Accelerația mareelor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 26 iunie 2021; verificările necesită 3 modificări .

Accelerația mareelor  ​​este un efect cauzat de interacțiunea gravitațional-mareală în sistemul natural satelit-corp central . Principalele consecințe ale acestui efect sunt o schimbare a orbitei satelitului și o schimbare a rotației corpului central în jurul axei, așa cum se observă în sistemul Pământ  - Lună . O altă consecință este încălzirea interiorului planetelor, care se observă în Io și Europa și, probabil, a avut un impact semnificativ asupra Pământului în trecut.

Masa Lunii este de 81,5 ori mai mică decât masa Pământului. Acest raport este atipic în comparație cu alți sateliți ai planetelor din sistemul solar : restul sateliților au o masă semnificativ mai mică în raport cu planetele gazdă (cu excepția sistemului Pluto - Charon ). Din acest motiv, Luna și Pământul pot fi considerate mai mult ca un sistem planetar binar decât o planetă cu un satelit . Acest punct de vedere este susținut de faptul că planul orbitei lunare se află foarte aproape de planul orbitei Pământului în jurul Soarelui și nu în planul ecuatorial al Pământului. Practic, toți ceilalți sateliți din sistemul solar au orbite care se află aproape exact în planul ecuatorial al planetelor gazdă.

Explicația efectului

Masa Lunii este relativ mare și este destul de apropiată, provocând maree pe Pământ. În apele oceanului se formează un val de maree pe partea îndreptată spre Lună (același val se formează și pe partea opusă) [1] . Dacă Pământul nu s-ar roti pe axa sa, marea s-ar afla exact sub Lună, care o trage spre sine și s-ar străbate suprafața Pământului de la vest la est, făcând o revoluție completă într-o lună siderală lunară (27 de zile). 7 ore 43,2 minute).

Cu toate acestea, Pământul se rotește „sub” acest val, făcând o revoluție pe zi siderale (23 ore 56 minute 4,091 secunde). Ca rezultat, unda de marea străbate suprafața Pământului de la est la vest, făcând o revoluție completă în 24 de ore și 48 de minute. Datorită faptului că Pământul se rotește cu o viteză unghiulară mai mare decât se învârte Luna în jurul lui, marea se deplasează înainte în direcția de rotație a Pământului, înaintea Lunii [1] .

Consecința acestui avans este că o parte semnificativă din masa apelor oceanice (adică o parte din masa întregului Pământ) este deplasată înainte de la linia care leagă centrele de masă ale Pământului și ale Lunii, la un unghi. egal cu aproximativ 2° [1] . Această masă deplasată înainte trage Luna spre ea, creând o forță care acționează perpendicular pe linia Pământ-Lună. Drept urmare, un moment de forță acționează asupra Lunii , accelerându-i orbita în jurul Pământului.

Consecința inversă a tuturor acestor lucruri este că pe coastele continentelor, atunci când „aleargă” pe un val, acționează o forță direcționată opus (conform celei de-a treia legi a lui Newton ), care le „încetinește”. Astfel, Luna creează un moment de forță aplicat planetei, care încetinește rotația Pământului.

Ca în toate procesele fizice, aici se aplică legea conservării momentului unghiular și legea conservării energiei . Momentul unghiular de rotație a Pământului este în scădere, momentul unghiular orbital al Lunii este în creștere. Odată cu creșterea momentului unghiular orbital, Luna se deplasează pe o orbită mai înaltă, iar viteza proprie (conform celei de-a treia legi a lui Kepler ) scade. Se dovedește că accelerația mareelor ​​a Lunii duce la o încetinire a orbitei sale. Energia cinetică a lunii scade, iar energia ei potențială crește. În același timp, crește și energia mecanică totală a Lunii.

Odată cu scăderea momentului unghiular al rotației Pământului, rotația acestuia încetinește, durata zilei crește. Energia cinetică corespunzătoare de rotație este cheltuită în procesul de frecare a valului de maree pe coasta continentelor, transformându-se în căldură și disipând. Marea acționează și asupra mantalei Pământului, căldura degajată rămâne în intestine. Pentru corpurile mici din apropierea planetelor mari, cum ar fi Io lângă Jupiter, acest fenomen depășește căldura de la descompunerea radioactivă .

Forțele mareelor ​​acționează nu numai în apele oceanului. Undele de maree se formează și în scoarța și mantaua pământului. Dar, din cauza inflexibilității scoarței terestre, amplitudinea acestor valuri „dure” este mult inferioară amplitudinii valurilor oceanice, iar lungimea, dimpotrivă, este de multe mii de kilometri. Prin urmare, valuri de marea „dure” circulă în scoarța terestră, fără aproape nicio rezistență, iar momentul de frânare al forțelor asociate acestora (și decelerația Pământului și accelerația Lunii cauzată de acesta) este mult mai mică.

Luna se îndepărtează de Pământ cu o rată de aproximativ 3,8 centimetri pe an [2] [3] , durata zilei pe Pământ crește treptat. Acest mecanism funcționează de 4,5 miliarde de ani de când oceanele s-au format pe Pământ. Există dovezi geologice și paleontologice că Pământul s-a rotit mai repede în trecutul îndepărtat, iar luna lunară a fost mai scurtă (pentru că Luna era mai aproape de Pământ).

Acest proces va continua până când perioada de rotație a Pământului este egală cu perioada de revoluție a Lunii în jurul Pământului. După aceea, Luna va fi întotdeauna deasupra unui punct de pe suprafața pământului. Evident, pe Lună însăși, acest lucru s-a întâmplat cu mult timp în urmă: gravitația mult mai puternică a Pământului a creat valuri de maree în corpul solid al Lunii, care au încetinit rotația Lunii și au sincronizat-o cu perioada de revoluție din jurul lui. Pământ, astfel încât Luna s-a întors întotdeauna spre Pământ pe o parte (adică se rotește cu o perioadă egală cu perioada de revoluție în jurul Pământului).

Sistemul Pluto  - Charon este un bun exemplu al evoluției mareelor ​​a orbitelor și a perioadelor de rotație ale membrilor săi. Acest sistem și-a încheiat evoluția: atât Pluto, cât și Charon sunt întotdeauna întors unul către celălalt de aceeași parte.

Accelerația mareelor ​​este un exemplu de perturbații orbitale ireversibile care se acumulează în timp și nu sunt periodice. Perturbațiile gravitaționale reciproce ale orbitelor planetare din sistemul solar sunt periodice, adică oscilează între valori extreme. Efectele de maree introduc un termen pătratic în ecuațiile de mișcare, care crește continuu.

Cuantificare

Mișcarea Lunii pe orbita sa poate fi urmărită până la câțiva centimetri utilizând distanța laser a Lunii. Pentru aceasta se folosesc reflectoare de colț de oglindă, lăsate pe Lună de stațiile lunare sovietice și expedițiile americane. Aceste reflectoare returnează impulsuri laser scurte trimise de pe Pământ, timpul de întoarcere al impulsurilor vă permite să calculați distanța cu o precizie foarte mare. Rezultatele acestor măsurători sunt înlocuite în ecuațiile de mișcare ale Lunii. Aceasta oferă valori numerice pentru o serie de parametri, printre care și valoarea accelerației ireversibile. Pentru perioada 1969-2001, datele privind schimbarea mișcării Lunii sunt următoarele:

−25,858 ± 0,003 " / secol² - în funcție de longitudinea eclipticii [4] +3,814 ± 0,07 m/secol - de-a lungul razei orbitei [5]

Aceste rezultate sunt în bună concordanță cu datele privind distanța laser a sateliților artificiali. Metoda este similară cu radarul lunii. Datele obținute fac posibilă construirea unui model precis al câmpului gravitațional al Pământului, inclusiv a gravitației undelor de maree. Pe baza acestui model se poate calcula efectul gravitațional asupra Lunii, obținând rezultate foarte apropiate.

Pe lângă toate cele de mai sus, observațiile antice ale eclipselor de soare oferă o poziție destul de precisă a lunii pentru acea perioadă. Studiul acestor observații dă și rezultate similare celor de mai sus [6] .

Consecința accelerației mareelor ​​a Lunii este încetinirea rotației Pământului. Cu toate acestea, viteza de rotație a Pământului se schimbă constant din multe alte motive și la intervale diferite - de la câteva ore la câteva secole. Pe acest fond, efectul ușor al rezistenței mareelor ​​este greu de captat într-o perioadă scurtă de timp. Dar este posibil să se detecteze diferența care se acumulează de la milisecunde zilnice de-a lungul mai multor secole față de timpul măsurat cu precizie (timp efemeride , timp atomic ). Au trecut mai multe zile și ore de la un moment dat din trecut, măsurate în rotații complete ale Pământului ( Timp Universal ), în comparație cu numărul de zile și ore calculate din citirile de la ceasuri stabile setate la lungimea modernă, mai lungă a zilei.

Această diferență cumulată este denumită ΔT (Delta T) . Valorile moderne ale ΔT și durata reală a zilei sunt furnizate de Serviciul Internațional de Rotație a Pământului - ( IERS , Serviciul Internațional de Rotație a Pământului și Sisteme de Referință [7] ). Datele privind valorile intervalului istoric sunt obținute din analiza înregistrărilor de observații ale eclipselor de soare și de lună [8] .

Dovezile istorice ale mai multor eclipse de soare care au avut loc înaintea erei noastre au făcut posibilă realizarea primelor estimări ale decelerării seculare a rotației Pământului înainte de inventarea ceasurilor atomice. Esența acestei abordări este că circumstanțele eclipselor totale de soare din antichitate sunt calculate, presupunând că viteza de rotație a Pământului este constantă. Rezultă că aceste eclipse ar fi trebuit observate la câteva zeci de grade la vest de punctele în care au fost efectiv observate [1] .

Pe baza accelerației observate a Lunii, putem calcula magnitudinea modificării corespunzătoare în lungimea zilei:

+2,3 ms /secol

Cu toate acestea, pe baza înregistrărilor istorice ale eclipselor de soare din ultimii 2700 de ani [6] [9] , se obține următoarea medie:

+1,70 ± 0,05 ms / secol


Există un alt efect care accelerează rotația Pământului. Pământul nu este o sferă, ci un elipsoid , aplatizat de la poli până la ecuator . Măsurătorile cu laser prin satelit arată că această elipsoiditate scade și distanța interpolară crește. Următoarea explicație este dată pentru aceasta: în timpul ultimei epoci glaciare , în apropierea polilor s-au format mase mari de gheață, care au împins straturile subiacente ale scoarței terestre. Odată cu sfârșitul glaciației cu aproximativ 10.000 de ani în urmă, aceste calote polare au început să se topească. Cu toate acestea, scoarța terestră nu a atins încă echilibrul hidrostatic cu mantaua și în prezent continuă să se „îndrepte” - are loc o ridicare post-glaciară a pământului (perioada de timp necesară pentru finalizarea acestui proces este estimată la 4000 de ani). În consecință, diametrul interpolar al Pământului crește, iar diametrul ecuatorial scade, deoarece densitatea și volumul Pământului rămân neschimbate.

Ca urmare a scăderii diametrului ecuatorial, momentul de inerție al Pământului scade, drept urmare viteza de rotație a Pământului, conform legii conservării momentului unghiular, crește. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „efectul patinatorului”: atunci când se învârte pe patine, patinatorul își apasă brațele pe corp și începe să se rotească și mai repede.

Pe baza modificării observate a formei Pământului și a momentului său de inerție , s-au calculat accelerația corespunzătoare de rotație și modificarea duratei zilei. Media istorică ar trebui să fie de aproximativ:

−0,6 ms/secol

Aceasta corespunde aproximativ diferenței dintre datele observațiilor istorice și valoarea calculată a decelerației de rotație a Pământului.

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 Byalko A.V. Planeta noastră este Pământul. (Biblioteca „Quantum”, numărul 29). - M .: Știință. Ediţia principală de literatură fizică şi matematică, 1983. - S. 66-70. — 208 p.
  2. ↑ Se îndepărtează Luna de Pământ?  (engleză) . Întrebați astronomul ( Universitatea Cornell ) (18 iulie 2015). Data accesului: 16 octombrie 2015.
  3. ↑ Când Luna Devine Nemesisul Pământului  . Discovery.com (26 iulie 2013). — „În cazul lunii, aceasta se îndepărtează de noi cu o rată de 3,78 centimetri (1,5 inci) pe an.” Data accesului: 16 octombrie 2015.
  4. ↑ J.Chapront, M.Chapront-Touzé, G.Francou: „O nouă determinare a parametrilor orbitalii lunari, constanta de precesie și accelerația mareelor ​​de la LLR”. Astron Astrophys. 387, 700...709 (2002).
  5. ↑ Jean O. Dickey și colab. (1994): „Raming laser lunar: o moștenire continuă a programului Apollo”. Stiinta 265, 482..490
  6. ↑ 12 F.R. _ Stephenson, LV Morrison (1995): „Fluctuațiile pe termen lung ale rotației Pământului: 700 î.Hr. până în 1990 d.Hr.”. Phil. Trans. Royal Soc. Londra Ser.A, p.165..202
  7. ↑ http://www.iers.org Serviciul Internațional de Rotație a Pământului și Sisteme de Referință
  8. ↑ http://www.phys.uu.nl/~vgent/deltat/deltat.htm Robert van Gent. Delta T: timp terestru, timp universal și algoritmi pentru perioade istorice
  9. ↑ FR Stephenson (1997): „Eclipsele istorice și rotația Pământului”. Cambridge Univ.Press.

Literatură

  1. Jean O. Dickey (1995): „Variațiile rotației pământului de la ore la secole”. În: I. Appenzeller (ed.): Highlights of Astronomy. Vol. 10 pp.17..44.
  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
  • Brockhaus și Efron