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2013 年 7 月 4 日
 

太陽系的前世今生 (185):潮汐鎖定的現象

影像提供 : NASA/JPL/Space Science Institute
文字提供 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 : 昨天提及,天文物理學上「 潮汐力」 (Tidal force) 的成因乃是同一天體因為位置距離的不同,造成所受到鄰近另一天體的重力大小也有所差異,如此形成的重力位差,我們稱它為潮汐力。 現已知其主要影響之一,是使得月球與地球受到對方所引起的潮汐力影響而逐漸各自減慢自轉速率。 對地球而言,常於每年中或年尾時需以 閏秒 的方式來修正自轉速率的減慢情形。對月球而言, 長期受到強大的地球重力影響造成了「潮汐鎖定現象」,以致於數千年以來月球總以相同的一面朝像地球 。 換言之,潮汐鎖定Tidal locking)現象是當一個天體繞行另一個天體公轉時,會產生潮汐摩擦而會讓自轉減慢,到了最後會以同一面持續面對另一天體的狀態,稱之為潮汐鎖定。 

        例如:土星環系統 上的粒子是如何繞著 土星 公轉運行、又是怎樣地自轉呢? 天文學家們過去認為組成 土星環 的冰和岩石粒子的體積差異甚大,其中有小如星際塵埃的灰塵、也有大如山丘一般的岩塊,它們會像是彈珠般地彈跳著。然而實際的狀況會是怎樣呢? 其實,依據 卡西尼環繞器 (Cassini Orbiter) 所取得的觀測資料顯示,土星環上的冰粒子緩慢的自旋轉動如同一群縮小版的 衛星 一般, 它們並不像科學家們曾經認為的那麼快速地自轉。 這些環中粒子運行的路徑,當它們每運行土星一周時只旋轉一次, 如同土星的其它 衛星 一樣。 這也表示 土星環 粒子中有一面始終面對著 土星 。這讓我們好奇:為什麼我們總是看到相同的月面? 我們不妨以科學的步驟來思索其原因,簡介潮汐鎖定現象如下:

            假設:原本 月球 地球 都能自由自轉, 但受到對方所引起的 潮汐力 影響而逐漸減速下來。

            驗證:在地球上可看到月球對 地球表面大氣 、海水所引起的潮汐現象。 因此也造成了 地球自轉 逐漸減速下來, 以致於我們每年 6 月和 12 月底常有閏秒的需要。

            推理:月球 質量 體積 大小遠比地球的質量與體積小很多。 當然,地球對於月球的潮汐力影響遠大於月球對於地球的潮汐力影響。 所以, 月球的自轉 很快地就慢到最慢的狀況, 也就是 總是以同一月面朝向地球 。 而且,月球外觀呈現在地球、月球連線方向略比 月球繞地球公轉 運行的方向來得長。 另一方面,在難以觀察到的內部物質之分布,也會因著潮汐力的作用而有互相推擠,以致於使得星球的內部增溫, 並逐漸呈現靠近地球這面的 密度 會略大於遠離地球那面的密度,甚至造成局部中空的現象。

            左上圖是面向土星的衛星 ─ 土衛 6 (泰坦) 照片,右上圖是地球上利用相機拍攝得到總是以同一面向地球的月球照片。 

明日主題 : 太陽系的前世今生 (186):彗星外觀
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