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潮汐锁定(或同步自转、受俘自转)发生在重力梯度使天体永远以同一面对着另一个天体;例如,月球永远以同一面朝向着地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间。这种同步自转导致一个半球固定不变的朝向伙伴。
这种潮汐锁定实际上在太阳系的天体里面是比较多的,比方说,太阳和水星之间,行星和卫星之间,太阳系外的其他的恒星和行星之间,都会有这样的潮汐锁定现象 。
简介通常,在给定的任何时间里,只有卫星会被所环绕的更大天体潮汐锁定,但是如果两个天体的物理性质和质量的差异都不大时,各自都会被对方潮汐锁定,这种情况就像冥王星与卡戎。这种效应被使用在一些人造卫星的稳定上。
我们在地球上为什么看不到月球的背面?是因为地球跟月球之间实现了潮汐锁定,这就像我跟你之间有一个吸引力,但是我前胸受到的吸引力跟后背受到的吸引力是不一样的,就会导致每天像是有人在牵扯我,慢慢会让我的自转和公转同步,所以在地球上,我们始终只能看得到月球的正面,看不到月球的背面。
但是,这种潮汐锁定实际上在太阳系的天体里面是比较多的,比方说,行星和卫星之间,太阳系外的其他的恒星和行星之间,都会有这样的潮汐锁定现象。月亮的引力会引起地球上每天两次涨潮,两次退潮,我们称之为潮汐。不仅地球上的海洋会有潮汐,其实地球上岩石圈每天也会起伏60厘米,这叫固体的潮汐 。
机制原理
在自转率的改变上,大的天体A将天体B潮汐锁定,需要A的引力在B的隆起的诱导下造成扭矩。
折叠潮汐隆起
A的引力对B造成潮汐力使得B的引力平衡受到扭曲,形状在朝向A的轴线方向上变得细长;相反的,在垂直A轴向的维度上略有减少。这种扭曲现象被称为潮汐隆起。当B未被潮汐锁定时,这个隆起会在表面旅行,两个高潮之一会在靠近A在正上方的一个点。对大型的天体而言,由于本身的重力,形状位接近球体,潮汐的扭曲会造成轻微的扁球体,也就是说一个沿着主轴方向轴对称的椭球体。较小的天体也会经历这种扭曲,但这些扭曲是不规则的。
折叠隆起拖曳
物体B对潮汐力引起的周期性的重塑会施全力 (Exertion) 的抵抗。事实上,有时候B需要一些时间来重塑重力的平衡,但在这段时间,A-B的轴向因为B的旋转已经改变,所以形成的隆起会与A-B轴向有一段距离。从太空中的w憷纯矗∑鹱罡叩愕姆较蛴胫赶駻的方向已经有了偏差。如果B的自转周期短于它的轨道周期,这个隆起将超前于A-B轴的指向;反过来如果B的自转周期较长,取而代之的是隆起将落后。
折叠结果的扭矩
由于隆起偏离了A-B轴指向的方向,A的引力将拉住这些质量而对B施加了扭矩。在面对A的隆起扭矩的作用在使B的自转符合轨道周期,但在"背面"的隆起是远离A的,因此起了相反的作用(维持自转的周期)。不过,朝向A这一侧的隆起比背面的隆起更靠近A大约相当于B的直径,所以会经历较强的引力和扭矩。来自这两个隆起扭矩的净效应,是永远朝向B的自转周期与轨道周期同步,也就是结果终将是潮汐锁定。
折叠轨道变化
A-B系统的总角动量在这个过程中是守恒的,所以当B减慢速度和失去角动量时,轨道的角动量会提升相似的量 (其中也有一些对A的自转造成较小的影响)。这样的结果是导致B在减缓自转速度时,相对于A的轨道会提升。而另一种情况,当B的自转速度太慢时,潮汐锁定的作用会使它的自转加速,同时使B的轨道降低。
折叠大天体的锁定
潮汐锁定的效应也会发生在大天体A上,只是因为B的体积较小,引力作用也较微弱,所以需要更长的时间才能将A潮汐锁定。例如,地球的自转就因为月球而逐渐减缓,从一些化石在地质时间上的推宜可以察觉其总量。对于大小相似的天体,这种效应 内容过长,仅展示头部和尾部部分文字预览,全文请查看图片预览。 星质量巨大,这些卫星内部受到木星潮汐力的作用,地质活动非常活跃。
(3)土星卫星在土星的卫星中,有十多颗卫星被潮汐锁定,比如土卫一、土卫二、土卫三、土卫四、土卫五等等
(4)冥王星冥王星的一颗卫星卡戎,直径是冥王星的一半,目前冥王星和卡戎已经相互潮汐锁定。
(5)地外行星在2017年11月16日,NASA发现一颗地外行星55 Cancri e,距离地球大约40光年,据研究研人员推测,这颗地外行星由于距离恒星太近,目前应该是被恒星潮汐锁定的。也就是这颗行星始终一面朝着太阳,另外一面背着太阳;模型计算表明,向阳一面温度高达2300摄氏度,背阳一面也高达1300摄氏度,根本不适合生命生存。
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