地球永远一面对着太阳?

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),这种现象就被称为潮汐锁定(tidal locking)。

即使是像月球这样的岩石星球,也毕竟不是绝对刚体,在地球的引力作用下会发生潮汐隆起(tidal bulges),只要月球的自转周期不等于公转周期,隆起的部分就会受到引力的拖曳,这个拖曳的扭矩日积月累,最终的效果就是让自转和公转同步。

潮汐锁定是小天体环绕大天体时普遍会发生的现象,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。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。

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?

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,并且还用模拟结果制作了动画。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。太阳直射点固定在西经88°,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) 。

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。最终,这些看上去温度适宜的地区将会变成沙漠。

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。

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。

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……

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。 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……

金星图像

经过处理后的金星图像,其表面被一层厚厚的云遮盖着。

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。

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……

Comments are closed.