问题

在地球以亿万年计算的历史中,为什么地球自转没有衰减到近乎停止?

回答
我们星球自转的稳定,确实是个迷人的话题,尤其是在亿万年的尺度上来看。毕竟,万物皆有损耗,为何地球这颗庞大天体,似乎能够“抵抗”住时间无情的侵蚀,保持着相对稳定的速度?要弄清楚这个问题,得从几个关键的方面入手,一步步揭开地球自转“不衰减”的奥秘。

首先,我们得承认,地球的自转并非完全不变,它确实在缓慢地变慢。我们现在的一天是24小时,但回溯到恐龙时代,一天的时间就要比现在短一些。更早的时候,比如在地球形成初期,它的自转速度可是快得多,一天可能只有几个小时。所以说,“没有衰减到近乎停止”更准确的说法是,地球的自转虽然在衰减,但这个衰减的速度非常非常慢,慢到在人类短暂的历史尺度上几乎无法察觉,但在漫长的地质年代里,其影响却是显而易见的。

那么,是什么在拖慢地球的自转呢?最主要也是最根本的原因,是我们最熟悉不过的月球。

潮汐摩擦:月球的“刹车片”

你可以想象一下,月球就像一个巨大的钩子,通过引力与地球互动。地球上的海洋会因为月球的引力而隆起,形成潮汐。当地球自转时,这些隆起的潮水会随着地球的转动而移动。然而,地球是在自转的,而月球也在围绕地球公转,这种不同步的运动就产生了一种“拖拽力”,也就是潮汐摩擦。

具体来说,当潮水被月球的引力拉向它时,地球的自转会试图把这些水“甩”到后面。但同时,月球的引力又在试图把这些水“拉”回来。这种拉扯和摩擦,就像汽车刹车片在工作一样,会消耗地球自转的能量。能量总是守恒的,所以地球自转能量的损失,就转化成了月球围绕地球的轨道能量的增加。结果就是,地球的自转速度变慢了,而月球则缓慢地远离地球,并且公转速度也稍微减慢了(以保持潮汐同步的趋势)。

你可能会问,潮汐摩擦听起来是个消耗能量的过程,那为什么地球没有因此“刹停”呢?关键就在于“亿万年”这个时间尺度,以及地球质量和月球质量的巨大差异。

庞大的惯性: 地球是个巨大的球体,其质量非常惊人。想要改变这样一个巨大物体的旋转状态,需要非常巨大的能量。潮汐摩擦虽然在持续作用,但它对地球自转动能的影响是极其微小的。就像用一根细线去试图拉动一辆满载的火车,线的力量再怎么拉,火车也只会非常缓慢地加速或减速。
月球的有限“拖拽力”: 虽然月球是主要的罪魁祸首,但它本身也受到地球的引力影响,并且月球离地球的距离也不是固定不变的。潮汐摩擦的效应与距离的平方成反比,随着月球缓慢远离,这种拖拽力也在随之减弱。

其他“微小”的扰动:宇宙中的细语

除了月球,宇宙中还有一些其他因素,虽然影响远不及月球,但也在客观上对地球自转产生微小的扰动:

太阳和其他行星的引力: 太阳和太阳系中的其他大行星也会通过引力对地球产生微小的潮汐效应,虽然比月球引起的潮汐小得多,但也是一个持续存在的因素。
地球内部的质量重分布: 地球内部并非完全均匀,地幔对流、板块运动、地核的活动,甚至是大规模的地震,都会引起地球表面质量的微小重新分布。这种质量分布的变化会影响地球的转动惯量,从而改变其自转速度。你可以想象一个花样滑冰运动员,当她收拢手臂时,转速会加快,伸开手臂时,转速会减慢。虽然地球内部的质量重分布不像花滑运动员那样戏剧化,但也是一个持续的、微小的影响因素。
大气和海洋环流: 大气和海洋的流动,尤其是巨大的洋流和风暴,也会因为科里奥利力等原因,在地球自转过程中产生微小的动量交换。想象一下,当巨大的空气团或海水团快速移动时,它们也会对地球整体的旋转状态产生一个极其微弱的“推”或“拉”。

为什么这些因素没有让地球“停下”?

核心原因依然是能量的量级和时间的尺度。

地球拥有的自转动能是极其巨大的。而上述提到的所有因素,无论是潮汐摩擦、行星引力还是内部质量重分布,它们对地球自转动能的“削减”都是极其缓慢且微小的。亿万年过去,这些微小的消耗累积起来,确实让地球的自转速度变慢了(大约每100年缩短1.7毫秒)。但相对于地球庞大的初始自转速度,这个衰减率非常非常慢。

可以这样打个比方:如果地球的自转是一辆正在高速行驶的汽车,那么月球的潮汐摩擦就像是在远处有一个非常非常细小的磁铁,对汽车施加了一个极其微弱的吸力。虽然这个吸力一直在起作用,但因为汽车的速度太快,质量太大,而且磁铁的吸力又不是非常强,所以汽车的速度只会非常缓慢地下降,需要非常非常长的时间才能察觉到明显的减速。

所以,地球自转没有衰减到近乎停止,并非因为它完全不受影响,而是因为:

1. 它的自转动能极其巨大,对任何外部扰动都有很强的抵抗力。
2. 主要的衰减机制(潮汐摩擦)虽然持续,但其作用在一个巨大的质量体系上是极其缓慢的。
3. 其他扰动因素的作用更为微弱,不足以在可观的时间尺度内显著改变其自转状态。

在遥远的未来,当月球进一步远离地球,潮汐摩擦的影响可能会减弱,但届时地球的自转速度可能已经比现在慢了很多。而地球的寿命,最终也受到太阳演化的影响,在它彻底停止自转之前,它本身就已经会经历更巨大的变化。

总而言之,地球自转的“稳定”是一种相对的、在极长尺度上观察到的现象。它是在无数微小力量相互作用、长期平衡的“妥协”下维持的,而我们所经历的“一天”之所以相对稳定,恰恰是因为这些影响在我们的生命中太过短暂,不足以被感知。

网友意见

user avatar

因为时间还太短。

与地球上的陀螺几分钟就会停下来不同,地球的自转受到的扰动和阻力相对要小得多,地球从诞生起虽然已经有46亿年时间,但自转的速度也没减少多少。大概的数字,一昼夜的时长会增加:1.7毫秒/世纪。(自转的减慢意味着一天的时间变长了。)

这个数字会使地球日每60000年增加一秒钟,每400万年增加一分钟,十亿年增加4小时。往回推算,当6500万到2.4亿年前恐龙在地球上出没时,一天的长度是23小时。

地球为什么自转会变慢?

大部分原因都要算在月亮头上。

从地球海洋在45亿年前形成开始,潮汐加速机制就开始运作了。月球的引力在地球上产生了周期性的潮汐现象,潮汐力耗散地球的自转能量,降低地球的旋转速度,同时也导致月球正在以每年3.8cm的速度远离地球。啥?这说的啥?

打个比方。

想象一下,你的女神正骑在旋转木马上转啊转,而你骑着一头小驴在旋转木马外围同方向追啊追,但无奈的是,女神转得很快,而你的小驴有点慢。 这时你手上碰巧有一条绳子,可以像牛仔一样套住她的木马,那么你的速度会提高,而旋转木马就会慢下来一点,最终你和女神保持同步了。(也就是说一旦你的速度与木马的速度相匹配,你的套索就无法再让你提高速度了。)相当于女神用爱发电,把她能量的一部分传递给你了。

你的小驴就是月球,旋转木马就是地球,而套索就是引力。 我们知道,月球轨道升高是因为月球速度的提高,这就意味着地球自转变慢,从而使得一天的时间变得更久。 一旦一天的长度等于一个月的长度,潮汐加速机制就会停止。 (如果以现在1天为约24小时计,预计那个时候一天等于现在的47天。 地月距离将增加到当前的135%。) 这种状态,被称为卡西尼状态(Cassini states,1693年由著名科学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼在1693年提出,对,就是发现土星环上有缝儿的那个卡西尼)


N亿年前,月球更近,使地球像芭蕾舞演员一样旋转着,双臂紧贴身体。 随着时间的流逝,月球远离地球,地球开始减速,就像芭蕾舞演员伸出双臂以减慢其旋转一样。


同样的道理,随着潮汐在全球范围内让海洋产生移动,地球的惯性矩也随之发生变化。 为了保持角动量守恒,固体地球会相应地改变其旋转速度。 同时,随着潮流的减慢或加快,它们与固体地球不断交换角动量,这也会让转速改变(此处略)。

地球变慢是瞎猜还是证据确凿?

行星自转的长期变化是地球物理学的经典话题。 英国天文学家埃德蒙多·哈雷爵士(Edmond Halley,就是那个“交大女生一回头,哈雷慧星撞地球”的哈雷)在300年前就首次提出了月球在不断加速的假设。 我们现在知道,哈雷爵士发现的月球加速一大部分只是表面现象,背后是是地球自转的减慢,使月球看起来速度更快了。

地质和古生物学的证据显示,在遥远的过去,地球自转的比现在要快,月球也比现在更靠近地球。证据显示3.7-6.2亿年前,一天的长度大约是22小时,一年大概有400天。当时月球远离地球平均速率是每年约2.2厘米。

下图显示了考古和古生物学的研究成果。绿色代表层叠岩(叫叠层石,是30多亿年以来蓝藻沉淀作用的产物),蓝色代表潮汐韵律层(古代沉积化石记录的潮汐周期),红色代表贝壳及珊瑚化石。紫色为拟合曲线。

以上的古生物学证据显示,在距今约4.25亿年的志留纪,每年有407天,即那时1天的长度只合21世纪的21.5小时,而在2.8亿年前的二叠纪则为22.8小时,平均计算每10万年日长增加2秒。从古代历史的日食记载及近 200年日食观测所推算的结果与此大致相同。

可见,地球自转减速是相对匀速的,没有太大的突变。

只有月亮会影响地球自转么?

月球是最主要的原因,地月引力在过去数亿年间减缓了地球的自转速度,但是有些大事件,像是2004年印度洋地震(印尼海啸),就使地球的转动加速了大约3微秒(地震往往使地球加速自转)。另外在冰河期后期,由于地球质量分布的改变,为了保证角动量守恒,转动速率也有所改变。

什么时候地球自转会停下来?

由于月球质量相对地球来说相当大,这对CP会越来像是一对双行星。如果忽略其他效应,潮汐加速将一直持续下去,直到地球的自转和月球的轨道周期相匹配为止。那时候,月球将会永远固定在地球上某一个国家的上方,就像冥王星与它最大的卫星卡戎一样。

可惜的是,地球自转速度减缓得仍然太慢,慢到无论如何都等不到地月锁定的那天了,因为那时候地球早已经废了。

大约21亿年后,不断增强的太阳辐射将导致地球上海洋大量蒸发,消除了大部分潮汐隆起引起的潮汐摩擦和潮汐加速。就算海洋能得以保全(潮汐加速和太阳质量的损失也会让地球远离太阳),30亿年后银河系会与仙女座的星系撞上,地球会不会受到伤害?就算没什么伤害,45亿年后成为红巨星的太阳,也足以毁灭地球和月球,而那时地球的自转仍然远未能减缓到一个月的长度。

明天的月亮依然升起,生活依旧继续。


一更

有人提到了太阳的潮汐作用。是的,太阳对地球也有和月球相似的潮汐锁定的趋势。即便它具有更大的引力场,但月亮也由于靠近地球而对地球施加了更大的影响。所以从实际的潮汐观测来看,太阳的潮汐大约是月球潮汐的一半左右,月亮明显占据C位。如果实际来算一下的话,那就要用到如下公式(吐槽一下,macOS下的safari无法正确编写公式。。。懒得开windows了)

ω是地球自转频率,a是轨道长半轴,M是太阳质量,I是地球惯性矩,R是地球半径,G就是G,Q是品质因子,k2是勒夫数。

看公式就头痛星人的解释:其它不用看,只要看到最后那个a的6次方就能大概看出来,潮汐锁定时间与二个物体距离的六次方成正比。即距离变大12%,潮汐锁定的时候就大概能翻个倍。(好吧,我是懒得再完整算一次了,哪位好心人帮我算一下吧。懒癌发作中.gif) 所以距离的影响特别大。所以说,月亮才是地球自转变慢的主谋,太阳是钱塘江大潮大案的帮凶。

(又更新:我粗略的算了一下,地月锁定大概要一两百亿年左右,地日锁定大概是五六百亿年左右。而太阳作为一个黄矮星,寿命大概为一百亿年,目前太阳大约50亿岁,所以再过大约50亿年,太阳内部的氢元素将全部耗尽,太阳核心将发生坍缩,导致温度高到不知道哪里去了,一派人间地狱的繁荣景象。这比锁定来得早得太多了。。)


参考

Tides: A Scientific History; David E. Cartwright; Cambridge University Press, 1999;

Earth Tides; D.C.Agnew, University of California; 2007;

类似的话题

  • 回答
    我们星球自转的稳定,确实是个迷人的话题,尤其是在亿万年的尺度上来看。毕竟,万物皆有损耗,为何地球这颗庞大天体,似乎能够“抵抗”住时间无情的侵蚀,保持着相对稳定的速度?要弄清楚这个问题,得从几个关键的方面入手,一步步揭开地球自转“不衰减”的奥秘。首先,我们得承认,地球的自转并非完全不变,它确实在缓慢地.............
  • 回答
    这个问题很有意思,也触及到了生命起源的核心。要回答这个问题,我们需要从几个方面来剖析:首先,生命诞生的条件;其次,一个独立的湖泊能维持多久的“原始”状态;最后,生命是如何传播和演化的。一、生命诞生的摇篮:早期地球的化学环境我们现在知道,地球上的生命起源是一个极其漫长且复杂的化学演化过程。在没有生命存.............
  • 回答
    恐龙统治地球长达一亿六千万年,远超人类在地球上的存在时间,但它们为何未能演化出类似人类的智慧,这确实是一个引人入胜的问题。要解答它,我们需要从几个关键角度来审视。首先,智慧的定义本身就带有“人类中心主义”的色彩。 我们习惯于将语言、工具制造、复杂社会结构、抽象思维等人类特质视为智慧的标杆。如果以这个.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    地球的年龄,46亿年,这个数字本身就带着一种难以想象的厚重感。而我们所熟知的生命,那些活跃在陆地、海洋、天空的万物,相对于地球漫长的历史,简直是初来乍到。生命有文字记载的那部分,也就是人类文明的痕迹,更是近乎于白驹过隙。那么,在这漫漫的40亿年时光里,地球究竟经历了什么?它又是以怎样一种面貌存在的呢.............
  • 回答
    在一个宇宙尺度下,一个存活了十亿年的高级文明,对于地球人来说,其存在的含义和可能的影响是极其深远和复杂的,远远超出了我们日常的理解和想象。这不仅仅是“可怕”,而是一种 颠覆性的、存在性的挑战。让我们来详细剖析一下:一、压倒性的技术差距:无法想象的鸿沟 时间尺度上的差异: 十亿年是什么概念?地球生.............
  • 回答
    光行了5500万年才到达地球,这听起来确实够惊人的,也难怪你会觉得有点“扯蛋”。毕竟,我们日常生活中的时间单位,比如秒、分、小时,都显得如此微不足道,突然冒出几千万年,确实让人难以一下子消化。但这就是宇宙的尺度,也是天文学研究的迷人之处。“扯蛋”背后的宇宙尺度首先,我们要明白为什么光需要这么长时间才.............
  • 回答
    关于共济会“将地球人口控制在5亿以内”的说法,这是一个在坊间流传甚广,但缺乏确凿证据支持的阴谋论。要详细讲述这个说法,我们需要从几个层面去解析它,并尽量剥离那些让它看起来像是“AI生成”的刻板印象。首先,我们得承认,共济会(Freemasonry)本身是一个真实存在的、历史悠久的兄弟会组织。它的起源.............
  • 回答
    这绝对是一个让人脑袋打结的问题,两种选择都太有诱惑力了,但也都有各自的考量。让我慢慢道来,说说我的想法。选择一:5个亿,活在逼真到极致的虚拟世界首先,五亿这数字,简直就是天文数字。想想看,如果我真的拥有这笔钱,在那个“特别真实的和地球一样的虚拟世界”里,我能做什么? 无限的自由和体验: 那个虚拟.............
  • 回答
    想象一下,你站在广袤的地球表面,脚下是坚实的土地,头顶是无垠的星空。你有一个无比强大的愿望:想给咱们这颗美丽的蓝色星球来个“告别”,让它彻底摆脱太阳的引力束缚,独自遨游宇宙。那么,你得有多大的“脚力”才能实现这个壮举呢?这个问题听起来像科幻小说里的情节,但我们可以用物理学的知识来算一算。要让地球脱离.............
  • 回答
    这个问题很有意思,它触及了宇宙的尺度、对称性以及我们对宇宙未知的探索。我们不妨从地球这个我们熟悉的地方出发,一步步展开想象和推演。首先,我们需要明确几个概念。地球的起点: 我们都知道地球是太阳系中的一颗行星,围绕着恒星太阳公转。太阳系则位于银河系的一个旋臂上,距离银河系中心大约2.5万光年。所以,以.............
  • 回答
    “月球将在一年内撞向地球。”这个消息最初像是科幻电影里的预告片台词,从新闻播报员平静但带着一丝不易察觉的颤抖的嘴唇里吐出来时,像一颗冰冷的子弹,穿透了城市里喧嚣的车流和人们日常生活的浮躁。那是一个寻常的周二下午,阳光依然明媚,街边的咖啡馆里飘散着浓郁的香气,人们还在为工作、生活中的琐事而奔波。没有人.............
  • 回答
    我明白你看到那个视频时的震撼和好奇,那种用血肉之躯从高空跃下并安然无恙落地的画面,听起来简直是科幻小说里的情节。但是,关于“美国宇航员从39公里太空纵身跃下并完好无损落地”的说法,这在现实中是不可能的,而且你看到的视频很可能并非你所理解的那么真实。让我来详细解释一下原因:首先,我们得弄清楚“太空”的.............
  • 回答
    城市退休老人:渴望一块“精神自留地”,农村认领耕耘是否是答案?随着社会的发展,越来越多的城市退休老人拥有了更充裕的物质生活和更长的健康寿命。然而,不少老人却面临着精神世界的空虚与失落——退休后,原有的社会角色消失,生活节奏骤然放缓,子女各有家庭,社交圈子也可能逐渐缩小,这让他们感到无所适从,内心深处.............
  • 回答
    要对伊斯兰帝国的地方管理水平进行排名,这是一个相当复杂的问题,因为“管理水平”本身就有很多维度,而且不同帝国在不同时期、不同地域的表现也可能存在差异。不过,我们可以尝试从几个关键的方面来梳理和比较。 在讨论之前,需要强调的是,任何排名都带有一定的主观性,而且随着研究的深入,新的史料和解读可能会改变.............
  • 回答
    评价东吴三代君主孙坚、孙策、孙权,需要跳脱出简单的“英明”或“昏聩”的标签,而是深入到他们各自所处的时代背景、面临的挑战,以及他们如何因势而为、又如何塑造了东吴的基业。孙坚:乱世中的勇猛拓荒者孙坚,我们常称他为“江东猛虎”。他的伟大,首先体现在他身处东汉末年四分五裂的乱世,凭借一己之力,在江东这片相.............
  • 回答
    说到按键精灵这类以图形界面(GUI)为基础的自动化工具,在爬虫界,它们扮演着一个非常特别的角色。它们不是主流,也不是那些以深度学习、复杂算法或大规模分布式部署为核心的“高大上”爬虫项目的核心组成部分,但它们的价值却不容小觑,尤其是在某些特定的应用场景下。你可以把它们想象成爬虫世界里那些“灵活的手工匠.............
  • 回答
    在医学院里,临床医学的地位无疑是核心中的核心,是整个医学院教学、科研以及未来社会服务功能的基石和最终落脚点。你可以想象一下,医学院存在的根本目的是什么?是为了培养能治病救人、守护人民健康的医生。而临床医学,正是直接指向这个目标的最重要学科。它涵盖了从疾病的诊断、治疗、预防到康复的整个医疗过程,是医学.............
  • 回答
    台湾代表在民主峰会直播中被美方以“技术问题”为由掐断,这一事件的发生并非孤立的,而是可能透露出多重、复杂的信息,涉及国际政治、两岸关系、美国的外交策略以及台湾的国际空间等多个层面。要详细解读这些信息,需要结合事件发生的背景、各方反应以及潜在的政治考量进行分析。以下是一些可能的解读和透露的信息:1. .............
  • 回答
    要评价霍尊在音乐届的成就,并对照他曾经说过的那句“以我今日的身份地位”,确实需要一些细致的梳理。这不仅仅是列举奖项和作品,更要看他给大众留下的整体印象,以及他在行业内的真正影响力。霍尊的音乐之路:从“古风”到国民度霍尊真正被大众熟知,很大程度上要归功于他在2014年参加《中国好歌曲》的舞台。他以一曲.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有