地球自转的动力来源来自哪里?为什么可以一直转?

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所属分类:浩瀚星途
摘要

地球大约在45亿年前形成,从形成那一天起,地球就开始自转和公转。直到现在,地球还在一直转动。那么,地球转动的动力源是什么呢?地球在未来会停止转动吗?地球是不是永动机呢?要了解地球能够不断转动的原因,需要追溯到地球乃至整个太阳系的起源。最初的太阳系没有太阳,也没有各大

地球大约在45亿年前形成,从形成那一天起,地球就开始自转和公转。直到现在,地球还在一直转动。那么,地球转动的动力源是什么呢?地球在未来会停止转动吗?地球是不是永动机呢?

要了解地球能够不断转动的原因,需要追溯到地球乃至整个太阳系的起源。最初的太阳系没有太阳,也没有各大行星和卫星,只有一团飘荡在宇宙空间中的尘埃和气体云。在太阳星云附近,有颗大质量恒星发生了超新星爆发,它所释放出的冲击波引发星云中心坍缩成太阳。

在太阳形成过程中,它的引力不断吸收星云,导致星云越转越快,并且变得越来越扁。最终,绝大部分的星云聚集在一起形成了太阳。剩余的星云继续环绕太阳旋转,形成了原行星盘。在原行星盘中,尘埃和气体之间不断发生碰撞,形成微行星,而它们又在引力的作用下聚集形成了包括地球在内的各大天体。

根据角动量守恒,原行星盘中的物质形成地球之后,地球会继承原先的角动量,所以地球会自转和公转。除非在形成地球时,物质碰撞刚好完全抵消掉自转角动量,地球才不会自转。但这种情况几乎不可能发生,因为只要一些扰动,地球的自转角动量就不会为0。

正因为如此,宇宙中的天体都会有自转。至于那些被潮汐锁定的天体,例如,月球,并不意味着那些天体没有自转,只是它们的自转和公转达到同步而已。同样地,地球也会公转,不然早就掉进太阳中。

太阳系的各大天体形成之后,大部分的原始星云都已经被消耗殆尽。在空旷的太空中,地球的自转和公转运动没有受到阻力的影响,地球的角动量不会被消耗掉,所以地球可以一直转动数十亿年而不停歇,并且在未来还会继续转动下去。

不过,这并不意味着地球是永动机。热力学第一和第二定律已经表明,永动机无法被制造出来。虽然地球一直在转动,但地球并没有对外做功,所以地球不是永动机。

另外,虽然太空中没有阻力,但月球的潮汐力会让地球的自转速度变得越来越慢。目前,地球的自转周期是45亿年前的4倍。再过百亿年的时间,地球的自转周期会增加到目前的47倍。在那之后,地球被潮汐锁定,它的自转速度不再变慢。

只要未来太阳不摧毁地球,地球的转动就不会停止。但根据广义相对论,地球与太阳的相互作用会持续辐射出引力波。经过漫长的时间之后,地球的角动量会被逐渐消耗掉,导致地球最终撞上早已成为黑矮星的太阳。

“天行健”,地球等一切天体似乎永远都不知疲倦的运转。

地球绕着太阳转一圈是365.256天(一年),称为公转,所以有了春夏秋冬;地球绕着自己的自转轴转一圈就是一天(23时56分4秒),因此有了白天黑夜;地球自转方向是由西向东,于是有了太阳的东升西落。

地球在40亿年前的自转是6小时/天,在一颗火星大小的小行星重重撞击后,速度逐渐减弱,形成现在的约24小时/天,而那颗小行星与地球撞击后的碎片在近亿年后形成了现在的月球。当然月球也是有自转的。

于是有人就会问:地球等天体的自转动力来源于哪里?为什么能一直转?

人类在出现文明后就已对这个问题进行研究,从17世纪到现在可以说是众说纷纭:比如角动量说,太阳带动说,重力不对称说,月球潮汐力说、暗能量…

  1. 角动量守恒。角动量守恒是由开普勒在1609年提出的“开普勒定律”推导出的数学公式,用以解释地球等天体的运转规律,这是太阳系的原始星云中产生的。在这种原始力作用下,各星球一开始就会自转,表达式为:ΔL=M·Δt;
  2. 太阳引力牵引。太阳的质量是整个太阳系的99.99%,它巨大的质量自然会形成巨大引力,就是牛顿在1687年发现的万有引力,这个引力让地球等其它星球都绕着太阳运转。地球受到公转影响,也慢慢的开始了自转。但这应该主要是地球公转的原因;
  3. 地球重力不对称。地球并不是个正圆球体,而是个椭圆体,而它自转轴和公转的黄道面角度存在23?的偏差,这让它的重力不对称,于是重力偏向一侧,于是形成了自转;
  4. 暗能量和太阳引力等多重力。宇宙中的暗能量占了宇宙质量的69%,它遍布宇宙空间,并且一直是运动的,宇宙中所有天体都在受到它的无形作用力。地球就是在暗能量和太阳引力等多重作用力下,被带动自转。

地球自转的原因都是物理学上的猜测,而宇宙中一切都是运作不息的,每个星体或天体都会受到宇宙各种力的作用,各星体为了平衡就形成了不同的自转或公转。

美国国立研究所长期观测发现地球自转速度从1999年开始加快,地球速度变快的直接原因,就是人类发射的人造卫星,因为人造卫星都是利用地球的自转。

我们都知道永动机并不存在,但是如果从太空中看地球的状态的话,它就像是一个永动机,一直在不停的自转,同时也在围绕太阳公转,地球形成的46亿年来都是如此!

不过运动的物体都需要受到某方面的力才会运动,地球之所以一直在自转和公转,也是因为受到了某些力的作用。这些力实际上绝大部分来自于地球形成的过程中,地球现在的自转和公转运行状态,除了太阳的引力之外,基本上都是原先所获取的物质对地球的撞击力的作用惯性使然。

我们所在的太阳系诞生于一片原始星云之中,其中最先形成的是太阳,它比地球大致早形成了约3亿年,两者在形成过程上其实是很相似的,在星云物质聚集形成太阳的过程中,大量的物质聚集到太阳系的中心,在这些物质奔向原始太阳的过程中,必然会有极快的速度,大量物质以极快的速度撞击,给了原始太阳以初始的自转力量,虽然物质都是以不同的角度撞击,但是在原始太阳的引力掌控了太阳系的运转趋势之后,继续撞击的物质的撞击角度就开始大部分和原始太阳的自转方向趋同了,这些来自大量撞击物质角动量的力量,最终促成了太阳的自转状态,也造就了太阳的黄道面,而在太阳形成的过程中,太阳之外的黄道面上也有一些物质聚集,形成了原始的行星和矮行星等,我们的地球就是其中之一。

地球自转形成状态基本和上面所讲的太阳一样,也是有大量物质快速撞击带来的力促成的,每一次大的撞击都足以在某种程度上影响地球的运行状态,6500万年前灭绝恐龙的小行星撞击,也会轻微改变地球的自转和公转状态的。不过地球的公转状态还是主要受太阳引力的影响,同时也是地球运行的初速度与太阳的引力达成了平衡,才会一直运行在太阳的宜居带中的。

可见,地球并非永动机,它的自转和公转都会受到外力的影响,其运行状态也正是因为外力的施加作用促成的,实际上地球的自转速度一直在变化中,一般认为地球刚形成的时候每天的时间只有6个小时左右,种种外力作用使得地球的自转运行速度变慢,其中月球的潮汐力影响比较大,它会使地球自转的时间渐渐变长。

按照地球目前的运行趋势来看,地球自转的速度正在变慢,它的运行趋势将会受到月亮和太阳运行状态的影响,如果月球和地球互相潮汐锁定,那么地球上每天的时间(自转一圈)将会长达如今的一个月;还有就是太阳对地球的潮汐锁定作用了,如果地球被太阳潮汐锁定,简单来说,地球上一天(自转一圈)的时间就会长达如今的一年。

目前关于地球能够持续不断地进行自转的动力来源问题,科学界的主流观点就是角动量守恒。也就是说,一个在没有受到外界干扰的物体,如果本身一开始就在旋转,那么这种旋转的趋势就可以一直保持下去。

在太阳系的形成初期,在现在的太阳周围,存在着一个巨大的超新星,发生爆发之后,喷洒出大量的能量和星际物质。原始星云中的星际尘埃,在长期的碰撞中逐渐吸附聚焦,质量逐渐增大,在此过程中又因为万有引力的作用,吸引越来越多的气体和尘埃,当质量聚集到一定程度后,触发了内核的聚变反应,向外散发着光和热,太阳就逐渐形成了。在太阳形成之后不久,在稍远一些的轨道上,也逐渐由星际物质聚集成了岩质行星,在更远的轨道上被太阳风吹走的较轻气体逐渐聚集了气态行星。在这些行星的形成过程中,势必经历了大量、频繁的物质撞击,然后或聚集、或分离,如此反复,才慢慢组合成了行星的“雏形”。

那么,在数不胜数的撞击中,不可能每次都撞到行星的正中心,因此行星就会获得推动自身转动的源动力,而在这些撞击过程中,肯定会有一个最大质量、最大速度的撞击,决定着行星最后的转动方向和转动速度,最后随着游离星际物质的逐渐减少,撞击次数不断减少,这种转动的方向和速度就占据了绝对主导地位,一直保持下去。

由于星际空间的物质非常稀薄,地球在自转过程中受到的摩擦力非常小,因此动力损耗也比较低,这种高速的自转可以一直在相对稳定地进行保持。但是,摩擦力小并不代表着没有摩擦,在地球形成之后的40多亿年历史进程中,在星际物质阻力、月球潮汐力、太阳潮汐力等外界因素的影响下,地球的自转速度其实一直是在逐渐减小的,从形成之初的自转一周仅需要4个小时,5亿年前已经减至20个小时,目前是24个小时,未来自转周期还会进一步拉长,不过这个过程会相当地缓慢,我们根本感觉不出来而已。

角动量守恒

如果我们仔细观测,在宇宙中自转的天体一抓一大把,目前来看,我所知道的可能黑洞是可以不转的,不过好像好没有观测到不转的黑洞。(如果是我消息滞后了,请大佬进行补充。)

那为什么天体都会转呢?

按照目前的主流假说,也就是星云假说,恒星是由宇宙中的分子云的引力塌缩,在引力的作用下逐渐形成的。

这个过程大概是这样的,分子云不断地往一个质点聚集,形成恒星胚胎。但是其实我们要知道的是,在形成过程中发,分子云往一点聚集时,是有动能的,在整个的过程中,分子云会相互碰撞,但整体是有一个角动量的,这其实也就是自转的原初动力。而其他的行星的形成也是类似的情况,唯一的区别是恒星由于自身质量巨大,最终点亮了核聚变反应。

那为什么天体都会一直转呢?

其实在宇宙中存在这许许多多的守恒定律,我们有能量守恒,质量守恒等等,还存在一款我们不提起的守恒,那就是角动量守恒。其实也很好理解这个守恒律,说白了,就是如果你转起来,只要没有外力干扰,你就可以一直转。

这种情况在花样滑冰场上其实是比较常见的,滑冰场上摩擦力的消耗相对较低,所以,一个运动转起来后,可以通过控制自己的形体,然后达到不同的绕转速度。

而我们所在的地球,实际上,可以近似看成一个没有任何干扰的系统,所以,绕转的速度基本上不会受到很大的影响。

真的可以一直转下去么?

实际上,地球的绕转速度是在减速的,它并不是完全没有干扰因素。这么说吧,其实月球以前转的速度也很快,只不过,然后在慢慢减速,减速到和绕地球公转的速度一致了。那都有哪些因素会干扰地球的自转速度呢?

一般来说,有这么两种情况:

  • 天外来物的撞击
  • 潮汐锁定

我们先来说第一种,

  • 天外来物的撞击

之前,我们其实是把地球近似看成了一个系统,那要破一个系统的守恒,其实只要引来外来的能量即可,最常见的就是小行星,陨石,彗星等的撞击了。

其实地球早期就遭受过大规模的小行星雨,但是这也没有给地球撞停下来,毕竟小行星相对于地球确实还是太小了。那为什么我们现在没有感觉到大规模的小行星雨呢?实际上,是因为有个大佬在保护我们,这位大佬就是木星,它利用自己的引力,挡住或者拐走了很多小行星。

  • 潮汐锁定

其实小行星撞击相对于第二种还算是比较猛烈的,不过第二种最终起到了决定性的作用。这是因为它一直都在给地球减速。那到底是什么在起这个作用呢?

我们都知道地球上有潮汐作用,那么问题来了,潮汐的能量是从哪来的?

其实是这样的,我们都知道月球和地球之间是存在的引力的。

而月球绕着地球转一圈是一个月,而地球自己转一圈是一天,这两差不多差了30倍之多。

在这个过程中,月球其实就一直在拖后腿,我们可以现象成一辆车在开,后面还拖着东西,如果不再加速,那速度一定会一直减慢。所以其实月球公转导致,地球在自转速度会减慢。那具体是如何消耗呢?

其实是发生在潮汐的过程中,海水和海水,海水和岩石,岩石和岩石的摩擦,还有岩石的形变都会消耗地球自转的能量的,最后都以热量的形式散失,然后地球就慢慢地减速下来。距今10年前,一天大概是10个小时,相当于当时的两天半等于现在的一天。而恐龙时代一天大概就只有20个小时左右,也就是说,地球实际上就是在一直减速的。

那地球会减速到什么程度呢?

其实也很简单,只要一个月等于一天了,也就是地球的自转等于月球的公转,不会拖后腿了。这时候地球和月球就相互潮汐锁定了,都是一面朝着对方。

那地球会一直这样下去么?

实际上,我们之前的分析是排除了太阳的引力因素,太阳引力也会对地球起到些微的减速作用,但效果远没有月球明显。其次,还有天外来客们的可能还会在地球被潮汐锁定进行对地球造成影响。

地球一直都在以高速自转,在赤道的自转速度大约是465米每秒,地球自转一周需要23.9344696小时,也就是一个地球日。地球和太阳系的其他行星一样,由于其形成的方式而自转,本质上是角动量守恒。

46亿年前,太阳系形成于氢云中,氢云中单个的原子,每一个粒子都有自己的动量。氢云的一个区域通过相互引力向内收缩。当这些原子在重力作用下相互粘在一起时,它们需要平均它们的动量。有可能会平均到0,但这几乎是不可能的,也就是说,会剩下一些。就像一个花样滑冰选手把胳膊缩进怀里后,会让自己旋转得更快一样,原始太阳系的平均粒子动量开始使它旋转得越来越快。

随着太阳系旋转得越来越快,它逐渐变平,形成一个巨大的旋转吸积盘。太阳在这个圆盘中心形成的,而太阳系中的其它物质都在更远的地方聚集在一起形成了行星、小行星、卫星和彗星。

地球是由环绕新生太阳圆盘旋转的气体和尘埃组成的,在这个旋转的圆盘中,灰尘和岩石碎片逐渐因为引力粘在一起形成了地球。地球从太阳系自身的整体运动中继承了自转,即组成地球所有粒子的角动量共同导致了地球的自转,在没有任何外力阻止时,惯性使地球旋转了数十亿年

在遥远的过去,一个大约有火星那么大的物体曾经与地球相撞,这次碰撞发生在太阳系形成后的三千万到五千万年间。由此产生的撞击减缓了地球的自转,并从行星表面喷射出大量物质形成月球。在这次碰撞之前,地球的自转速度要快得多,一地球日只有6个小时左右。此外,月球的引力以一种非常轻微的方式在使地球的自转减速,2016年发表在Proceedings of the Royal Society A上的一篇关于古代日食的分析显示,地球自转速度在一个世纪内减慢了1.78毫秒。

我们知道地球正在旋转,但是为什么呢?为什么它在旋转?为什么太阳系的一切都在旋转?为什么大部分都是在同一个方向旋转?

这不可能是巧合。从太空往下看地球,你会看到它在逆时针方向转动。太阳、火星和大多数行星也是如此。

45.4亿年前,我们的太阳系在氢云中形成,这与猎兔星云或鹰星云不同,因为这些氢云拥有无与伦比的创造性。

然后,它受到了一些冲击,比如来自附近超新星的冲击波,这就形成了一个冷气体区域,通过氢云间相互引力向内塌陷,当它坍塌时,云开始旋转。

但是为什么呢?

这是角动量守恒。想想氢云中的单个原子。当它在太洞中漂移时,每一个粒子都有它自己的动量。当这些原子在引力作用下相互碰撞时,它们需要平均它们的动量。可能完全平均到零真的不太可能。

也就是说,会有一些剩余的。就像一个花样滑冰运动员挽着胳膊更快地旋转一样,坍塌的初始太阳系以其平均的粒子动量开始旋转得越来越快。

这是角动量守恒定律。

随着太阳系的旋转速度加快,它变成了一个平平的圆盘,中间有一个凸起。在整个宇宙中,我们看到同样的结构:星系的形状,围绕快速旋转的黑洞,我们甚至在比萨饼餐厅看到它。

太阳是由圆盘中心的凸起形成的,而行星则是在更远的地方形成的。他们从太阳系本身的整体运动中继承了它们的旋转。

在几亿年的时间里,太阳系中的所有物质聚集在一起形成行星、小行星、卫星和彗星。然后,来自太阳的强大的辐射和太阳风清除了剩下的一切。

没有任何不平衡的力作用在它们身上,太阳和行星的惯性使它们旋转了数十亿年。它们将继续这样做,直到它们与某个物体相撞,在未来数十亿年甚至万亿年。

你还在想,为什么地球会自转?

地球自转是因为它形成于氢云的吸积盘中,氢云由于相互引力而崩塌,需要保持其角动量。由于惯性,它继续旋转。

它的方向与其他行星旋转方向是相同的,因为它们都是在几十亿年前在同一个太阳星云中形成的。

地球的自转也受月球的潮汐引力的影响。由于月球的存在,地球的自转速度正在以每年约1毫秒的速度减慢。过去,地球以更快的速度旋转,足以使恐龙在一天中长约22小时。

除了减缓地球自转外,月球的潮汐引力也使月球从地球缓慢地远离,每年的速度约为1毫米。在遥远的过去,月亮离我们更近了。它在我们的天空中会显得比现在大得多,几百万年后,地球上一天的周期可能会延长到25或26小时。人们将不得不再等一会儿,等待太阳升起。

俯仰君陪你解答科学问题

地球自形成之初就一直在自转,自转的源动力就是形成之初小行星的撞击。

地球是由小质量的岩石行星不断相互撞击汇聚形成的,就像滚雪球一样越滚越大,直到形成今天的地球的原型。

小行星在撞击地球时,其撞击方向并不是垂直于地表直接指向地心正面撞击。而是与地球表面有一定的夹角,这个撞击过程就给了地球自身一个切向的速度,使地球自转。

那么地球为什么可以一直自转呢?

我们都知道,一个运动的物体,如果想要让它停下来,就需要对它施加额外的与运动方向相反的力。

原始地球在小行星撞击下开始高速自转后,如果没有别的物体对它施加足够大的外力,那么它将一直自转下去

月球的刹车作用

地球形成之初,自转速度极快。高速的自转使其地质活动剧烈,火山遍地。

直到月球出现(有人说月球是被地球捕获的,有人说月球是从地球分离出来的)。由于月球引力的潮汐作用,地球上的海洋会在月球引力下对地球的自转形成阻力。地球的自转就这样渐渐慢了下来,以后还会越来越慢。月球也渐渐远离地球

这个作用相当缓慢,我们难以察觉。但在上亿年的时间尺度上,点滴作用累积起来的效果是相当可观的。史前的恐龙看到的月球比我们现在看到的月球更大,它们所经历的一天也比我们要少几个小时。

问题是太阳也在转,地球的动力来源于太阳

地球自转的动力来源来自哪里?为什么可以一直转?

如果通俗一点的解释,地球自转的能量来自于星云坍缩的引力势能,如果要追根究底,这个动力来自宇宙诞生的那一刻,未来地球也不会永远都转下,它在逐渐消耗自己的角动量,未来可能会越来越慢!

自转的角动量来自于引力势能

大家都这样解释,这并没有错,因为诞生太阳系的那一片“云彩”也诞生了地球,那片云彩为何会坍缩?这有两个可能,一个是可能受到了附近超新星爆发的冲击,或者局部质量超过了稳定质量的上限导致坍缩发生,天文学家比较倾向与前者,因为他们在太阳系古老的陨石上发现了超新星爆发才能留下的痕迹。

坍缩的星云为什么会旋转?这绝对是一个好问题,牛顿认为上帝推了它一把,当然这个解释不能令人信服,但我们知道,在坍缩过程中只有绝对理想的条件下才会直直落入质心,而现实往往不怎么理想,要不然怎么会发现那么多吸积盘呢?这表示当年诞生太阳系的星云也发生了和这些吸积盘一样的故事。

再往后就俗套了,扁平化了的吸积盘继续诞生中心的恒星,而在吸积盘面上的小吸积盘则诞生了行星,继承自这些旋转吸积盘的角动量,行星想不转都难。

追根究底,行星的角动量来自于宇宙诞生的那一刻

当然上文的解释并不能让大家都满意,有朋友会刨根到底,星云来自哪里?引力来自哪里?这都是鸡和蛋的问题,那么就交代下,引力和星云的来历。

相传宇宙诞生于一次大爆炸,当然天文学家也不是信口胡掐,从各方观测数据来看,无论是从哈勃常数的反馈,还是宇宙微波背景辐射,还有原初元素的丰度,目标都直指大爆炸,好吧,我们姑且信了天文学家的邪,毕竟暂时已经没有更好的理论了!

当大爆炸发生的第一个普朗克时间内,引力就诞生了,而到了10^-36S的时候引力子就退耦了,也就是说从此开始引力已经突破这锅大爆炸浓汤在空间中传播了。因此我们找到了引力的源头,随大爆炸而生。

到达10-6S时夸克和胶子结合形成了各种重子(包括质子和中子)

大约1S时,中微子退耦。

3分钟时,太初聚变诞生了氦元素、锂元素等原子核(当然肯定不会少了一个质子的氢元素原子核)

37.9万年时宇宙的温度下降到电子可以和原子核结合形成原子,元素真正诞生,光子也在这时脱耦得以在宇宙中自由欢快的奔跑。

从大爆炸各个时刻发生的“故事”来看,我们现在最擅长的手段光与电磁波的探测技术只能够着37.9万年光子脱耦的那一刻,也就是距离大爆炸还有4亿光年的位置,再往前,我们必须发展有效的中微子探测手段,可以到达大爆炸发生1S后的那一刻,如果用引力波,那也许可以直达大爆炸发生后10^-36S的那一刻,所以技术必须进步,否则就只能撞死在微波背景辐射上了。

从光子脱耦后,元素形成,未来为天体的诞生做好了准备,这就是诞生太阳系的星云来源,不过有一点要提醒下,太阳系星云并非原初星云,而是二次超新星爆发后的星云,这从重元素的丰度可以推测出来,但我们认为这个物质与引力都来自于最原始的大爆炸这一点并不会错。

地球正被逐渐耗尽角动量

听说月球是地球被忒亚撞击后的产物,早先地球自转速度很高,一天只有几个小时,各位会想象撞击减慢了速度吗?并不是,但撞击导致地球分裂,脱离部分形成的月球却称了地球的刹车。

月球围绕地球公转,两者引力会互相影响,月球对地球的引力引起了海洋的潮汐,地球的隆起等多种影响,而月球从地球自转减慢这个角度那个量守恒的上获得了能量,正在以每年3.8厘米的速度远离。

当然两者影响是相互的,地球对月球的影响则包括月球被地球潮汐锁定,即自转与公转周期一致!

另外一个影响地球自转的因素是地球自身,因为地球有一个液态内核,内外自转速度并不同步,这也是一个消耗地球角动量的去处,这道理很容易明白,比如一个生鸡蛋转动起来会比熟鸡蛋要更早停止,这就是液态内核的制动作用。

所以,地球得自转能量是有来源的,它也不会一直转下去,它会慢慢减速,因此它也不是永动机。未来的地球一天可能是25小时,甚至更久。

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