月球的形成与演进揭秘(2)

由于同样的原因，一批又一批地球火山喷射物或星子被驱离地球并传送至月球，使月球在40亿年中成为一个覆盖火山灰的大卫星。

另外，月球上的火山喷发也曾是驱动月球远离地球的原因之一。月球形成之初是一个冷却的均质球体，但随着月球质量和体积的不断增加，月球内部的热能不断积聚，包括月球高速旋转（速度接近7.9km/s）引起的气流摩擦产生的热能，月球自身引力收缩过程产生的热能，原始月球内部化学反应而产生的热能。正是由于月球原始热能积聚到一定程度，才使原始月球物质发生了熔融分异，形成了月球的不同圈层：月核，月幔核月壳。

月球早期的轨道离地球大气层很近，特别是月球正面（即靠近地球的那一面）有一大块表面浸泡在地球大气层中，因此月球从地球大气层中吸收了大量的水气，在月球表面形成了大面积的冰水覆盖区，月海由此产生。特别地，由于在月球高速环绕地球公转的过程中，月球表面会产生自东向西的气流或风暴，因此在月球西半球产生了“风暴洋”。现在科学家也已发现，月球两极地区仍然存在着大量的冰水物质。但是，在月球环地飞行过程中，月球东半球总处于头部位置，与空气的摩擦较剧烈，产生大量的热量，使东半球气温较高；加上月球东面始终面向太阳，也使其表面温度高于西半球。因此，月球东半球气温高于西半球，这就使东半球气流活跃，不容易凝结冰水，而西半球气温较低，容易凝结冰水，因此西半球覆盖着较多的冰水，这就是为什么西半球具有较多的月海。

由于冰水的长期侵蚀，许多地方的月壳破裂，当冰水进入月幔与炽热的岩浆接触时，水分立即气化，产生猛烈的火山喷发。由于西半球覆盖着较厚的冰水，因此西半球发生火山喷发的概率和强度高于东半球。总的来说，月球西面所受火山推动力大于东面所受火山推动力， 这就会使月球公转增速，发生变轨，从靠近地球的轨道逐渐转移到远离地球的轨道。关于这点可分如下两步来说明：

（1）月球公转增速引起月球轨道扩大

例如，假设起初月球质量为7.349e20kg，它运行在一个近似圆形的椭圆轨道上，近地点距离r1=8200km，远地点距离r2=8220km, 近地点处的公转速度VA2=7896m/s。根据式（7），用计算机可算出，欲使月球从原有的椭圆轨道变轨到远地点距离r3=r2+0.0002m的椭圆轨道，月球在近地点的公转速度应增加6.16869e-8m/s。当月球运行到近地点距离r1=200000km，远地点距离r2=220000km，近地点处的公转速度VA2=1412.48m/s的椭圆轨道上时，欲使月球从原有椭圆轨道变轨到远地点距离r3=r2+0.04m的椭圆轨道，月球在近地点的公转速度应增加6.11464e-8 m/s。可见卫星离地心越远变轨越容易。

一般地，如下图3(a) 所示，对于椭圆轨道2上的任一点D，假设D与地心之间的距离为r4，月球在D点的线速度为VD，则由开普勒第二定律可得

假设月球在D点受到推力作用得到加速，使VD变为V4，能使月球变轨到更大的椭圆轨道4。如果该椭圆轨道的近地点距离不变，则其远地点距离必增加。假设当月球在轨道2 的A点由速度VA2增大到VA4时，月球也可进入轨道4，则

即如果月球在轨道2 的A点发生ΔV的增速能使月球轨道的远地点距离增加，则月球在轨道2 的D点只需发生r1/r4ΔV（r1/rD<1）的增速就可以使月球轨道的远地点距离具有同样的增幅。由于D的任意性，可见由于月球增速引起月球轨道扩大的概率是很大的。

类似地，如图3(b)所示，对于从远地点B出发驶向近地点E的半椭圆轨道2上的任一点D，如果月球在D点受到推力作用而被加速，则能使月球变轨到近地点距离增加的轨道4。

（2）火山喷发改变月球公转速度

如前面图1所示，在月球绕地球公转的过程中，当月球上有火山口朝着与月球公转切线方向相反的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使月球获得巨大的动量，提高公转切向速度。因此，可参考火箭飞行原理来计算月球公转切向速度的增量。

设在某一瞬时t,月球质量为M，速度为v, 在其后t到 t+dt时间内，月球喷出了质量为dm的物质，这些物质喷离月球的速度为u，使月球的速度增加了dv，所以在时刻t+dt，月球的质量为M+dM，速度为v+dv，喷出物质的质量为dm（当dt很小时，比如当dt≤1秒时，可以认为这些物质此刻飞行在空中），速度为(v+dv-u). 由于月球在绕地球公转的过程中所受的外力仅有地球对月球的引力和月球绕地球旋转的离心力，两个力相互抵消，使外部合力为0, 因此根据动量守恒定理有

Mv=[M+dM](v+dv)+dm(v+dv-u)]

注意到dM=-dm，上式可化简为

dv=-u*dM/M

设在某一时刻ti，月球的质量为Mi，公转速度为vi，在其后ti到 tj时间内地球喷出了一些物质，到了时刻tj，地球剩余质量为Mj，公转速度变为vj， 则对上式积分可得:

设月球原有质量与第1秒火山喷发后剩余质量比为N1, 月球球剩余质量(包括落回月球的物质的质量)与第2秒火山喷发后剩余质量比为N2,…,以此类推. 设火山喷发前地球原有速度为v0，第i秒火山喷发射出物质的速度为ui, 第i秒火山喷发后地球获得的速度为vi, 则

v1-v0=u1ln(N1)，v2-v1=u2ln(N2)，v3-v2=u3ln(N3)，……，vk-vk-1=ukln(Nk)

一般可认为u1=u2=…=uk=u且N1=N2=…=Nk=N（其中u>0，N>0），于是

vk-v0=kuln(N)

在计算火山活动时，应该参照其他星球上的数据。地球历史上著名的维苏威火山持续喷发了10多个小时，每秒能喷出1.54321万吨碎石、熔岩、灰烬和气体。被人们誉为“地中海灯塔”的意大利斯通博利火山几乎连续喷发了至少100年之久。旅行者1号发现木卫一上的火山喷射速度可达1000m/s。

火山喷发还与地理位置有关系。由于月球西半球发生火山喷发的概率和强度都高于东半球，因此月球西面所受火山推动力大于东面所受火山推动力， 这就会使月球公转增速，发生远离地球的变轨。

由于月球上可能有多个火山口同时喷发，因此可以不过分地假设有一个火山群每秒喷物总量为1.54321e9kg（相当于1个维苏威火山口每秒的喷发量），而且火山喷射物质的速度为1000m/s,则经过1个小时的连续喷发，可使质量为7.349e20kg的月球公转增速7.59393e-8m/s。这个增速可以使月球从近地点距离r1=8200km和远地点距离r2=8220km的椭圆轨道变轨到远地点距离增加 0.033m的轨道上；也可以使质量为7.349e22的月球从近地点距离r1=200000km和远地点距离r2=220000km的轨道变轨到远地点距离增加 0.04m的轨道上。

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