资本家的福地——潮汐锁定的世界

导言

一颗被潮汐锁定的行星在其围绕恒星的轨道上始终保持同一个面朝恒星的方向。当行星绕自己的轴旋转的周期等于它绕恒星旋转的周期时，就会出现这种情况。即使自转周期和公转周期最初不同，但随着时间的推移，由于恒星的引力作用，行星上的潮汐会使自转周期和公转周期同步，这就是潮汐锁定（tidal-locking）一词的由来。当然，与其说是行星和恒星，还不如说是其它任何一对有引力束缚的天体，比如地球和月球。

月球始终保持同一个面朝向地球。这就是地球引力可能对月球造成的潮汐效应。随着时间的推移，月球的自转周期与其绕地球公转的周期变得同步。月球和太阳引起的潮汐也在减慢地球的自转速度，白天也在一天天延长。在非常遥远的未来，一天会变得更长，首先是一个月，当地球被月球潮汐锁定时，然后可能是一年，当地球成为一颗被潮汐锁定的行星，其自转周期等于绕太阳公转的周期时。通常情况下，在基于原子钟的标准计时中，必须增加一个闰秒，以与一天的缓慢延长保持同步。

潮汐锁定会对地球的生态系统产生一系列影响，因为昼面开始获得所有的阳光，而夜面则慢慢冻结。事实上，在这方面，我们想到的一个极其重要的问题是——在这样一个一面始终朝向太阳（温度远高于 100°C，即水的沸点），而另一面较暗（- 100°C，狂风呼啸）的星球上，生命能够维持下去吗？我们在这里不讨论极小的概率，甚至不讨论生命在这样一个行星系统上开始或演化的可能性。但是，假设生命真的形成并进化到更高的形式，生活在这样的星球上会是什么样子呢？我们可以换一种问法：如果我们被传送到这样一颗行星上，我们会期待过上什么样的生活。当然，这种星际旅行实际上是不可能的，它只能存在于我们的想象之中。

什么导致了潮汐锁定?

月球的引力在地球上的海洋中引起潮汐隆起，一般来说，在地球的两侧会有两个潮汐隆起。潮涌的出现是因为月球引力的不同。在靠近月球的地方，海洋受到的引力比地球中心大，因此会感受到更大的引力，海水被从地球拉向月球，从而在靠近月球的一侧产生隆起。另一方面，远侧的隆起是因为那里的水被拉向月球的力小于地球中心的力，因此那里的水相对远离地球中心。因此，随着地球的自转，地表上的某一点会在一天内经历两次潮汐。由于摩擦，地球的反应会出现延迟，导致潮汐隆起与地月轴线形成一个小角度。月球对潮汐隆起施加扭矩，使地球的自转减慢，从而延长了一天的时间。自从地球上第一次形成海洋以来，这种减速机制已经运行了数十亿年。有地质学和古生物学证据表明，在遥远的过去，地球自转得更快，月球离地球更近。潮汐节律岩是潮汐流量大的河口近海交替堆积的沙层和淤泥层。在这些沉积物中可以发现日、月和季节周期。地质记录显示，6.2 亿年前，一天为 21.9±0.4 小时，一年有 400±7 个太阳日。向后推算，在地球最初的十亿年中，一天的时间更短，一年可能有一千多天。当然，一年的实际持续时间并没有改变，只是天数减少了，每一天的持续时间随着时间的推移而变长。

我们每年有一到两次闰秒（6 月 30 日或 12 月 31 日）。每4万年，一天就会延长一秒。这看似不多，但如果按线性推算，就会变得非常可观。地球自转速度减慢导致昼长月短。地球潮汐隆起对月球产生的力矩导致月球轨道运动加速，使月球以平均每年约 2 厘米的速度远离地球。轨道的大小以这样一种方式发生变化，以保存系统的角动量。如果地球和月球仍然继续存在，到昼长等于月长时，月球的距离将最终增加到当前值的 1.35 倍左右，月球潮汐摩擦机制也将停止。届时，地球将与月球潮汐锁定。据预测，在未来数十亿年后，当日长和月长都等于大约 47 天（当前）时，这种情况就会发生。尽管太阳对地球潮汐的影响不及月球的一半，但太阳引起的潮汐仍然存在。最终，地球的自转周期可能会与绕太阳公转的周期相等。昼夜循环将停止，地球的一侧将永远面向太阳，而地球的另一侧将永远处于黑暗之中，地球将因此被太阳潮汐锁定。也许发生这种情况所需的时间太长了，在太阳变成红巨星之前，地球和月球可能会被太阳吞没。但是，我们仍然可以想象这种潮汐锁定发生的可能性，如果不发生在地球上，也可能发生在其它恒星周围的行星上。

潮汐锁定的行星在哪？

在太阳系中，除了月球之外，还有许多卫星与它们的主星潮汐锁定。冥王星和卡戎星都相互潮汐锁定。宇宙中的近双星预计也会相互潮汐锁定。一个不寻常的例子是 右摄提二（牧夫座τ，τ Boo，Tau Bootis），这是一颗被行星潮汐锁定的恒星。潮汐锁定所需的时间实际上取决于轨道距离、两个天体的质量以及轨道天体的延展性等因素。一般来说，距离较近的天体更容易发生潮汐锁定。对于围绕 M 型主序星（比太阳小）运行的行星来说，行星潮汐锁定的区域与所谓的宜居带重叠，在宜居带中，水可以作为液体保留在行星表面。对于这样的恒星，我们预计宜居带中的很多行星都会被潮汐锁定。

我们现在知道其它恒星周围也有行星系统，已经发现了大约一千颗这样的系外行星。有证据表明，其中一些系外行星与伴星潮汐锁定。格利泽 581 g（Zarmina）是一颗太阳系外行星，围绕着格利泽 581（Gliese 581），这是一颗M3V红矮星，距离地球约20.5光年，位于天秤座。这颗行星位于母恒星的宜居带附近，存在液态水的可能性很大，曾被认为是最像地球的行星，也是当年发现的有可能孕育生命的最佳系外行星候选者。在这样一颗行星上可能存在有限的生命。然而，格利泽 581 g被恒星潮汐锁定。潮汐锁定行星的直接缺点是显而易见的。行星的一侧会变热，而另一侧则会结冰，从而对行星的大气系统造成严重破坏。

潮汐锁定行星的大气系统

在一颗潮汐锁定的行星上，有一个区域始终靠近恒星。这个区域被称为日下点（substellar point），它持续接受更多的阳光直射，因此也会产生更多的热量。一侧的水可能是水蒸气，而另一侧的水可能冻结成冰。行星一侧持续的强烈加热会改变甚至控制行星的风化程度，从而导致显著甚至不稳定的气候变化。这些剧烈的气候影响可能会使一颗原本有可能孕育生命的行星变得不适合人类居住。一颗被潮汐锁定的行星上不稳定的气候可能会产生失控的温室效应，导致大气层像金星一样。

这不仅仅是极端温度的问题。由于长期得不到恒星的热量，夜面的大气首先会变成密度更大的气体，然后凝结成液体，也许还会进一步凝结成固体。与此同时，持续暴露在光线下的空气，或者被持续暴露在光线下的加热的地面空气——会升温膨胀。虽然行星夜面的大气是否会变成固态值得怀疑，但它肯定会不断凝结，并留下真空，从另一面吸入膨胀的热空气。这可能会造成大气循环，使行星宜居，但也会导致地狱般的风暴，因为行星昼夜两面的大气基本上会不断交换。大气层的存在有助于热量在整个行星上的分布，使温度均衡。但是，潮汐锁定可能会导致巨大的气候变化，这一结果可能会威胁到这些行星表面的生命进化。行星的远侧将是寒冷的，因为它永远看不到恒星。它唯一的温暖的来源将是来自行星较温暖部分的风。如果没有热量从热的一侧传到冷的一侧，那么我们可以预计冷的一侧的温度会低于-100 °C，而热的一侧的温度会超过 100 °C。但是，如果行星上有大气层，那么它就会把热量从热的一侧传到冷的一侧，这可能会使温差变得更加温和。

也许在昼夜区域的边界附近可以找到一些液态的水，人们可以期待某种水循环，比如冰川被不断的从昼面吹来的暖空气融化，融化的水汇成巨大的河流流向昼面，在那里蒸发并循环到夜面变成雪。

被潮汐锁定的行星上能维持生命吗？

考虑一下在一颗被恒星潮汐锁定的行星上的人们的生活会是怎样的，在这颗行星上，一边永远是明亮和滚烫的，另一边永远是黑暗和冰冷的。行星白昼的一面将被剥去海洋，终日面对燃烧的恒星和炙热的狂风，而黑暗的一面则被冰冻的海洋覆盖，刺骨的寒风终日呼啸。在这样一个荒凉的世界里，生命将很难维持。根据距离日下点的远近，会有不同的气候区，呈同心环状。在中心，可能会有炙热的沙漠，但在距离日下点更远的地方，随着恒星在天空中的位置越来越低，气候会逐渐变得凉爽。行星上不同的地方要么是白天，要么是黑夜，甚至在两者之间的地区会出现黄昏。然而，在特定的地方，不会发生从白天到黑夜或从黑夜到白天的变化。

如果生命能够在这样的星球上挣扎，也将是非常艰难的，或许只能在地下生存。更有可能的是，在两边之间的环形地带—— “晨昏圈”可能是生命进化和繁衍的地方。在这个环绕行星的晨昏圈中，恒星将长期低垂在地平线附近，或者恒星圆盘部分露出地平线，由于散射光的缘故，天空呈现出五彩缤纷的红色和黄色。然而，一侧的热量会导致空气上升，形成低压系统，而另一侧的冷量会导致空气下沉，形成高压系统。这将导致行星经历持续而剧烈的空气循环，或者说，或者本质上是一场席卷全球的飓风。持续的空气循环实际上会使温度广泛循环，极端温度也会随之减轻。巨大的河流从寒冷的一侧穿越到炎热的一侧，水循环可能会使在那里生命成为可能。

一个重要的问题是时间概念。没有昼夜循环，就很难有时间概念。在地球上，我们从一出生就注意到自然界的许多现象都是重复的。这是由于我们最基本的自然时钟，即地球的自转，导致太阳的升起和落下，从而产生了不同的光明和黑暗时期。所有人类和动物的生命都相应地进化，在白天保持清醒，在黑夜则沉睡不醒。就连植物也遵循每天的节律。当然，也有一些狡猾的生物利用黑暗变成了夜行动物，例如猛兽、吸血蚊子、小偷和窃贼，当然还有天文学家。

至少，在潮汐锁定的行星上可能没有天文学家，因为星空可能不为人知（除了一些敢于深入行星永夜面的冒险家传言）。宇宙的秘密——行星、恒星、银河系、其它星系——所有这些宇宙奥秘可能非常难以解开，甚至根本不可能解开。试想一下，我们人类花了数千年的时间才发现，几颗“游荡的星星”就是我们附近的天体（行星），而这一切发生的时候，大多数地方每天大约有一半的时间（夜晚）是可以看到星空的。一颗被潮汐锁定的行星上的居民，当他们永恒的“炎热的夏日下午”永远不会变成凉爽和黑暗的夜晚时，他们又怎么会知道呢？

被潮汐锁定行星上居民的 “一天”生活

在地球上，早期人类注意到，在一定时期内，季节会按照几乎固定的模式发生变化。在热带附近——例如印度的大部分地区——炎热的季节被暴雨取代，接着是几个月的严寒，然后是几个月的宜人天气，然后炎热再次降临；这种重复循环的时间段定义为一年。我们可以想象，在一个潮汐锁定的地球上是没有四季的。日照量的唯一变化来自于地球轨道略微椭圆导致的与太阳距离的微小变化。当然，如果地轴不倾斜于黄道，情况也会如此。

因此，有人会问，如果一颗潮汐锁定的行星的转轴线像地球一样倾斜于它的轨道平面，那么还会有四季吗？虽然在这样的世界上不会有昼夜循环，但如果行星的轴线倾斜到围绕恒星的轨道面上，温度的变化就会随着恒星在地平线上的高度而循环。对于这颗被潮汐锁定的行星上的居民来说，这个周期将是最自然的时钟，从而定义了这颗行星上的白昼，调节着这颗行星上居民的日常生命周期。那么，一个“早晨”将从寒冷的冬天开始，接着是怡人的春天，然后是炎热的夏天午后，秋天在傍晚降临，紧接着又是一个冬天的早晨，开始下一个（长达一年的）白天。根据纬度的不同，中间可能会有一个完全漆黑的夜晚，也可能永远没有夜晚。

当然，根据宜居带的宽度，随着一天天过去，温度也会发生变化，可能比我们在地球上习惯的四季变化要大得多。为了躲避不断升高的热量或即将到来的寒冷，人们将被迫根据一天中的不同时间向永夜或永昼的一面迁移，根据温度的变化、行星的大小和晨昏圈的宽度，可能会迁移数百或数千公里。我们在地球上有昼夜周期，有工作或睡眠时间。由于没有昼夜循环，这颗被潮汐锁定的行星上的居民可能不会把睡眠作为他们日常生活的必要组成部分。即使在地球上，也许也有许多物种，如蚂蚁，从不睡觉，不停地工作。也许潮汐锁定行星的居民也会终生不停地工作，从一个地方迁徙到另一个地方，没有停歇。请放心，在这样的行星上，可能一整天都不会休息。没有昼夜循环，没有睡眠和睡醒时间，没有办公室或学校的日常作息时间，周末也很悠闲，可能几乎没有任何娱乐活动，再加上从一个地方迁移到另一个地方的烦劳，这种生活对我们今天的地球人来说可能听起来枯燥乏味，但对潮汐锁定行星上的居民来说可能听起来并不那么无聊，因为他们是在一个非常不同的系统中进化而来的，有着非常不同的“生活方式”。