月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

问:让月球不要飘走会有多难?

物理学家答:这种情况几乎无法避免

约45亿年前月球形成后,便不断远离地球。起初在天空中看到的月球要比现在的月球要大15倍,轨道也比现在的近15倍。其不断远离的趋势随着距离的增加快速衰减。今天,每年它仍以约4厘米的速度远离地球。

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

图解:地球上的涨潮(月球潮汐力引起的海水膨胀)是由地球自转引起的。这些额外的海水力量将月球向外推进一点点,使其加速并使轨道上升。

由月球引力引起的潮汐推动大量的海水,而这些海水,就像所有的物质一样,会产生引力。地球的自转方向与月球的运行方向相同,由于海水不会立刻流回原有的位置,涨潮的引力就会将月球向外推动一点点距离。这些多余的海水产生的引力近乎微不足道,然而这种引力却将月球不断加速向外推开。这种效应极其微小,因为在地球另一侧会出现一次几乎相同的涨潮,将其拉向靠近地球的轨道上。区别在于,靠近月球一侧的潮汐力更近一些,作用更强一点。

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在轨道上运动的物体一旦开始加速,其轨道就会变得更高(有趣的是,最终它会整体减速,只是更高更慢)。与此同时,潮汐力牵引着月球,月球的潮汐力也牵引着地球,使地球的自转减速。

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图解:使月球运行加速的效应相对地月之间的距离而言是很微小的力量(地球海面上高了几米的水牵引着月球)。这种整体效应是如此之小,以至于我们可以用不可思议但确实可行的操作来抵消它。

所以随着月球渐渐飘走,地球上的一天也会慢慢变长。根据珊瑚化石显示,就在5亿年前,一天还只有22个小时。珊瑚并不是天生的记录员,但它们却有每天和每年的生长周期和相应的生长环。45亿年前,在月球抵消掉那么多地球自转的惯性之前,地球上的一天只有6个小时。信不信由你(当时还没有珊瑚来默默地记录这一切)。所以月球正在慢慢飘走,结果就是我们地球上的人得以有时间去享用午餐和早午餐。

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

反光镜是由三面相互垂直的镜子组成的奇妙工具,可以将任何光线反射回光源,无论光线来自何方。如果有人用激光照射你,穿一套覆盖着反光镜的衣服可以让他很快付出代价。测量从美国和前苏联在1969年和1973年之间留在月球上的反光镜上反射回来的激光, 我们可以得到毫米级的地月距离数据,我们发现目前月亮是以每年大约4厘米的速度稳定地远离地球。

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图解:左图:月球测距项目的地球上的部分。右图:月球上的部分。最初的激光只有少量的光子能够从那个小正方形镜片组上反射回来,从而被重新探测到。所以左图并不是一个激光发射出去然后反射回来;而是有两束激光被同时发射出去。

如果有足够的时间,月球最终会完全逃逸。幸运的是,在大约50亿年之后,太阳将膨胀成红巨星,不过在这一切发生之前地球和月球就已毁灭。所以,没什么好担心的。

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然而如果我们想继续成为唯一一颗同时拥有日环食和日全食的行星(这是衡量行星例外主义的唯一客观标准),我们需要在未来几百万年内迅速采取行动,防止月球离我们更远。

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

图解:地球和我们的月亮,是目前已知唯一可见环食(上)与全食(下)的组合。发生月全食时,太阳被完全遮蔽,只有环绕四周的日冕可见。

从能量的角度讲,月亮的逃逸就像是一块石头滚落山坡。为了防止石头越滚越快,每一年都需要采取有效措施抵消月亮获得的能量,直到永远。与几乎所有其他星球规模的工程不同的是,“西西弗斯项目”(译者注:西西弗斯,古希腊神话人物,触犯众神,受到的惩罚为将一块巨石推上陡峭的山坡,巨石因为其重量会一次次滑落,因此他只能重复无尽的劳作,直至生命耗尽)并不是不可能的,只不过同样昂贵且没有意义罢了。

所有做圆周运动的物体都有角动量。假设月亮或卫星质量为m,以R为半径绕质量为M的行星运动,G为引力常量,那么其角动量为:

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

随着半径R不断增大(月亮逐渐远离地球),角动量L随之增大。为了阻止月球远离地球,必须采取措施抵消这种正相关来维持月球角动量不变。想要知道半径极小的变化(4厘米)会使L值改变多少,只需进行微分即可。这便是微积分的领域-在已知一个变量值发生微小改变时(dr),求另一变量相应变化(dL)。

离子推进器能提供比月球逃逸速度更快的速度,不然它们也不会被选来推动月球,顶多只是装饰用的喷泉罢了。它们也是最高效的空间推进方式,效率能够达到80%(译者注:内燃机,如汽车引擎,在30%-40%之间)。最强劲的推进器需要100kw的能量,产生大概5牛的力(差不多1磅)。

一台推进器工作一年可以为月球提供的角动量为

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

为了抵消月球每年所获得的能量,我们大概需要两千四百五十万台最为强劲的离子推进器,每台需要至少50m*50m的太阳能电池板来提供其所需的100kw能量(已考虑到能量利用率以及夜晚缺乏光照)。为了使月亮保持其轨道,这些推进器只需要人类目前每年生产的能量的六分之一。如果我们真的要付诸行动,解决这个问题需要全人类的努力,这将以微弱之势成为人类历史上规模最大的合作行动。

如果你居住在月球上,你可以竖立一尊直指向地球的雕像,永远不需要调整方向,因为月球的朝向相对地球而言是不变的。如果直指地球的雕像垂直于地面,那么它位于近面(显而易见的命名)的正中。同理,你也可以竖立一座直指月球逃逸方向的雕像。若雕像与地面垂直,那么它位于西面的中央,临近东海盆地。

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

图解:月亮的半球相。近面(左上)应该看上去很熟悉。月亮正逐渐由近面转向西半球(右下)。中央深色的坑就是东海盆地,同时也将是推进器的落脚处。

如果我们将所有的离子推进器以及其所需的电池与太阳能板安置在东海盆地,它们大概会占据盆地75%的面积。考虑到相应的道路与后勤设施,鲜有土地可以保持原貌。

每台推进器差不多需要一吨气体作为推进剂(氩气与氙气是常见的选择)-喷射方向即月球逃逸的方向,以此来抵消。西西弗斯项目中上百万台推进器产生的气体就像是彗星经过内太阳系时的彗尾,也就是说,在晴朗的夜空中,你将能看到月亮的左侧(对于南半球的读者来说是右侧)拖着一条又长又直的尾巴。

地球的大气可以提供足够的氩气(占大气的1%)来维持推进器运行二十亿年,因此我们有足够的时间在其耗尽之前寻找替代品。重型猎鹰运载火箭每次可以为约20台推进器携带推进剂,所以在找到更好的方案之前,我们可能需要几千台这种火箭将两千四百五十万台推进器所需要的氩气送至月球。

月球——每年4cm的旅行,那么阻止它漂移有多困难?

相比之下,在月球上建造并维护所有的设施会艰难许多。就地取材(框架需要的钢,太阳能电池板需要的硅)更加简单可行,这也会波及东海盆地之外所有的地方:月球会遍布深深的沟壑,那是我们开采矿物留下的痕迹。

数亿年内月球会渐渐远去,地球上不再能看到月全食,潮汐作用也会逐渐减弱。通过可行但难以想象的付出,我们能够确保月球不会飘走,我们的后代在几亿年内也能够欣赏到更加丰富的天象(假设他们的视力还能胜任)。千万年后,我们勉强称得上是人类的后代也许会咒骂我们留下了这等无聊的任务;十亿年后,我们肯定称不上是人类的后代可能会愤怒地朝我们挥动他们的触手。

不过,我觉得我们应该试试。

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. askamathematician- randolph carter&HPYULEMAR

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