地球永远一面对着太阳会怎样,天空中只有1个月

2019-11-30 14:36栏目:奥门新萄京娱乐场
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一面朝向太阳的地球

还别说,这样的问题真有人研究过。研究大气与气候动力学的蒂莫西·莫利斯(Timothy Merlis)在一篇论文中模拟了类地行星被潮汐锁定后的大气动力学情况[7],并且还用模拟结果制作了动画[8]。研究者们使用了一种叫做大气环流模式(general circulation model,GCM)的数学模型模拟了地球自转减慢为一地球年后的气候变化情况,包括温度、降水,以及纬向的风等。太阳直射点固定在赤道上西经88°的地方(厄瓜多尔海岸附近),模拟的时间长度为50年。

下面,就让我们来看看模拟的结果:

首先是温度情况。50年过后,向阳面最高温度为40℃,背阳面最低温度为-40℃,由于大气层的作用,温度差异还不至于像月球表面那么大。尽管在模拟的50年间,海水都没有大面积结冰,但莫利斯认为在更长的时间尺度上,海面终将结冰,但那需要整个水层的温度都冷却到冰点以下(注:地球两极的表面之所以能结冰是因为它们目前经历的是净降水,雨水的冰点比盐水高。而潮汐锁定后的夜半球经历的是净蒸发,海水的趋势是越变越咸,所以要让它结冰只能等整体的温度降到冰点以下) 。

图片 1地球被潮汐锁定50年后的表面温度模拟图

地球的晨昏线周围看起来温度依然适宜,我们搬到那里去住就行?不,你高兴得太早了……

晨昏线上的情况并没有那么美好。大量降水集中在向阳面,在日半球远离直射点的地方(如加拿大)持续着干燥和闷热,而离直射点更远的晨昏线附近则经历着持续的净蒸发(水分蒸发量大于降水量)。最终,这些看上去温度适宜的地区将会变成沙漠。

图片 2水分蒸发情况模拟图

那我们去向阳面,到太阳直射的地区去获取用不完的太阳能?很遗憾,你还是高兴得太早了…… 

由于地球君卓越的负反馈机制,被太阳直射的地区会形成浓厚的云,将阳光直接反射回太空,同时持续的降水导致太阳能无法利用。

图片 3降水模拟图。50年间,降水集中在太阳直射点,夜半球几乎没有降水

不仅如此,从风力的分布情况来看,太阳直射点附近还要面临风速高达35米/秒的强风。这样的日子可不太好过。

图片 4风速模拟图。左侧图表示纬向的风速,右侧表示经向的风速。

此外,由于地球的自转减慢,地球的磁场也会减弱,导致更多的宇宙射线到达地球。不过,这倒是增加了生物发生基因突变的频率,或许这样一来,地球君就能更快演化出适应新环境的物种了……

图解:月球公转与地球自转方向相同,但地球自转速度快于月球公转,使涨潮被地球自转带着跑,在月球至中天前到来,相差约3度。 月球与潮汐隆起(tidal bulge,或称隆堆)相互吸引,使得地球自转渐渐变慢,而月球公转渐快。这使得当前每一年月球轨道约推离地球38毫米,而地球的一日延长约23微秒。 因为月球对地球万有引力的作用,地球视作一固态整体,较背对月球一侧的海水更被拉近月球,因此背对月球一侧的海水形同“升高”了。这造成两端的潮汐隆起与每天两次的涨潮。

图片 5月球从上面的绿色位置开始顺时针公转,如果自转的角速度大于公转的角速度,隆起的部分会受到拖曳,最终使自转和公转达成同步。图片来源:维基百科

不过这并不一定是件好事,至少对观星爱好者和天文学家来说,夜里这么充足的照明使得观察星星的难度大大增加。也因为低潮和高潮之间的幅度之差有上千尺,沿岸居住也变得几乎不可能。这就会使得地球上的居住地严重缩水,结果将是内陆城市区域人口的惊人增长。如此不稳定且难以预测的水源,水路交通方式跟突然把你扔进和角斗士的即兴决斗差不多。

月球自转的周期恰好等于绕地球公转的周期(27.32 天),因此在地球上,我们总是只能看到月球的同一面(注:更确切地说,在地球上不同时刻、不同地点看到的月面范围略有不同,综合这些不同时刻,总共有59%的月面可以在地球上看到[1]),这种现象就被称为潮汐锁定(tidal locking)。

在有多于两个月球的情况下,潮汐会更强烈,更具有摧毁力。不过这也取决于各个月亮对地球的相对位置。浪的幅度可能会更大,也可能更小—这么些月亮在一起,它们对地球潮汐的影响要么互相增强,要么互相抵消。另外,潮汐的周期(目前我们地球在24小时的跨度里会有两次高潮和两次低潮)也不会像现在这么规律了。

还让不让人活了?

地球要真变成这样,人类该怎么办?这是一个开放性的问题,此处提供以下几种方(nao)案(dong)供参考。

温室效应

金星的自转周期约为243地球日,公转周期约为225地球日,然而金星表面却有着非常有效的等温,不仅在日夜之间保持一个定常的温度,而且在极地和赤道间也是这样[9]。 这是因为金星有浓密的大气层和严重的温室效应。如果把地球变成第二个金星,地球表面各处都会同样暖和,大风刮的嗖嗖的,只不过人类可能要搬到地下住了……

图片 6经过处理后的金星图像,其表面被一层厚厚的云遮盖着。图片来源:维基百科

永恒的日食

如果地月系统也发生了潮汐锁定,地球就会处于永恒的日食或月食中,如果是永恒的日食的话,情况会不会好些呢?

日地系统的 L1 拉格朗日点离地球的距离为150万公里,约为 3.9 倍目前的地月距离,把月球推送到此位置,地球将几乎全部处于月球的伪本影区中,即永恒的日环食。这样一来人类就有更多的宜居带,甚至可以让月球像太阳和太阳风层探测器那样,绕L1点周期性运动,在宜居带实现周期性的昼夜更替。

图片 7永远的日环食。制图:LePtC

不过,还是别高兴得太早。即使把月球目前的动能也用上,推送月球到该轨道至少要消耗 1.7*1029焦的能量,全球海水的氘储量约4*1016千克,按每千克氘聚变可以放出1014焦的能量计算,差不多要用掉地球一半的氘储量……(也许到了那时候人类又有了新的获取能源的方式?不过有这些能量其实直接推着地球重新自转就好了嘛……)

雪国列车

如果我们有雪国列车这种无限能源的Bug话,我们可以让列车在晨昏线附近绕圈,每 24 小时绕一圈,人类继续正常生活……

图片 8电影《雪国列车》海报

总之,还是让我们庆幸这样的事情没有发生吧。

图片 9

扩展阅读

地球需要多久才会被太阳引力锁定?

【刷屏醒目】真实比例的月食示意图

图片 10

潮汐锁定是小天体环绕大天体时普遍会发生的现象[4],如果两个天体的质量相差的不大时,各自都会被对方潮汐锁定,例如冥王星与冥卫一(卡戎)。但对于地球来说,一直到45亿年后,太阳开始演化为红巨星之前,地球的自转周期都还不会减缓到一个月的长度[5]。只有当太阳变成红巨星,体积显著增加后,地球和火星才会被太阳潮汐锁定,据估算这种情况要到75亿年后才能发生[6]。

人类的生命毫无疑问会遭受重创,不过一旦新的月亮各自都绕地球在自己的位置上安顿好了,情况就会缓和下来。我们将会看到更多日食和月食—必须的。夜晚跟现在比起来会亮堂好多,因为到目前为止,我们只有那么一个月亮在反射太阳光。黑暗的时间也会变得更少。

不过,假如地球现在就被太阳潮汐锁定了,又会发生些什么呢?

图片 11

参考资料

[1]维基百科 - 潮汐锁定 - 地球的月球
[2]Wikipedia - Tidal locking - MoonTorque
[3]果壳问答 - 为什么地球海水被月球吸引时,在背离月球的一面也会隆起?
[4]维基百科 - 潮汐锁定 - 已知潮汐锁定天体列表
[5]维基百科 - 潮汐加速 - 月球的重力效应
[6]Wikipedia - Timeline of the far future
[7]Merlis T M, Schneider T. Atmospheric Dynamics of Earth‐Like Tidally Locked Aquaplanets[J]. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2010, 2(4).
[8]Animations of coupled simulations of tidally locked Earth
[9]维基百科 - 金星

我们对月亮的存在是如此地习以为常—那个孤零零,又如此明亮,悬挂在夜空中的灰白色球体—以至于我们都几乎不再思考这个问题:月球的存在,对我们来说意味着什么呢?对于这份幸运—我们地球上承受着只由一个月亮影响并引起的自然现象—咱们也是不够感恩。然而,如果地球有不止一个月球的话会怎样呢?试想你夜观天象,一抬头看见好几个月亮,会怎么样啊?

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