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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年07月24日280大千世界百度已收录

可能有人会问,在地球上,如果没有动力来源,没有什么机器可以一直转动下去,最终总会停止下来。然而,对于地球本身,它的质量重达6亿亿亿公斤(6×10^24 kg),它自45亿年前形成以来,一直在绕地轴自转和绕太阳公转。那么,地球持续转动的动力来源是什么?难道地球是永动机?

其实地球不是永动机,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:

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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:

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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:

旋转体的动能公式为:

为转动惯量,实心球的转动惯量为

其中地球质量

,半径

,角速度

得,地球动能大约为:

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。

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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:

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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:

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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)。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:

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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):

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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:

地球重达 6 亿亿亿公斤,它不停转动 45 亿年,动力来自哪里?

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,而自转因为大气抄袭效应,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。

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