Прыліўное паскарэнне

Прыліўное паскарэнне — эфект, выкліканы гравітацыйна-прыліўным узаемадзеяннем у сістэме натуральны спадарожнік — цэнтральнае цела. Галоўным вынікам гэтага эфекту з’яўляюцца змена арбіты спадарожніка і запаволенне кручэння цэнтральнага цела вакол восі, як гэта назіраецца ў сістэме Зямля — Месяц. Іншым следствам з’яўляецца разагрэў нетраў планет, як гэта назіраецца з Іо і Еўропай і як мяркуецца, мела значны эфект са старажытнай Зямлёй.

Маса Месяца складае прыкладна 1/81 масы Зямлі. Такія суадносіны з’яўляецца нетыпова вялікім па параўнанні з іншымі спадарожнікамі планет у Сонечнай сістэме. З гэтай прычыны Месяц і Зямля могуць разглядацца хутчэй як падвойная планетныя сістэма, чым як планета са спадарожнікам. На карысць такога пункту гледжання сведчыць тое, што плоскасць месяцавай арбіты ляжыць вельмі блізка да плоскасці арбіты Зямлі вакол Сонца, а не ў экватарыяльнай плоскасці Зямлі. Практычна ўсе астатнія спадарожнікі ў Сонечнай сістэме маюць арбіты, якія ляжаць амаль дакладна ў экватарыяльнай плоскасці сваіх планет-гаспадароў.

Тлумачэнне эфекту

Дыяграма сістэмы Зямля — Месяц, якая паказвае, як прыліўны горб на паверхні з-за кручэння Зямлі змяшчаецца з лініі, якая злучае цэнтры двух тэл

Маса Месяца параўнальна вялікая, і сама яна знаходзіцца даволі блізка, выклікаючы прылівы на Зямлі. У акіянскіх водах на звернутай да Месяца баку фармуецца прыліўная хваля (такая ж хваля фармуецца і на супрацьлеглым баку). Калі б Зямля не круцілася вакол сваёй восі, прыліўная хваля знаходзілася бы сапраўды пад Месяцам, які прыцягвае яе да сябе, і бегла б па паверхні Зямлі з захаду на ўсход, здзяйсняючы поўны абарот за адзін сідэрычны месяц (27 дзён 7 гадзін 43,2 хвіліны).

Аднак, Зямля круціцца «пад» гэтай хваляй, здзяйсняючы адзін абарот за сідэрычны дзень (23 гадзіны, 56 хвілін, 4,091 секунды). У выніку прыліўная хваля бяжыць па паверхні Зямлі з усходу на захад, здзяйсняючы адзін поўны абарот за 24 гадзіны 48 хвілін. Паколькі Зямля зусім не з'яўляецца гладкім шарам, на кожную з гэтых двух прыліўных хваляў рэгулярна «набягаюць» ўсходнія берагі мацерыкоў, абмываныя Сусветным акіянам («набягаюць» менавіта мацерыкі на хвалю, паколькі Зямля круціцца хутчэй абарачэння Месяца). З-за гэтага прыліўная хваля ссоўваецца наперад па кірунку кручэння Зямлі, апярэджваючы Месяц.

Следствам такога апярэджання з'яўляецца тое, што значная частка масы акіянскіх вод (гэта значыць і частка масы ўсёй Зямлі) ссоўваецца наперад з лініі, якая злучае цэнтры мас Зямлі і Месяца. Гэтая зрушаная наперад маса прыцягвае да сябе Месяц, ствараючы сілу, якая дзейнічае перпендыкулярна лініі Зямля — Месяц. У выніку на Месяц дзейнічае момант сілы, які паскарае яе зварот па арбіце вакол Зямлі.

Адваротным следствам усяго гэтага з'яўляецца тое, што на берагі мацерыкоў, калі яны «набягаюць» на прыліўных хвалю, дзейнічае (па трэцім законе Ньютана) процілегла накіраваная сіла, якая «тармозіць» іх. Такім чынам Месяц стварае накіраваны да планеты момант сілы, які запавольвае кручэнне Зямлі.

Як і ва ўсіх фізічных працэсах, тут дзейнічаюць закон захавання моманту імпульсу і закон захавання энергіі. Момант імпульсу кручэння Зямлі памяншаецца, арбітальны момант імпульсу Месяца павялічваецца. З павелічэннем арбітальнага моманту імпульсу Месяц пераходзіць на больш высокую арбіту, а яе ўласная хуткасць (па трэцім законе Кеплера) памяншаецца. Атрымліваецца так, што прыліўное паскарэнне Месяца прыводзіць да запаволення яе звароту па арбіце. Кінетычная энергія Месяца памяншаецца, а яе патэнцыйная энергія павялічваецца. Пры гэтым расце і поўная механічная энергія Месяца.

З памяншэннем моманту імпульсу кручэння Зямлі яе кручэнне запавольваецца, працягласць сутак павялічваецца. Адпаведная кінетычная энергія кручэння траціцца ў працэсе трэння прыліўнай хвалі аб берагі мацерыкоў, ператвараючыся ў цяпло і рассейваючыся. Прыліў дзейнічае і на мантыю Зямлі, цяпло, якое выдаткоўваецца, застаецца ў нетрах. Для малых тэл паблізу вялікіх планет, напрыклад Іо, гэта з'ява пераўзыходзіць цяпло ад радыеактыўнага распаду.

Прыліўныя сілы дзейнічаюць не толькі ў акіянскіх водах. Прыліўныя хвалі фармуюцца таксама ў зямной кары і мантыі. Але дзякуючы падатнасці зямной кары амплітуда гэтых «цвёрдых» хваляў значна саступае амплітудзе акіянскіх прыліўных хваляў, а даўжыня, наадварот, складае многія тысячы кіламетраў. Таму «цвёрдыя» прыліўныя хвалі бягуць у зямной кары, амаль не адчуваючы супраціву, а звязаны з імі тармазны момант сіл (і выкліканыя ім запаволенне Зямлі і паскарэнне Месяца) значна менш.

Месяц аддаляецца ад Зямлі з хуткасцю прыкладна 34 міліметры на год. Працягласць сутак на Зямлі паступова павялічваецца і раз у некалькі гадоў Міжнародная служба кручэння Зямлі ўносіць секунду каардынацыі ў UTC, каб сінхранізаваць яго з універсальным часам UT1. (UTC — гэта час, па якім сінхранізуюцца гадзіннікі, а UT1 — час, звязаны з кручэннем Зямлі).

Гэты механізм працуе на працягу 4,5 мільярда гадоў, з таго часу, як на Зямлі сфармаваліся акіяны. Існуюць геалагічныя і палеанталагічныя сведчанні таго, што Зямля ў далёкім мінулым круцілася хутчэй, а месяц быў карацей (паколькі Месяц быў бліжэй да Зямлі).

Такі працэс будзе працягвацца да таго часу, пакуль перыяд кручэння Зямлі не зраўняецца з перыядам абарачэння Месяца вакол Зямлі. Пасля гэтага Месяц заўсёды будзе знаходзіцца над адным пунктам зямной паверхні. Відавочна, на самым Месяцы гэта ўжо даўно адбылося: значна больш моцнае прыцягненне Зямлі стварала ў цвёрдым целе Месяца прыліўныя хвалі, якія замарудзілі кручэнне Месяца і сінхранізавалі яго з перыядам звароту вакол Зямлі, так што Месяц заўсёды звернуты да Зямлі адным бокам (гэта значыць круціцца з перыядам, роўным перыяду абароту вакол Зямлі).

Сістэма Плутон — Харон з'яўляецца добрым прыкладам прыліўнога эвалюцыянавання арбіт і перыядаў кручэння сваіх удзельнікаў. Дадзеная сістэма завяршыла сваю эвалюцыю: і Плутон, і Харон заўсёды павернутыя адзін да аднаго адным бокам.

Прыліўныя паскарэнні з'яўляецца адным з прыкладаў незваротных пертурбацый арбіты, якія нарастаюць з часам і не з'яўляюцца перыядычнымі. Узаемныя гравітацыйныя турбацыі планетарных арбіт у Сонечнай сістэме з'яўляюцца перыядычнымі, то ёсць асцыліруюць паміж крайнімі значэннямі. Прыліўныя эфекты ўводзяць ва ўраўненні руху квадратычны член, які бесперапынна ўзрастае.

Літаратура

1. Jean O. Dickey et al. (1994): «Lunar Laser Ranging: a Continuing Legacy of the Apollo Program». Science 265, 482..490.
2. F.R. Stephenson, L.V. Morrison (1995): «Long-term fluctuations in the Earth's rotation: 700 BC to AD 1990». Phil. Trans. Royal Soc. London Ser.A, pp. 165..202.
3. Jean O. Dickey (1995): «Earth Rotation Variations from Hours to Centuries». In: I. Appenzeller (ed.): Highlights of Astronomy. Vol. 10 pp. 17..44.
4. F.R. Stephenson (1997): «Historical Eclipses and Earth's Rotation». Cambridge Univ.Press.
5. J.Chapront, M.Chapront-Touzé, G.Francou: «A new determination of lunar orbital parameters, precession constant, and tidal acceleration from LLR». Astron.Astrophys. 387, 700..709 (2002).