其实原因很简单,因为时间还不够长!
不同于地球上的旋转陀螺仅数分钟便停下,地球的自转受到的干扰及阻力可谓微不足道。自地球诞生至今,46亿年时光飞逝,自转速度亦仅是微小的减缓。以数据来说,地球每昼夜的增长约1.7毫秒,意味着一天的时间在延长。
如此微小的增长意味着,地球日将在60000年后增加一秒钟,在400万年后增加一分钟,而10亿年后增加4小时。倘若回溯历史,在恐龙称霸地球的6500万至2.4亿年前,一天只有23小时。
23小时的白天,难怪我总觉睡眠不足。
为何地球的自转会减缓呢?
引用一句歌词:都是月亮惹的祸。
自45亿年前海洋初成,潮汐加速效应便悄然启动。月球的引力作用下,地球产生了周期性的潮汐现象,这些潮汐力量消耗了地球自转的能量,使地球旋转速度降低,同时,月球也在每年3.8厘米的速度远离我们。听来不明所以?
让我打个比方。
想象你女神正骑旋转木马飞转,你则骑着小驴在旁追随,然而女神速度太快,你和你的小驴稍显迟缓。巧合的是,你手中握有一条绳索,如牛仔般套住旋转木马,你的速度会提高,而木马则略显迟缓,最终你与女神速度相仿。(一旦速度匹配,套索便无法再加速。)这如同女神向你传递能量,你的速度因此提升。
你的小驴象征月球,旋转木马代表地球,而绳索便是引力。月球轨道的升高意味着其速度加快,从而导致地球自转变慢,进而延长了一天的时间。当一天等同于一月时,潮汐加速效应将暂停。(若以现行24小时为一天计算,届时一天将长达47天,地月距离也需增加至当前的135%。)这一状态被称为卡西尼状态,由著名科学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼于1693年提出,对,就是发现土星环缝的那位卡西尼。
在遥远的过去,月球更近,地球宛如芭蕾舞者般旋转,紧握双臂。随着时间推移,月球逐渐远离,地球减慢旋转,仿佛芭蕾舞者展开双臂,以降低旋转速度。
同理,潮汐作用使得海洋移动,地球惯性矩随之改变,为保持角动量守恒,地球的自转速度也须调整。潮流的加减速度与地球固态部分持续交换角动量,亦导致转速变化。(此处细节略过)
地球自转变慢,是臆测还是证据确凿?
行星自转长期变化是地球物理学长久以来的讨论课题。300年前,英国天文学家埃德蒙多·哈雷爵士首次提出月球加速现象。现今我们所知,哈雷爵士所见的月球加速仅是表面现象,背后真相是地球自转减慢,使得月球看似加速。
地质学与古生物学的发现证明,在遥远的历史中,地球的自转速度较快,月球亦更靠近地球。研究显示3.7至6.2亿年前,一天约为22小时,一年则有400天。当时,月球以每年约3.8厘米的速度远离地球。
由此可见,地球自转的减速是较为稳定的,没有大的波动。
那么,是否只有月球在影响地球自转?
月球无疑是关键因素,亿万年间,地月引力共同放慢了地球的自转。但重大事件,例如2004年的印度洋地震,则使地球的自转加速了大约3微秒。此外,冰河期后,地球质量分布的改变也导致了转动速率的变化。
何时地球自转会停止?
鉴于月球质量相对于地球不小,这对天体组合愈发类似双行星。若不计其他影响,潮汐加速将一直持续至地球自转与月球公转周期相等,届时,月球将永远挂在地球某国上空,如同冥王星与它的卫星卡戎一般。
可惜的是,地球自转速度的减缓太过缓慢,不足以等到地月锁定那一天,因为届时地球早已面目全非。
大约21亿年后,增强的太阳辐射将导致海洋蒸发,潮汐摩擦与潮汐加速作用亦将消失。即便海洋得以存留(潮汐加速和太阳质量的损失会将地球推离太阳),30亿年后银河系与仙女座星系相撞,地球命运未卜。即便安然无恙,45亿年后,太阳演变为红巨星,足以毁灭地球与月球,而届时地球自转远未减慢至一个月的长度。
明天的太阳照常升起,生活依旧如昔。
关于太阳的潮汐作用,的确,太阳对地球存在类似的潮汐锁定趋势。尽管其引力场巨大,但月亮因距离更近而影响更甚。实际潮汐观测显示,太阳潮汐约为月球潮汐的一半,月亮无疑占据了主导地位。若要精确计算,需运用以下公式:
公式中ω代表地球自转频率,a为轨道长半轴,M为太阳质量,I为地球惯性矩,R为地球半径,G为引力常数,Q为品质因子,k2为勒夫数。
对公式敏感的人或许注意到,公式最后a的6次方表明,潮汐锁定时间与两个天体距离的六次方成正比。换言之,距离增加12%,锁定时间可能翻倍。因此,月亮才是地球自转变慢的主谋,太阳则是旁观者。
粗略估算,地月锁定大约需数百亿年,而地日锁定则需更长时间。但太阳作为黄矮星,寿命约100亿年,目前太阳约50亿岁,因此约50亿年后,太阳内部氢元素耗尽,核心将崩溃,温度激增,远在锁定之前。