地球永远一面对着太阳会怎样？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
地球永远一面对着太阳会怎样？
潮汐锁定 太阳 地球
本文作者:LePtC
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）。
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。
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
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]。
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[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（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） 。
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。
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。
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。
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……
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。
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……
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 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，甚至可以让月球像那样，绕L1点周期性运动，在宜居带实现周期性的昼夜更替。
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……）
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……
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。
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虐地球君狂人
总之，还是让我们庆幸这样的事情没有发生吧。
真o东方太阳红...
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全部评论(87)
总之，还是让我们庆幸这样的事情没有发生吧。
为什么夜半球是净蒸发呢？
真o东方太阳红...
虐地球君狂人
感谢果壳的刷屏图片
L1是不稳定平衡点，月球没有自带轨道调整功能的话，绕着它周期运动还行，稳在那一点上感觉不大可能啊？
阿狸的第一篇主题站文章吗？
物理学博士生
引用 的话：阿狸的第一篇主题站文章吗？写文章不能卖萌，好无聊啊~ _(:з」∠)_
引用 的话：写文章不能卖萌，好无聊啊~ _(:з」∠)_配图的太阳君挺萌的
物理学博士生
距离这个讨论贴已经过去三个星期了：拖延症的胜利 ... &_&
电子工程硕士
引用 的话：写文章不能卖萌，好无聊啊~ _(:з」∠)_萌王你真的憋坏了
引用 的话：距离这个讨论贴已经过去三个星期了：拖延症的胜利 ... &_&你还没在github上回我呢……
物理学博士生
引用 的话：为什么夜半球是净蒸发呢？水降不到夜半球，夜半球是下沉气流，所以气压高，风从夜半球吹向日半球，大量的水从晨昏线地区蒸发然后降到了向阳面...
科幻迷，天文爱好者，地质学研究生
其实很多解释我都略不能理解……包括夜半球没水这一点……以及晨昏线附近的风力竟然没有想象中的大……不过人家既然做了模拟就该听人家的……
金星温室效应那一部分没看懂
这是多好的科幻题材啊来自
引用 的话：总之，还是让我们庆幸这样的事情没有发生吧。看完你的话，说的不错。。。再看了看你的头像。。。你丫骗谁呢~~~！！！心里明明就是盼着早点发生吧！切~~孙子冰法~~哼哼哼~~~
总之，还是让我们庆幸这样的事情没有发生吧。
物理学博士生
引用 的话：其实很多解释我都略不能理解……包括夜半球没水这一点……以及晨昏线附近的风力竟然没有想象中的大……不过人家既然做了模拟就该听人家的……你可以把夜半球理解成现在的南极北极，向阳面理解成现在的热带雨林 ...
想起来流浪地球里第一步就是要停止地球自转来着……O_Ob
你试试煎蛋不翻面
这样可以大大发展此地区太阳能发电
引用 的话：想起来流浪地球里第一步就是要停止地球自转来着……O_Ob停止自转不等于潮汐锁定，还是有1年长的昼夜的，所以没那么可怕，更何况人都在地下来自
看到真实比例那张整个人都有点不好……
引用 的话：感谢果壳的刷屏图片我已经右键了
我们知道自己知道一些事，也知道自己不知道一些事。但有些事是你自己也不知道自己不知道的，只有通过实践才能清楚到底哪些事是自己原来不知道自己不知道的。
啊啊啊 啊啊好高兴赶上今天新出炉的热*，其实我是啊在找 “如果行星不自转只公转是否还有昼夜交替” 这个问题误入此地的，查了查才发现目前根本无法观测到无自转只有公转的行星，而且理论上也不太可能存在。题设不成立啊。
这个问题非常不现实！当地球只有一面对着太阳，那地球已经没有引力了！就会掉进黑洞，粉身碎骨，还会怎样？来自
工程力学专业，果壳SpaceX小组组长
原文只模拟了50年，可能再过几百年，情况又有很大差别吧。。
引用文章内容：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]。太阳成为红巨星，地球被太阳潮汐锁定——这两件事是存在因果关系，还是只是时间上的巧合？我觉得，潮汐锁定跟行星（子星、伴星）质量（引力）有关，跟主星的体积无关吧。。。
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这是因为太阳与地球的万有引力较小,刚好维持地球绕太阳的圆周运动,这时引力做功几乎为零,不至于将地球吸过去.而黑洞引力大,连光都逃不了,能把周围物质吞噬掉.
其他答案（共8个回答）
太阳与地球的相互吸引力F=GMm/r2(其中2为平方)地球围绕太阳公转需要向心力f=mv2/r(其中2为平方)--记得是"需要"而不是"产生"物理中没有离心力的,离心力是普遍人们生活中错误的认识所以地球公转过程中只有一个力存在就是万有引力.当Ｆ=ｆ时太阳与地球的相互吸引力成为地球围绕太阳公转需要向心力使地球维持原公转轨道运动.当Ｆ>ｆ时太阳与地球的相互吸引力的一部分成为地球围绕太阳公转需要向心力另一部分把地球吸引过去,在这过程r减少F要除r2持续增加比f只除r的持续增加的速度慢,把地球吸引到太阳的力不断减少最终Ｆ=ｆ即太阳与地球的相互吸引力成为r减少后地球围绕太阳公转需要的向心力使地球以新的公转轨道公转.如果F够大使得Ｆ=ｆ出现前r以为0地球才会被吃掉,F是否够大要看M和m了,f够大地球就不被吃掉,这就要看v.当F<f时太阳与地球的相互吸引力不能满足地球围绕太阳公转需要向心力使地球维持不了原公转轨道.地球就向外逃逸这过程r增大F持续增加比f持续增加慢地球的逃逸速度越来越快最终脱离太阳,这过程一旦开始除非地球公转速度由其他难以想象的原因而减慢速度或两者质量加大否则一定脱离太阳.以上地球也适用于太阳系里的行星.
月球的直径约为地球直径的3/11。月球表面积大约是地球表面面积的1/14，比亚洲面积稍小。月球的体积只相当于地球体积的1/49。月球质量约等于地球的1/81.3。月面上自由落体的重力加速度为1.62米/秒，为地球上表面重力加速度的1/6，所以同一种物质在地球上称得的重量是月球上称得的1重量的6倍。虽然月球比地球小，但是她的引力仍然可以影响地球海洋，而造成潮汐的现象，也才有涨潮、退潮、大潮、小潮的现象。”摘自科技之光
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