我來科科科科科普一下地球的轉動啦...
研究地球的科學家會把地球的轉動分成三個部分.
第一是公轉, 第二是自轉, 第三是地軸指向的運動.
不管是穩定性, 能量或攜帶的角動量, 由大排到小都是這樣.
公轉跟自轉大家都知道, 今天科普的範圍是地軸指向.
地球放在太空中轉動, 它的行為跟陀螺很像.
歪放著轉的陀螺, 轉軸會繞圈, 沒力的還會一直點頭.
這個影片只有三秒鐘, 不是我做的, 繞圈跟點頭就是長這樣.
地球科學家把地軸繞圈叫做 precession, 進動.
地軸點頭也有個詞叫做 nutation, 章動.
這兩個詞沒什麼學問, 看到鄉民用這個詞唬你, 不要被嚇倒了.
另外有個叫做極移的行為比較酷, 不過它不在今天科普的範圍.
請自行 google: polar motion of the earth.
名詞解釋沒學問, 有學問的是「地球轉動為什麼會忽快忽慢」.
忽快忽慢的原因很單純: 地球身上有受外力矩, 會改變角動量.
這裡面有一個比較容易想像的觀念...
「月球或者太陽對地球所施加的重力不均勻. 」
這當然, 地球總是有一邊離月亮比較遠, 另一邊離月亮比較近.
但是還有另一個比較難想像的觀念.
「這些重力差異, 對整個地球由內到外所施加的合力距不為零. 」
這裡頭有個關鍵是地球不是完美的球體.
想像一個雞蛋形狀的東西, 整個雞蛋泡在一個平方反比的重力場.
這些重力加起來會讓雞蛋有轉動的企圖!!
好啦, 我知道有點難想, 不過重點是這句話...
「在日地月的重力系統中, 地球的質量分佈導致它身上有力矩. 」
接下來就比較簡單了.
有力矩的東西, 角動量就要變.
地球有很多部位能藏角動量, 鄉民跳舞也有貢獻, 不過自轉是大宗.
它可以用進動對應外力矩, 讓地軸沿特定的方向偏一下.
這種改變之下, 自轉的轉速是不會有變化的.
但麻煩的是, 進動所貢獻的變化不能滿足地球感受到的力矩.
因為它只能改變一個特定方向的角動量, 我們就說是 Z 軸好了.
另外還有 X 軸與 Y 軸的角動量也要受力矩影響.
很簡單, 地軸開始點頭, 它用章動來回應力矩.
這也能改變角動量, 而且很厲害的是, 章動的貢獻一定跟進動垂直.
不過, 進動加章動還不夠, 物理學家們說這個叫做維度不足.
就是說, 力矩有三個維度, 所以你必須用三個對付三個.
最後一個進來補償力矩的, 就是地球自轉的速度.
地球改變自轉所貢獻的角動量變化, 也會跟進動與章動互相垂直.
但是, 補償的過程中, 哪個變快那個變慢其實很難說.
最大的問題就是我們不知道地球內部的質量是如何分布的.
頂多知道地球還蠻圓的...
不過呢, 偏偏這個現象的起因就是「地球其實也沒那麼圓... 」
所以完蛋了, 這個研究方向沒下文.
不過我們仍然知道一件事:
「如果地球所受的力矩沿著自轉方向有值, 地球的轉速就會變. 」
變快或變慢是可以觀測的, 拿來推測一下地球內部的器官也是略懂略懂.
總之, 太陽跟月亮會讓地球有時候轉得快一點, 有時候慢一點.
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接下來是比較好玩的「潮汐鎖定」.
月球永遠用同一面對著地球...
除了狂派要負責之外, 潮汐鎖定也是另外一個原因.
科博館的角動量守恆, 其實就是一個很好的潮汐鎖定的例子.
想像你坐在一個自由轉動的椅子上, 手上有個飛輪在轉.
飛輪當然不會用同一個面看著你...
現在把它捏死, 讓它不動, 換你開始轉了, 對吧... ??
注意看飛輪, 它會跟著你一起轉, 而且永遠用同一個面看你.
這就是潮汐鎖定.
只是地球捏死月球的力道沒有你那麼暴力.
它也是用重力所產生的合力距.
這個影響是雙方的, 月球的角動量減少, 地球增加.
而地月系統的總角動量不變.
捏死月球的力道叫做潮汐力.
酷酷的科幻小說會說, 「潮汐力來自於重力場的差值. 」
對月球來說, 地球的重力幾乎都來自於某個方向.
把那個平均值扣掉, 就會形成一個酷酷的力場, 這些殘值叫潮汐力.
之前有記者寫「因為潮汐摩擦讓地球自轉變慢... 」
這是有點唬爛的說法, 水跟地球的質量比差太多了.
再加上產生潮汐的水又只有一部分.
而且, 月球上明明就沒有水... 它怎麼也被相位鎖定了!?
回到正文, 軌道的相位鎖定, 關鍵在於「有能量散逸」.
如果地球跟月球都是剛體, 潮汐力的效應就不是這樣.
它會偶爾讓這個快, 偶爾讓那個快, 偶爾一起快.
而重點就是整個變化會一直持續下去, 而不會變慢.
非剛體受力會產生變形, 變形生熱... 物理學家們都這麼說.
月球被潮汐力蹂躪的過程中, 會因為變形生熱, 而逐步損失動能.
那個變形的規模是整顆星球的哦, 從球心到球面.
損失的動能表現在月球自轉越來越慢, 而且沒辦法恢復.
月球對地球也有同樣的效應.
所以地球的自轉會慢慢變成一個月.
然後太陽對地球其實也有同樣的效應...
所以到了很久很久很久以後, 地球的自轉會變成一年.
不過可能在度日如年之前太陽就毀滅了, 請不要太擔心!!
科普完畢.
至於地球自轉的加減速是不是會引起地震??我不知道.
: 地球自轉速度 465.1 m/s 這麼快 如果不轉動
: 地球板塊就不會移動 那不就不會發生地震了
: 另外地球自轉那麼快 我朝天空丟棒球
: 幾秒後還是進到手套 這是什麼原因? 照常識判斷不是掉到幾百公尺外嗎?
: 有沒有八卦?
其實有偏移, 它叫做柯氏力效應, 交給其他鄉民來科普.
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新詩練習：新鮮。踩破初春裡的狗大便；不經意的滄桑，滿溢著嫩黃的喜悅。
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