当前位置: 华文星空 > 知识

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

2021-02-27知识

如果50亿年后,衰老成红巨星的太阳没有吞噬地球。

地球的自转,最终也会停下来,只不过时间会相当漫长。

宇宙中任何星体都会旋转,它们的动力来源于形成之初,引力势能的转化:

一颗正在形成的恒星

无论恒星也好,还是行星也罢,都是由星际物质,汇聚形成的。

  • 只不过恒星的物质来源,是氢气为主的星云。
  • 行星的物质来源是星际尘埃,而星际尘埃的主要物质是超新星爆发所产生的物质:铁、氧、镁、硅,甚至比铁更重的元素,以及化合物。
  • 这些原始物质,分散在星空中,在引力作用下汇聚。

    在汇聚成的过程中,星际物质互相碰撞,速度叠加、方向叠加,最终形成整体的逆时针或者顺时针旋转。

    旋转的物质结合,最终形成一颗不停旋转的星球:

    太阳自转周期,约25天。由于是气态的,各部分自转速度不同

    如果是一颗孤立的星球,当星际物质结合成星体后,符合能量守恒。

    满足: 引力势能=动能+势能转化的热能。

  • 热能除了引力提供外,还有核能提供:恒星的核聚变,行星内核的重核衰变。
  • 从等式可以看出,对于一个孤立星球来说,无论如何形成,它的自转动能,永远低于它的重力结合能:U = 3/5GM^2/R

    旋转体的动能公式为:

    E_{k}=Jw^2/2

    J 为转动惯量,实心球的转动惯量为 2 MR^2/5

    E_{k}=MR^2w^2/5

    其中地球质量 M=5.965×10^{24}kg ,半径 R=6371km ,角速度 w=2\pi/86400

    得,地球动能大约为: E_{k}=2.56×10^{29} J

    这个能量是很庞大的,人类当前能源利用功率为2×10^13 W,按照这个功率,人类需要4亿年的时间,消耗的总能量才能相当于地球自转的动能。

    现实中运动的物体会停下来是因为摩擦。

    那么星体在宇宙中旋转,是否会因为摩擦减速呢?

    当然是存在的,因为——

    真空不空

    就拿我们整个太阳系来说,我们处在本星际云之中。

    太阳在4.4~15万年前进入本星际云,大约1~2万年之后就会离开。

    即便离开了本星际云,也还处在本星系泡之中:

    本星际云密度0.26个原子/cm^3,本星际泡密度0.1个原子/cm^3。

    而1克的水,就有3.344×10^22个原子。

    也就是说,地球与星际物质即便存在摩擦损耗,能量损耗的比率也至少低于1/10^23

    即便按照每秒损失这么多的能量比,那么地球要停止下来的时间是:

    3000万亿年。

    这个时间远远超过当前宇宙寿命的20万倍。对于地球形成到现在,短短数十亿年的损耗来说,几乎忽略不计。甚至还没有地球大气散逸带走的能量更多。

    而地球经常受到陨石、小行星的撞击,带来的能量可能比这种方式散失的更多。

    但是,地球的速度,其实相比起45亿年前,已经慢了很多。

  • 刚刚形成的时候,一昼夜只需要数个小时。
  • 哪怕5亿年前的寒武纪,一天也只有21个小时。
  • 既然之前已经说了,地球与太空摩擦损失的能量很少,地球又是如何变慢的呢?

    主要在于月球的影响。

    提到月球的影响,就不得不说月球形成的过程。

    45亿年前,星际尘埃汇聚无数的陨石,陨石撞击、汇聚形成众多的小行星。小行星,再互相撞击,形成更大的行星,太阳系最初形成的行星很多,原始的地球只是其中一颗。

    一颗叫做忒伊亚的行星撞击了原始地球:

    撞击后,地球和月球形成。

  • 月球形成曾有诸多学说,现在撞击说已是主流,NASA和BBC做的视频或纪录片,都是直接采用撞击说。
  • 动图来源于 BBC纪录片【我们真的需要月亮吗】 ,尝试上传高清源视频,但审核没通过……
  • 一开始月球距离我们只有2.25万公里,只有现在38.4万公里的1/17。

    当时看到的月球,也比现在大很多:

    地球对月球的引力,是现在的290倍。

    地球锁住月球(月球公转周期=自转周期):

    相关动图源于BBC纪录片

    地表形成的潮汐力是现今的5000倍。

    地表大多数是液体的水,水被月球吸引,从而形成潮汐作用。

    水跟着月球,与地球自转出现相对运动:

    地球变慢的关键就是潮汐力。

    地球自转动能的降低,主要在于两个方面:

  • 1、潮汐力带来地表物质相对速度的不同,形成摩擦,动能转变成热能。
  • 2、潮汐力把月球一步步推得更远,地月系统的动能,部分转变成了月球的引力势能。
  • 当然,在月球的作用下,地球的自转是不可能停下来的。

    因为地球的自转速度远远快于月球的公转,当地球自转降低足够低的时候,月球已经足够的远。由于月球动能损失并不大,此时地球的引力将不足以吸引月球,月球将永远离开地球。

    不过,这个时间可能至少100亿年以上。

    但无论怎么样,依靠潮汐力,不可能让地球停止自转的。

    那么,太阳对地球形成的潮汐力,是否可能锁定地球,让地球自转停下来呢?

    这样的状态下,其实就是地球的自转角速度变得和公转一模一样。

  • 金星公转周期224.7天,而自转因为大气潮汐效应,朝相反方向自转,周期243天,金星在未来,或成为被太阳最早潮汐锁定的行星。
  • 但地球要被太阳锁定却并不那么容易,因为地球自转很快,一年365个周期。

    地球现今的自转动能,相对于锁定时的自转动能,高出10万倍。

    在太阳引力下,地球自转变慢,同样在于潮汐作用下,地层内部摩擦动能转化成热能。而热能是会通过热辐射,释放进入宇宙的。

    根据地球半径、地日的距离关系来看,在某一刻,地球正对太阳和背对太阳的两面,受到的引力差,大约只有地球受到太阳引力的1/10^14

    太阳对地球引力的平均值为:3.5739×10^22N

    引力差的数量级为10^8 N,考虑地球自转和锁定自转速度差,功率数量级为10^11W.

    预估地球被太阳潮汐锁定的时间,至少500~1000亿年。

    由此也可以看出,虽然地球变慢的主要因素来自月球,但太阳至少也有10%的功劳。

  • 月球对地球的潮汐力大约是太阳对地球的6倍左右。
  • 但无论月球远离,还是地球停止自转 (实际因为潮汐锁定,自转=公转周期,人的感官为自转停止。),这个时间都相当的漫长。

    极有可能永远都等不到那一天。

    100亿年后太阳主序星历程结束,化作红巨星,膨胀250倍,那时的半径正好差不多一个天文单位(地日距离),大概率会吞没地球。即便不吞没,也足以汽化地球了。

    又过100亿年后,这里或许会形成的新的「太阳」。

    原来组成地球的星际尘埃,或许会形成新的「地球」。

    旋转,依旧永不停息……

    直到再次毁灭,继续轮回。