地球科学进展, 2021, 36(5): 472-479 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.048

综述与评述

潮汐摩擦对月球轨道与地球自转影响的研究综述

刘清超,1, 陈晓东1,2, 徐建桥,1, 孙和平1,2

1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室,湖北 武汉 430077

2.中国科学院大学,北京 100049

Review on the Effect of Tidal Friction on the Lunar Orbit and the Earth's Rotation

LIU Qingchao,1, CHEN Xiaodong1,2, XU Jianqiao,1, SUN Heping1,2

1.State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics,Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者: 徐建桥(1965-),男,湖北红安人,研究员,主要从事固体地球潮汐和地球动力学方面的研究工作. E-mail:xujq@asch.whigg.ac.cn

收稿日期: 2020-12-28   修回日期: 2021-04-16   网络出版日期: 2021-06-18

基金资助: 中国科学院战略性先导科技专项(B类)“类地行星的形成演化及其宜居性”.  XDB41000000
国家自然科学基金面上项目“月球固体潮理论推导及其数值计算”.  41974023

Corresponding authors: XU Jianqiao (1965-), male, Hongan City, Hubei Province, Professor. Research areas include solid earth tide and geodynamics. E-mail:xujq@asch.whigg.ac.cn

Received: 2020-12-28   Revised: 2021-04-16   Online: 2021-06-18

作者简介 About authors

刘清超(1990-),男,山东德州人,博士后,主要从事地球重力场资料分析及其在地球动力学中的应用.E-mail:liuqch1990@163.com

LIUQingchao(1990-),male,DezhouCity,ShandongProvince,Postdoctor.Researchareasincludetheanalysisofearthgravityfielddataanditsapplicationingeodynamics.E-mail:liuqch1990@163.com

摘要

潮汐摩擦导致月球轨道和地球自转产生长期变化,精密确定这些参数对了解地月系统的演化至关重要。阐述了求解这些参数的理论方法,回顾并对比了利用天文观测、近地卫星、数值潮汐模型和月球激光测距等资料的分析结果,发现近地卫星和月球激光测距数据比天文观测资料精度高,但可提供数据跨度较短。随观测资料的积累,可提供更可靠的月球轨道和地球自转的长期变化信息,提高对地月空间环境变化的认知。

关键词: 潮汐摩擦 ; 月球轨道 ; 地球自转 ; 潮汐加速度

Abstract

Tidal friction leads to secular changes of lunar orbit and Earth's rotation. It is very important to accurately determine these parameters for understanding the evolution of the Earth-Moon system. The theoretical methods for solving these parameters are described. The analysis results of astronomical observations, low-Earth-orbit satellites observations, numerical tide models and Lunar Laser Range(LLR) data are reviewed and compared. It is found that low-Earth-orbit satellites and LLR data are more accurate than astronomical data, but the data span is shorter. With the accumulation of observational data, it can provide more reliable information about the long-term changes of the Lunar orbit and the Earth's rotation, improving the cognition of the changes of Earth-Moon space environment.

Keywords: Tidal friction ; Lunar orbit ; Earth's rotation ; Tidal acceleration

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本文引用格式

刘清超, 陈晓东, 徐建桥, 孙和平. 潮汐摩擦对月球轨道与地球自转影响的研究综述. 地球科学进展[J], 2021, 36(5): 472-479 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.048

LIU Qingchao, CHEN Xiaodong, XU Jianqiao, SUN Heping. Review on the Effect of Tidal Friction on the Lunar Orbit and the Earth's Rotation. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(5): 472-479 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.048

1 引 言

天体由于引潮力而产生周期性形变,但由于内摩擦作用,形变的产生需要一段延迟的过程而导致一个附加力矩作用在天体上,这种现象称之为潮汐摩擦1。以地月系统为例,如果摩擦伴随于形变,地球自转使得潮汐隆起位置前置,即地球上的最大潮汐形变(隆起)并不是发生在地心和月心的连线上(图1)。地月之间的引力关于其中心连线不对称,因而产生一个力矩作用在地球上,一个大小相等方向相反的力矩作用在月球上。力矩的一部分倾向于使地球自转减速,此时地球自转的部分角动量和动量转移到月球上,从而使月球角速度超过轨道运行速度,造成月球远离地球,即月球轨道的半长轴增大,而且也会使偏心率发生变化。此外,由于月球并不是在地球的赤道平面运行,因此,一部分力矩使月球的轨道倾角和地球自转轴倾角等产生变化1~5

图1

图1   潮汐摩擦示意图

箭头表示地球自转或月球轨道运动方向;虚线表示无摩擦时的月球位置,而实线表示有摩擦时的月球位置

Fig.1   The diagram of tidal friction

Arrows indicate the direction of the earth's rotation or Lunar orbit. Solid line indicates the position of the moon when there is no friction, while dotted line indicates the position of the moon when there is friction


潮汐摩擦一直是地球物理、天文和海洋学等领域非常感兴趣的课题。Darwin6首次在理论上讨论了潮汐摩擦对行星—卫星系统运动的影响;随后Urey等7、MacDonald1和Goldreich8等对其理论进行了扩展,考虑了地球椭率和太阳潮汐等影响。而计算潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化的实测资料有:日月食等天文观测资料910、近地卫星轨道扰动资料411和月球激光测距(Lunar Laser Ranging,LLR)数据1213等。此外还可以利用固体地球潮汐模型和海洋潮汐模型确定潮汐摩擦对月球轨道运动和地球自转的影响,可参见参考文献[14]。

随着我国“深地、深海、深空”战略和探月工程的实施15,对地月空间环境变化的认知变得尤为重要。地月空间环境的长期变化深刻影响着人类的居住环境,对人类文明的延续也至关重要,而潮汐摩擦在此长期变化中起主导作用。同时,月球相关研究是整个太阳系研究的奠基石。因此,精确确定潮汐摩擦对月球轨道变化的影响,可为理解月球的起源及其动力学演化过程提供重要参考;而且精密测定潮汐摩擦对地球自转产生的潮汐加速度,可为研究地球自转的非潮汐变化(例如冰后回弹效应,核幔电磁耦合等)提供重要信息,进而为宇宙学理论和地球物理学模型提供重要参考4

因此,本文在理论和实际观测资料分析两个方面回顾了潮汐摩擦对月球轨道和地球自转的影响,并进行了简要讨论。

2 潮汐摩擦理论

正如上文所述,天体之间存在着潮汐摩擦,本部分以地月系统为例阐述潮汐摩擦理论。假定地月系统不受外力影响,那该系统的角动量和动量是守恒的。地月绕其质心的轨道运动的角动量H516

H=mEmLmE+mLr2f˙=mEmLmE+mLa21-e212n

式中:mEmL分别为地球和月球的质量,r为向径,f为月球运动的真近地点,f上的“·”表示对时间的导数,aen分别表示月球轨道的半长轴、偏心率和平均运动角速度。平行于地球自转轴的分量是Hcosi,其中i表示月球轨道面相对于赤道面的倾角。

地球自转对应的角动量HE为:

HE=CΩ

式中:Ω为地球自转角速度,C表示地球极惯性矩。由于月球自转角动量相对于地球角动量小得多,可忽略。日地月系统的角动量守恒可得:

Hcosi+CΩ=

如果CmEmL不随时间变化,可推导得出地球自转的潮汐加速度Ω˙T为:

Ω˙T=1CmEmLmE+mLna2×13ncosidndt+ecosidedt+sinididt

式中:月球轨道平均经度的潮汐加速度dndt,月球轨道偏心率的变化率dedt和月球轨道倾角的变化率didt,可以根据潮汐位和拉格朗日行星运动方程确定。

假定月球的球坐标为rLrLφLλL),在rrφλ)处产生的固体潮汐附加位ΔUr如下17

ΔUr=GmLrLl=2klRrLlRrl+1
×m=0l2-δ0ml-m!l+m!
×PlmsinφPlmsinφLcosmλ-λL

式中:G为万有引力常数;lm分别为阶和次,kl为勒夫数;R为地球半径;Plm为连带勒让德函数;当m=0时,δ0m=1,否则δ0m=0。

考虑到地球的非弹性响应,且将月球的位置坐标表示为开普勒轨道六参数aeiωΩM',将扰动位的位置坐标表示为开普勒轨道六参数a1e1i1ω1Ω1M'1公式(5)变为:

ΔUr=l=2m=0lp=0lq=-j=0lg=-ΔUlmpqjg

其中:

ΔUlmpqjg=klRaLlRa1l+1GmLaL2-δ0ml-m!l+m!Flmpi×Flmji1GlpqeGljge1cosvlmpqL-vlmjg+εlmpq

式中:Flmpi)和Flmji1)分别为sini和sini1的多项式,Gljge)和Glpqe1)分别为ee1的多项式,vlmpqLvlmjgεlmpq是开普勒轨道参数相关的角度,具体参见参考文献[4]。

将扰动位[公式(6)和(7)]代入到拉格朗日行星运动方程18,可得到月球轨道半长轴、偏心率和倾角的变化率为:

dadtlmpq=2KlmFlmpi2Glpqe2l-2p+qsinεlmpqdedtlmpq=Klm1-e212aeFlmpi2Glpqe2                 × 1-e212l-2p+q-l-2psinεlmpqdidtlmpq=Klml-2pcosi-ma1-e212sini                 × Flmpi2Glpqe2sinεlmpq

其中:

Klm=GmLklGmE+mLa12Ra2l+1l-m!l+m!2-δ0m

根据开普勒第三定律,可得轨道平均经度的潮汐加速度为:

dndtlmpq=-32nlmpqalmpqdadtlmpq

海洋对应的扰动位如下4

ΔUβ=4πGR2aρws=1t=0s+-u=0sv=-1+ks'2s+1Ras
×Dβ,st±FstuiGsuvecos±sins-t odds-t evenγβ, stuv±

其中:

γβ, stuv±=2πfβT-εβ, st±±vstuv

将扰动位[公式(11)和(12)]代入到拉格朗日行星运动方程可得:

dadtβ,stuv=aKβ,stuv's-2u+vsincoss-t odds-t evenεβ,st+dedtβ,stuv=Kβ,stuv'1-e212ae1-e212s-2u+v-s-2u                 × sincoss-t odds-t evenεβ,st+didtβ,stuv=Kβ,stuv's-2ucosi-tasini1-e212sincoss-t odds-t evenεβ,st+

其中:

Kβ,stuv'=3GmEFstuiGsuveRGmE+mLa121+ks'2s+1ρwρ¯RasDβ.st+

式中:ρ¯为地球平均密度。

根据近地卫星、LLR、数值潮汐模型等获得的潮汐参数可直接代入公式(8)、(9)、(13)和(14)确定潮汐摩擦对月球轨道的影响,然后根据公式(4)可获得潮汐摩擦引起的地球自转潮汐加速度。而实际上,还需考虑太阳潮汐的影响,类似于上述计算过程。

3 潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化

目前,用于确定潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化的资料包括,天文观测、近地卫星轨道扰动、LLR和潮汐韵律等。此外,还可以根据潮汐模型来确定月球轨道和地球自转的长期变化。具体研究结果如下。

3.1 天文观测确定的潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化

人类在很早之前就注意到日食、月食和水星凌日等天文现象并将其记录下来。早在1695年,Halley19是第一个利用古代日食现象的现代分析家,他对比了那个时代的月球观测与古日食推算出的月球位置,发现了所谓的月球经度的长期加速现象。这是因为人们观测到的位置是参考于世界时尺度(不均匀的地球自转),而计算的位置是基于引力理论(假设时间尺度均匀),两者之间存在差异,除观测与记录的误差外,还与地球的不规则自转及潮汐摩擦引起的天体的长期加速度有关,由此,这些天文现象可用于确定地球自转长期加速度(dωE/dt)和月球轨道平均经度的长期加速度(dn/dt),详细过程参见参考文献[4]。

在18世纪和19世纪,许多学者通过观测古代的日食来确定月球的视加速度。基于1680年起望远镜观测的月掩星、太阳经度和水星凌日等资料,Spencer10给出的dn/dt值为-22.4 ''/cent2。而Morrison20基于1955—1972年的月掩星观测资料,获得的dn/dt值为(-42±6) ''/cent2,dωE/dt值为-830 ''/cent2。Morrison等21重新分析了1677—1973年的水星凌日观测资料,并对水星和太阳的一些轨道参数作了修正,估计的dn/dt最可能值为(-26±2) ''/cent2。Muller22基于公元前1374—1715年的日食记录确定的dn/dt值为(-30.0±3.0) ''/cent2,dωE/dt值为(-1 070±50) ''/cent2。Stephenson等23利用公元前700年至1600年的日月食资料确定的dωE/dt为 (-924±20) ''/cent2。Morrison等24利用3次样条曲线拟合公元前720年至1605年的日食观测与计算的时间差,进而确定的dωE/dt为(-986±40) ''/cent2。2016年,Stephenson等9对公元前720年至公元1600年古代和中世纪的日食与1600—2015年的月掩星记录的新汇编进行了分析,确定的dωE/dt为 (-965±20) ''/cent2

表1总结了上述利用天文资料确定的dn/dt和dωE/dt值,可以看出,不同研究的估计值之间的差异超过其不确定度,说明原始的天文观测资料精度比较低,也可能个别观测值存在粗差,那么合理的选取天文观测资料对精密测定dn/dt和dωE/dt值至关重要。与LLR和人造卫星观测数据(见下文3.2和3.3部分)相比,虽然精度较低,但由于本文的关注点是潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转的长期加速度,说明其优势是数据跨度比较大。

表1   天文观测确定的月球轨道长期加速度和地球自转长期加速度

Table 1  The secular acceleration of Lunar orbit and Earth's rotation derived from astronomical observations

参考文献dn/dt(''/cent2dωE/dt(''/cent2天文数据
9--965±20

日食(公元前720年至公元1600年)

月掩星(1600—2015年)

10-22.4-

月掩星(1681—1936年)

太阳经度(1761—1935年)

水星凌日(1677—1927年)

20-42±6-830月掩星(1955—1972年)
21-26±2-水星凌日(1677—1973年)
22-30.0±3.0-1 070±50日食(公元前1374年至公元1715年)
23--924±20日月食(公元前700年至公元1600年)
24--986±40日食(公元前720年至公元1605年)

注:表中“-”表示无估计值

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3.2 近地卫星确定的潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化

固体地球和海洋潮汐形变可使近地卫星轨道产生扰动,因此,分析该扰动可以得到相应的潮汐参数。Lambeck416已证明,根据卫星轨道分析或从数值模型得到的潮汐参数可计算出月球轨道参数的变化,可见本文第2部分。

Cazenave等25根据Starlette卫星(由法国于1975年发射)轨道数据分析得出M2海洋潮汐参数,由此得出dn/dt为(-21.32±1.25) ''/cent2,此外,他们还利用Cazenave等26和Felsentreger等27估计的M2潮汐参数推导了dn/dt值,具体数值结果如表2所列。随后,Cazenave28基于Starlette卫星轨道分析M2潮汐参数的最新结果,得到dn/dt的加权平均值为(21.9±1.6) ''/cent2,此外,还计算了潮汐O1和N2对dn/dt的贡献,确定3个潮汐的总贡献值为-26.26 ''/cent2。Christodoulidis等11基于17颗近地卫星的跟踪观测(主要是激光)精密确定了包含32个潮汐参数的地球模型GEM-T1,推导出dn/dt为(-25.27±0.61) ''/cent2,其中M2潮的贡献为(20.2±0.4) ''/cent2,相应的dωE/dt值为(1 228±45) ''/cent2。Cheng等29根据31颗卫星确定的海洋潮汐解,GEM-T230、PTGF4A31、PEGM-6932和Starlette33,推导出dn/dt的平均值为(-25.25±0.4) ''/cent2

表2   近地卫星确定的月球轨道长期加速度

Table 2  The secular acceleration of the Lunar orbit derived from close Earth satellites

参考文献dn/dt(''/cent2近地卫星
11

20.2±0.4a

-25.27±0.61

Starlette, Geos1-3, Seasat等(共17颗)
25-21.32±1.25aStarlette
26-25.0aTransit和Geos1
2721.9±2.5aTransit, Geos3和Starlette
2821.9±1.6aStarlette
29-25.25±0.4Transit, Geos1-3, Starlette和Seasat等(共31颗)

注:a代表M2潮对月球潮汐加速度的贡献

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表2总结了上述近地卫星轨道扰动数据确定的dn/dt值,可以看出除了Cazenave等26之外,其他研究确定的M2潮对dn/dt贡献的最大差异为1.7 ''/cent2,但令人满意的是Christodoulidis等11与Cheng等29推导出的dn/dt值的差异仅为0.07 ''/cent2,小于其不确定度,表明随着近地卫星观测资料的积累可以得到dn/dt的可靠值。

3.3 数值潮汐模型确定的潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化

由于固体地球潮汐和海洋潮汐的频率相同,上一节的轨道扰动不能将二者分离。因此,为了将两者对月球轨道和地球自转的影响分开,必须依赖于高精度的数值潮汐模型。

Cazenave等25基于Estes34、Accad等35、Schwiderski36和Parke等37公布的数值海潮模型中M2潮波的潮汐参数,计算了其对月球轨道潮汐加速度的贡献值,具体数值结果如表3所列。随着人们对海洋认识的提高,以及观测数据的积累,出现了一系列的数值潮汐模型38。Williams等14基于Petit等39的固体地球模型以及FES2004海潮模型40研究了其对月球轨道运动和地球自转的影响,得到结果如下:周日潮波对dωE/dt的贡献为-189 ''/cent2,半周日潮波的对应值为-1 136 ''/cent2,两者总和为-1 325 ''/cent2;对于dn/dt,带状潮的贡献为+0.15 ''/cent2,周日潮的贡献为-3.74 ''/cent2,半周日潮的贡献为-22.83 ''/cent2(其中M2潮的贡献为-21.15 ''/cent2),总贡献为-26.42 ''/cent2

表3   数值潮汐模型确定的M2潮对月球轨道加速度的贡献

Table 3  The contribution of the M2 tide determined by the numerical tide model to the Lunar orbit acceleration

参考文献dn/dt(''/cent2潮汐模型
14-21.15固体潮+海潮
34-23.0海潮
35-19.9海潮
36-15.0海潮
37-18.0海潮

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表3可以看出,早期的潮汐模型确定的M2潮对dn/dt贡献的离散度较大,但随着数值潮汐模型精度的提高,Williams等14的确定值与上述近地卫星推导的相应值具有很好的一致性。可预见根据高精度的数值海潮模型和近地卫星观测资料能够把海潮和固体潮对dn/dt的贡献分离开。

3.4 LLR确定的潮汐摩擦引起的月球轨道和地球自转长期变化

LLR实验开始于19世纪60年代晚期,一直是确定月球轨道最精确的技术,测定地月往返距离的精度在1971年前为30~45 cm,在安装新的校准系统后提高到10~20 cm,随后提高到厘米级,最近提高到毫米级1241~43

随着观测数据的积累,Calame等44利用1969—1976年的LLR观测资料同时求解了月球潮汐加速度、地球上天文台坐标、月球上反射器坐标和描述地月系统的相关系数等,确定的dn/dt为 (-24.6±5) ''/cent2表4)。此后,随着LLR数据的积累和观测精度的提高,以及潮汐模型的改进,出现了大量利用LLR数据求解潮汐摩擦对月球轨道和地球自转影响的研究212~1445~48。使用的潮汐模型按复杂程度分为3类:利用一组勒夫数和相位滞后表示潮汐;分别用一组勒夫数和相位滞后表示周日、半周日和长周期潮汐;的基础上加入两个参数,允许周日和半周日潮汐的时间延迟随频率变化。

表4   LLR确定的月球轨道和地球自转的潮汐加速度

Table 4  The tidal acceleration of the Lunar orbit and Earth's rotation derived from LLR

参考文献dn/dt/(''/cent2da/dt/(cm/a)dωE/dt/(''/cent2LLR观测时段
13-25.88±0.53.82±0.07-1969—1993年
14-25.97±0.053.83±0.008-1 3161970—2015年
44-24.6±5--1969—1976年
45

-25.82±0.03a

-25.80±0.03b

3.808±0.004a

3.805±0.004b

-

-

1969—2012年
46-23.8±4--1969—1977年

注:表中“-”表示无计算值,a和b分别表示月球星历表DE430和DE431

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部分研究成果如下。基于上述潮汐模型分类,Williams等46利用1969—1977年的LLR观测数据,确定的dn/dt值为(-23.8±4) ''/cent2,相应的月球轨道半长轴的长期潮汐加速度da/dt为(3.5±0.6) cm/a。基于上述潮汐模型分类,Dickey等13利用1969—1993年的LLR数据,精密测定了周日潮对dn/dt的贡献为(-4.04±0.4) ''/cent2,半周日潮对dn/dt的贡献为(-22.24±0.6) ''/cent2,而月球模型引起的加速度为+0.4 ''/cent2,从而确定dn/dt的总值为(-25.88±0.5) ''/cent2,对应的da/dt值为(3.82±0.07) cm/a。基于上述潮汐模型分类,Folkner等45给出的月球星历表DE430和DE431,利用1969—2012年的LLR数据确定的dn/dt分别为(-25.82±0.03) ''/cent2和(-25.80±0.03) ''/cent2,da/dt分别为(3.808±0.004) cm/a和(3.805±0.004) cm/a。此外,Williams 等14基于上述潮汐模型分类,利用1970—2015年的LLR数据确定了周日、半周日和长周期地球潮汐、月球潮汐和月球核幔边界对月球轨道的影响,确定的dn/dt值为(-25.97±0.05) ''/cent2,da/dt值为(3.83±0.008) cm/a,de/dt为(15.0±1.0)×10-12/a,di/dt为(-0.5±0.1) μas/a,还精密测定了dωE/dt=-1 316 ''/cent2,对应的日长增长率为2.395 ms/cent。

表4汇总了上述基于LLR资料确定月球轨道参数和地球自转的长期加速度,各研究结果具有很好的一致性,且不确定度很小,说明LLR观测资料精度高。但LLR的数据跨度只有几十年,对于研究潮汐摩擦引起的地月系统的长期演化来说,随着数据资料的不断积累而确定的结果更具有说服力。

4 讨论与展望

以地月系统为例简要阐述了潮汐摩擦理论,在实际计算中还需要考虑太阳潮汐对月球轨道和地球自转的影响。在实际观测资料的处理中,根据天文观测资料计算的地球自转长期加速度包括潮汐摩擦引起的加速度和非潮汐加速度,例如冰后回弹49和核幔电磁耦合50等;近地卫星轨道扰动分析确定的是固体地球和海洋的总潮汐摩擦对地球自转变化的影响;海潮的数值模型可给出海洋中的潮汐摩擦对地球自转的制动作用;月球激光测距资料可给出地月系统的总耗散28。因此,对比不同观测资料的分析结果,可获得固体地球、海洋和月球上的潮汐在总潮汐摩擦中的贡献,并且可为地球自转的非潮汐变化提供相关的地球动力学参考信息。

Wu等51根据近地卫星跟踪数据获得的地球自转加速度与Stephenson等23根据天文观测资料确定的地球自转加速度比较得到了地球自转的非潮汐加速度,进而得到地球J2的长期变化,与卫星跟踪数据确定的相应值具有很好的一致性,而该值可以用非弹性地球的冰后回弹效应来解释52

从第3部分可知,天文观测资料比较粗糙,但可提供数据跨度超过3 000年,而近地卫星和月球激光测距数据虽然时间跨度短,但精度却比天文数据高得多。可预见,随着天文、近地卫星轨道扰动、月球激光测距等观测数据的积累,后续研究的主要方向包括:构建高精度的固体潮汐和海洋潮汐模型,推导现今潮汐摩擦对月球轨道和地球自转的影响;结合上述观测数据,考虑地球引潮力随地月距离的变化而变化,反演不同地质时期地月系统的演化过程。从而为理解月球的起源及其动力学演化过程提供有效信息,还可为研究地球和行星宜居性及演化提供重要参考。

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