轨道与潮汐

Q041 月亮比太阳小400倍，月亮与我们的距离也比太阳与我们的距离近400倍，可是为什么在天空中看起来，太阳和月亮一样大呢？

斯图尔特·亚伯，多塞特郡，伯恩茅斯（Stuart Abel,Bournemouth, Dorset）

纯属巧合，仅此而已！这对我们来说是非常幸运的，因为如果不是这样，我们就看不到完整的日食或月食了。大家经常会怀疑为什么会这样，但它就是这样发生了。很有趣的是，这种情况在太阳系内是独一份的。如果你可以去木星（但是你不行！），木卫一看起来会比太阳还大；如果月亮和太阳的大小看起来不完全一样，日食的现象也就没那么壮观了。

事实上，就算你能去任何行星，都无法看到像在地球上一样的情形。举例来说，火星有两个卫星——火卫一和火卫二，但是如果你可以到火星观测，这两颗卫星看起来都会比太阳小很多。当它们从火星和太阳中间穿过时，看起来就像飞过太阳的小圆盘。2004年，“机遇号”（Opportunity）火星车就曾拍到过这样的影像。

Q042 如果我们有两个卫星（月球），地球会是什么样子的呢？

艾玛·玛丽·莉亚，东萨塞克斯郡，布赖顿（Emma Marie Lea, Brighton, East Sussex）

这取决于第二个月球的大小，而且这个月球可能会比现在的月球距离地球更远。当然，它还是会让我们能感觉到它的存在的。例如，如果两个月球同时是满月，那我们的夜晚会变得更加明亮。更重要的是，第二个月球可能也会像现在的月球一样引起潮汐，那么整个情况就会变得非常复杂了！

当然，有些行星有好几个卫星。火星就有两个——火卫一和火卫二，但是它们的直径都小于32千米。巨型行星会有一整个卫星家族。木星有4个大卫星以及一堆小卫星，土星有一个很大的卫星——土卫六（又称泰坦，Titan），还有好几个大小适中的卫星，以及60多个非常小的卫星。天王星有4个主要的卫星，海王星有一个，这两颗行星也都有很多小卫星。

杰米·库珀（Jamie Cooper）拍摄的满月图片。

Q043 月食对地震有影响吗？如果其他行星排成一条直线的话，会不会有影响呢？

安东尼·阿特金森，北约克郡，北艾尔顿(Anthony Atkinson, Northallerton, North Yorkshire)

月食对地震没有任何影响。曾经有一种说法认为，各行星可能会排成一条直线并且对地球造成影响，但是实际上这些影响都太轻微了，我们基本可以忽略它们。

当然，日本沿海地区的确在2011年12月的月食后发生了大地震，但那只是巧合。

Q044 “地月系统”是双行星系统吗？如果不是，为什么呢？

约翰·斯托尼，伍斯特郡，马尔文（John Stoney, Malvern, Worcestershire）

这是一个非常有意思的问题。地球和月球围绕着同一个重力中心旋转，即“重心”；但是地球的质量是月球的81倍，且重力中心就在地球的内部。根据最常见的双行星系统定义，质量中心必须位于两个天体的表面之外，因此，从这个定义来说，地球和月球并不是双星系统。

真正的双星系统在太阳系内屈指可数，因为太阳系内的大部分行星都是小行星。最大也最出名的双星系统，是冥王星及其最大的卫星冥卫一（又称卡戎，Charon）。冥卫一的直径大约是冥王星的一半，质量约为冥王星的1/10，它们的重力中心位于冥王星的表面之外。

在太阳系八大行星的所有卫星中，我们的月球相对于主星是最大的卫星。尽管有一些比月球更大的卫星（木星系统有三个，土星系统有一个），但它们都围绕着质量更大的巨行星（又称类木行星）旋转。所以地月系统是很特殊的，但我（摩尔）个人认为它是双行星，而非行星与卫星系统。

Q045 为什么月球每24小时才完成一圈公转，但我们在24小时内却有两次潮汐？

尼加尔，威尔士，康维（Nigal, Conwy, Wales）

潮汐的理论非常复杂。太阳和月球都会在地球上引起明显的潮汐，不过月球造成的潮汐比太阳造成的更剧烈。想象一下，整个地球被一片浅浅的海洋覆盖，而地球和月球都静止不动，此时月球的引力会将海水累积在引力最强的一侧。到这里都没有问题，但乍一看，人们很难理解在地球的另外一边怎么会有第二次的涨潮。很多书中的解释都有点让人难以理解：固态的地球只是被拉离了海水，所以我们暂时假设宇宙里只有地球和月球，并且因为彼此的重力拉扯，使二者互相往对方的方向坠落。再进一步，让我们想象月球是静止不动的，但是地球被拉往月球的方向。地球离月球最近的那一点受到的加速力大于平均值，所以水都会聚集在那里，这样就会出现涨潮。而另外一头的情况则正好相反，加速力会比平均值更小，所以相对于被月球拉过去的地球表面，这个区域的水就会被“留下来”而产生水隆起的现象，造成类似的涨潮。当然，地球并不是朝月球坠落，只是由于二者都围绕相同的重力中心转动，所以保持着适当的距离，且每27.3天完成一圈公转。除此之外，地球又会每24小时自转一圈。显然，累积的海水——也就是涨潮——并不会跟着转，而是涨潮的地方永远正对着月球。因此，在24小时内，每次的海水上涨好像都会绕地球一周，而每天每个区域就都会有两次涨潮和两次退潮了。

关于潮汐，还有很多复杂的原因，不过大致都是我们刚刚描述的情况。举例来说，如果你在涨潮的时候看向月球，会发现它其实不是在正上方，而可能会非常接近地平线。这是由于水的黏性会导致它被推到月球正下方的那个点的前面。

另外，太阳也会造成潮汐，尽管太阳造成的潮汐比月球的潮汐弱很多，但还是会产生影响。太阳和月球在满月和新月的时候会“携手”产生拉力，我们称为大潮，英文叫“spring tides”（春潮），其实和春天一点关系也没有。而在弦月的时候，太阳和月球的潮汐会朝着不同的方向，我们称为小潮（neap tide）。

陆地上也有潮汐，但是通常会被人们忽略，因为陆地是固态而非液态，而且陆地的潮汐力真的非常弱。

Q046 月球在远离地球，是什么力量把它拉离轨道的呢？

戴安·克拉克，伦敦，泰晤士米德镇（Diane Clarke, Thamesmead, London）

这个问题我担心讲起来会太复杂，在这里会尽量简化一些。问题的关键在于所谓的“角动量”（angular momentum）。一个物体绕着一个点或轴移动的角动量，是描述物体的转动或旋转的剧烈程度的物理量，计算方法是物体的质量、物体和移动中心距离的平方，以及角速度（也就是轴的转动速度）三者相乘。根据一项著名的原则——角动量守恒定律，角动量永远无法被摧毁，只会被转换。因此，如果绕轴转动的速度减慢，就像地月系统因为潮汐力造成的情况，那么“其他东西”就必须增加，而“其他东西”就是两个天体之间的距离。

即使到了现在，这个过程都尚未完成，因为月球对地球的潮汐力依旧在帮我们的转动“减速”，每天大约都比前一天长了0.000 000 02秒，但还会有一些和月球无关的不规则变动。另外，月球还是在远离我们，但月球与地球的距离每年大约只增加4厘米，所以我们也不用担心它即将消失在我们眼前而急着研究它！

事实上，月球不会一直无止境地后退。如果它退后到56万千米以外的地方，它就会再度向前，这是由于太阳的潮汐效应造成的，而且最后它会破碎成一堆粒子——但这些并不会发生，因为在月亮退行趋势发生转折的临界阶段出现之前，地球和月球都会因为太阳膨胀成一颗红巨星而毁灭。到目前为止，我们可以确信，在很长一段时间内，月球不会发生这样戏剧性的事。

在月球的引力作用下，地球两侧都会出现潮汐。

注：地球和月球间的距离非正确比例。

Q047 月球在4亿年前（泥盆纪初期）与地球的距离是多少呢？当时的潮汐和现在相比有多高呢？

大卫·莱瑟，西约克郡，伊尔克利（David Leather, Ilkley, West Yorkshire）

目前，月球与地球的平均距离约38.4万千米（轨道当然是偏心圆）。如今，大部分天文学家都相信月球是原始的地球受到巨大撞击后形成的，一开始月球和地球的距离非常近，而潮汐摩擦力造成月球以每年约4厘米的速度后退。“泥盆纪”（Devonian）2这个名字与英文中“德文郡”（Devonshire）这个地方有关，因为这个时期的岩石在德文郡很常见。泥盆纪大约是4.08亿年前开始的，而随后的志留纪（Silurian）3则是生命开始发展的时期。在泥盆纪初期，只有早期的陆生植物、两栖类动物、昆虫以及蜘蛛。泥盆纪是一段温暖的时期，如今的格陵兰、苏格兰西北部以及北美洲在当时可能连在一块儿。

当时月球已经后退了大约32万千米，围绕重力中心一圈的时间大约是18小时，所以那时候月球的一天会比现在短很多。因为当时月球距地球比较近，所以潮汐大约比现在的高一半。过一段时间后，也就是在接下来的石炭纪（Carboniferous）4，潮汐才比较缓和，煤系地层形成并出现了最早的爬虫类动物。

Q048 为什么我们有时会在天空的同一区域看到月球和太阳呢？

艾伦·托马斯，约克郡（Alan Thomas, York）

最好的解释方法是想象太阳在天空中静止不动，而月球一个月（其实是27.3天）内围绕地球一圈。如果是这样，在每一次公转的过程中，地球上的任何人都会看到一次月球和太阳很接近的景象。如果月球直接经过太阳前方，就会形成日食。

当然，这3个天体其实都在移动，但我们在地球上会觉得在天空的同一个地方看到了月球和太阳。其实，当月球接近太阳时，我们是很难看到它的，但是当两者距离较远时，我们就能清楚地看见月球了。当月球在其轨道上移动时，我们会看见它的亮面范围在变化，这被称为“月相”。

Q049 火山爆发、陨石撞击、核爆炸、火箭发射等会影响行星或卫星运行的轨道或速度吗？

弗兰克·沃德，莱斯特（Frank Ward, Leicester）

首先，我们来考虑地震。如果地震很剧烈，如2011年的日本大地震，可能会稍微影响到地球的自转周期，但因为这些影响太小，所以实际上是可以被忽略的。举例来说，2011年的日本大地震让地球上的一天缩短了不到0.000 002秒，而这根本不需要调整你的手表！火山爆发也可能造成很轻微的影响，核爆炸、火箭发射等则由于太过微弱，所以根本不会对围绕太阳的公转或转速产生任何可测量的影响。

陨石是地球大气层中未燃烧殆尽而坠落在地面的流天体，相对于地球来说，陨石只有灰尘那么大，完全不会产生任何影响。不过，地球曾经被比较大的天体撞击，大部分天文学家都认为，月球就是地球被火星大小的天体撞击后形成的天体。如果这种事再次发生，从我们的角度来看，后果会很严重，但现在看起来，这种情况发生的概率微乎其微。在近代，曾经有相对较大的天体撞上地球，例如，1908年的西伯利亚撞击，但即使是这样的撞击，也不足让地球脱离轨道。这种撞击的效果，就像是对一只正在冲过来的河马丢一粒烤豆子，想阻止它继续奔跑，结果根本没什么作用！

当月球围绕地球旋转时，面向地球的这一面被太阳照亮的范围会发生变化，从而形成月相。

注：非正确比例。

Q050 我们很少听说1986年发现的第二个“月球”——克鲁特尼（Cruithne）。它是不是依旧相对于地球在不规则运行？为什么没有对它进行研究的项目？

埃里克·海曼，伦敦（Eric Hayman, London）

这颗名为克鲁特尼（小行星3753）的小行星是一颗再平常不过的小行星，由邓肯·沃尔德伦（Duncan Waldron）于1986年发现，只是它的轨道不太平常。这颗小行星非常小，直径大约5千米，大约每27小时自转一周。它的最亮视星等是15等，比冥王星还暗。我（摩尔）曾经使用15英寸（约380毫米）的望远镜观测它，但并不是很容易。

就某些方面来说，这颗小行星的轨道的奇怪之处和地球很像。它和太阳的平均距离与地球和太阳的距离几乎一样，都是一个天文单位，而且它倾斜的角度大约也是20°，但是它的轨道比地球奇怪多了。它和太阳的距离最远有1.3个天文单位，最近是0.6个天文单位。这表示它似乎是陪着地球绕太阳转的，而且会定期靠近地球，只是对我们没有危险。曾经有人说，克鲁特尼相对于地球走的路线是一粒豌豆的形状，不过它在公转时也可以接近火星。

尽管它的轨道看起来和地球有关，但这个模式并不是永远不变的，对它安排探索任务目前看起来没有什么实质意义，因为我们对它的了解已经足够了，除了它目前的轨道之外，这颗卫星并没有什么不一样的地方。

另外还有一至两颗这样的小行星，例如，小行星54509（54509 YORP）以及小行星1998 UP1。但我们需要弄清楚的是：克鲁特尼是一颗有着不平常轨道的普通小行星，并不是地球的第二颗卫星。1930年发现冥王星的克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）曾经仔细地寻找地球的其他小卫星，但却一颗也没有找到，现在可以有把握地说，我们没有第二颗直径大于30厘米或是60厘米的卫星了。

火星有4颗在同一轨道上运行的小行星，最大的一颗是小行星5261特洛伊（5261 Eureka）。目前据我们所知，金星没有任何小行星。

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