月亮所属的更高天体系统
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天文学从最开始的天文观测、制定历法,发展到如今涵盖众多的学科,诸如物理学、化学、生物学、数学,等等等等。比如我们既观测火星,计算它的轨道周期;又会发射探测器,去分析它的大气构成、土壤成分;去寻找上面是否有生命;分析研究人类是否有可能定居火星;甚
我们还会拍摄 火星的科幻。
上述这一切都是广义的天文学的范畴。而我们撰写天文学的科普 ,自然也会涉及到上述的方方面面。
今天,我们就从离我们最近的天体说起,那就是月亮,我们几乎天天都能看到的巨大天体。
北半球所见满月标准照
Credit: Gregory H. Revera
由于月亮离我们如此之近,肉眼就能观测到许多的细节,自然古今中外就有了无数的 月亮的描述。“山月中寻桂子,郡亭枕上看潮头。”读到这一句诗,你会觉得诗人用前半句描写月亮,然而阅读完此文,你会发现后半句亦与月亮有紧密的关系。
月相
月亮,最直观的天文现象便是月相,所谓月有阴晴圆缺。然而月相到底是怎样的,又为何是这样,你有想过吗?
小学的地理课本上就告诉过我们:上弦月前半夜出现在西部天空,月面朝西;下弦月后半夜出现在东部天空,月面朝东。甚至为了便于记忆,还有老师总结出上上西西,下下东东。然而死记硬背显然不是学习知识的好,这样的概括也未免过于粗糙。我们不妨来分析一下,为什么会出现这样的现象?
首先,首先我们知道月球本身不发光,我们看到月亮发光的部分是由太阳照亮。由于太阳离的较远,可以看作是平行光,因此月球被照亮的,永远只有半球。
月球、地球和太阳三者运行轨道的特征,导致月球出现在人们视野当中的时刻每日皆不相同。
月相示意图,请放大观看
Credit: HeshamGalal.com
如果黄昏(至前半夜)时你看到月亮,那么月球反光的一面,必然是朝西的那一面,也就是太阳落山的方向。而如果是清晨(包括后半夜)看到的月亮,反光面便是朝东。
月亮和太阳在天空中的位置,如果越近(夹角越小),我们能看到的发亮的部分就越小,最极端情况就是初一我们完全看不到月亮,这个时候月球、地球、太阳三者在一条直线,月球夹在中间。正午时刻月球正在我们的头顶上空,太阳照亮的月球的那一面我们完全看不到。而太阳和月球的夹角越大,我们能看到发光的部分就越大,极端的情况就是十五的满月。此时太阳和月球分列地球两侧,因此我们整夜都能看到的月亮。对了,其实月相每时每刻都在发生变化,因此每年八月十五赏月,总是有预报告知几时几刻月亮最圆,这也是是天文计算的结果。
观看动态请前往:
http://www.iwant2study.org/lookangejss/02_newtonianmechanics_7grty/ejss_model_grty01/grty01_Simulation.xhtml
月相,还有一些人们不太注意的细节:
1、新月快要落山的时候,如果天气十分晴朗,肉眼完全能够看到月球阴影部分。
2、月相的形状,跟月全食每个阶段的变化规律相同么?
不变的面孔
说完月相,我们再来聊一聊月亮的另外一个特征,月相不管怎么变化,我们看到的月亮总是同样的一面(由于地球直径较大引起的视差,实际能看到的区域约为月球表面的59%)。
这是怎么造成的呢?书本上给我们的答案是:月球的自转和公转周期是一致的。进一步追问你会得到这是潮汐作用的结果(潮汐锁定)。
潮汐这个名词,听上去应该跟潮涨潮落有关,但是和月球的自转、公转周期有什么关系呢?
潮汐锁定
潮汐一词的 ,确实与潮水有关,潮水涨落是潮汐力的结果。那什么是潮汐力呢?
这要从万有引力说起(what does grty do?):计算引力时,会把两个互相吸引的天体视为质点,即忽略天体的直径。然而当两个天体距离足够近时,其直径与天体之间的距离便不可忽略。
回到地月系统,地球直径约13,000km,而地月球心距约384,000km。根据万有引力公式可知,地球每一点受到的月球引力皆不相同,面向月球的区域(简称正面)引力远大于背朝月球的区域。这种引力的不同会将正面拉的,背面推向地心。幸好地球表面大部分区域被海洋覆盖,而海水又比岩石容易拉扯变形的多,因此海水便在潮汐力的作用下潮涨潮落。
当然,实际情况比这个要复杂一些,如下图所示:
潮汐力示意图
Credit: NOAA.gov
地球上面向月球的区域和背朝月球的区域,都会有幅度较大的潮水。
同理,月球也会在地球的潮汐作用下,产生变化。不幸的是月球表面并没有可供撕扯的海水,被撕扯便是月球自己。
起初,月球自转速度大于公转速度,因此其面向地球的区域一直在变化。而面向地球的区域在潮汐力作用下发生,的位置不断变化。这就对月球产生了如下影响:
1、月球内部岩石之间产生摩擦
2、月球的质心不断变化
于是月球的转动动能,逐渐转变成了岩石之间摩擦的热能,月球自转速度越来越慢,直至与公转速度一致,不再发生岩石摩擦,达到稳定状态——形成潮汐锁定。
就像这样:
图配错了,应该是这样:
潮汐锁定的月球(左侧)
Credit: Stigmatella aurantiaca
或许你会问,地球会不会被太阳潮汐锁定呢?
答案是,在地球被死去的太阳吞噬之前都不会。幸好地球未被锁定,否则一半地球永如白昼,而另一半则是无边的黑暗。
月球的形成
月球的形成,有若干种猜测,其中认同度更高的是大碰撞假说(Giant-Impact Hypothesis)。
这种理论认为:约45亿年前,一个体积如火星大小的天体(被命名为Theia,希腊神话中月亮女神Selene的母亲)撞向地球。通过分析月球岩石样本,科学家认为两个星体遭遇了正面碰撞,导致二者的成分充分混合。飞离地球的气体和尘埃,并没有完全脱离地球的引力控制,通过相互吸积而结合起来,形成几乎熔融的月球,或者是先形成一个环,再逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。
支持这种假说的证据有:
1、地球、月球自转的倾角类似
2、通过分析月球岩石样本,发现其表面曾经是熔岩状态
3、月球的铁核相对较小
4、月球的密度比地球小
5、在其他星系中观测到类似的碰撞,并形成环状残骸
6、碰撞假说与太阳系形成的主流理论吻合
7、地月岩石中的稳定同位素比值完全一致,意味着二者同源。
正面撞击导致二者充分融合,并抛出残骸
月球形成过程的GIH假说
貌似地球也曾经有个漂亮的环
最新发现
近年,科学家在月球南北极区域的环形山内部发现了冰,这为人类建立长期月球创造了条件。
而对于月球水冰的开采。当前更大的不确定性仍旧是月球水冰的形态,开采月球水冰的方式取决于它们的具体形态。***罗里达太空研究所的行星学家梅特泽格说:“我们不知道月球水冰的主要形态究竟是‘脏雪’还是混杂在干表皮土中的碎石大小的块,又或者以其它形式存在。我们需要派遣月球车进行勘察和钻探,以最快的速度找到答案。”
科学家们提出了一项旨在确定月球水分布及储量的低成本任务,以及一项新研发的开采技术。这项技术被称之为“热力开采法”,能够将月球水冰转化成火箭燃料。
所谓热力开采法,就是在月球陨坑附近的永久光照区部署多个万向反射镜,通过反射阳光来照射陨坑加热水冰。通过控制发射镜的角度来控制水开采的速度。
开采水冰示意图
如果我们能够就地取材,便可大幅提高月球探索的效率,包括建造永久的月球。
太空罗伯特·毕格罗(左)与工程师讨论月球的布局规划
这一切或许并不遥远,NASA要重返月球,而中国和也都在计划着载人登月任务!
:赵琨 | 校对:周寅军
编排:赵琨
本系 易新闻· 易号“各有态度”签约
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从上图可以看到,月食的阴影区变化,与月相变化是完全不同的。前者是月球自己的影子,而后者是地球的影子,影子的直径明显大于月球的直径。
谢谢阅读
以上就是与月亮所属的更高天体系统相关内容,是关于月球的分享。看完月球是哪种天体后,希望这对大家有所帮助!