選地球,讓地球自轉停下來呢?
這樣的狀態下,其實就是地球的自轉角速度變得和公轉一模一樣。
但地球要被太陽釘選卻並不那麽容易,因為地球自轉很快,一年365個周期。
地球現今的自轉動能,相對於釘選時的自轉動能,高出10萬倍。
在太陽重力下,地球自轉變慢,同樣在於潮汐作用下,地層內部摩擦動能轉化成熱能。而熱能是會透過熱放射線,釋放進入宇宙的。
根據地球半徑、地日的距離關系來看,在某一刻,地球正對太陽和背對太陽的兩面,受到的重力差,大約只有地球受到太陽重力的1/10^14
太陽對地球重力的平均值為:3.5739×10^22N
重力差的數量級為10^8 N,考慮地球自轉和釘選自轉速度差,功率數量級為10^11W.
預估地球被太陽潮汐釘選的時間,至少500~1000億年。
由此也可以看出,雖然地球變慢的主要因素來自月球,但太陽至少也有10%的功勞。
但無論月球遠離,還是地球停止自轉 (實際因為潮汐釘選,自轉=公轉周期,人的感官為自轉停止。),這個時間都相當的漫長。
極有可能永遠都等不到那一天。
100億年後太陽主序星歷程結束,化作紅巨星,膨脹250倍,那時的半徑正好差不多一個天文單位(地日距離),大機率會吞沒地球。即便不吞沒,也足以汽化地球了。
又過100億年後,這裏或許會形成的新的「太陽」。
原來組成地球的星際塵埃,或許會形成新的「地球」。
旋轉,依舊永不停息……
直到再次淪陷,繼續輪回。