Árapálygyorsulás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. június 26-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

Az árapálygyorsulás  a gravitációs-árapály kölcsönhatás által okozott hatás a rendszer természetes műhold-központi testében . Ennek a hatásnak a fő következménye a műhold pályájának megváltozása és a központi test tengely körüli forgásának megváltozása, amint az a Föld  - Hold rendszerben megfigyelhető . Egy másik következmény a bolygók belsejének felmelegedése, amely Io -ban és Európában megfigyelhető, és feltehetően jelentős hatással volt a Földre a múltban.

A Hold tömege 81,5-szer kisebb, mint a Föld tömege. Ez az arány atipikus a Naprendszer más bolygóinak műholdjaihoz képest : a többi műhold tömege lényegesen kisebb a befogadó bolygókhoz képest (a Plútó - Charon rendszer kivételével ). Emiatt a Hold és a Föld inkább tekinthető bináris bolygórendszernek, mint egy műholddal rendelkező bolygónak . Ezt az álláspontot támasztja alá az a tény, hogy a Hold - pálya síkja nagyon közel van a Föld Nap körüli pályájának síkjához , nem pedig a Föld egyenlítői síkjához. Gyakorlatilag az összes többi műhold a Naprendszerben olyan pályával rendelkezik, amely szinte pontosan a gazdabolygójuk egyenlítői síkjában fekszik.

A hatás magyarázata

A Hold tömege viszonylag nagy, és meglehetősen közel van önmagához, ami dagályokat okoz a Földön. Az óceán vizeiben a Hold felőli oldalon árhullám képződik (ugyanez a hullám az ellenkező oldalon is) [1] . Ha a Föld nem forogna a tengelye körül, akkor a dagályhullám pontosan a Hold alatt lenne, amely maga felé húzza, és a Föld felszínén nyugatról keletre futna, teljes forradalmat hajtva végre egyetlen sziderális holdhónap (27 nap) alatt. 7 óra 43,2 perc).

A Föld azonban e hullám "alatt" forog, és sziderális naponként egy fordulatot tesz (23 óra 56 perc 4,091 másodperc). Ennek eredményeként az árapály a Föld felszínén keletről nyugatra fut végig, és 24 óra 48 perc alatt tesz meg egy teljes fordulatot. Tekintettel arra, hogy a Föld nagyobb szögsebességgel forog, mint a Hold körül, az árhullám a Föld forgási irányába halad előre, megelőzve a Holdat [1] .

Ennek az előrelépésnek az a következménye, hogy az óceánvizek tömegének jelentős része (azaz az egész Föld tömegének egy része) a Föld és a Hold tömegközéppontját összekötő vonaltól szögben előre tolódik. körülbelül 2° [1] . Ez az előretolódott tömeg maga felé húzza a Holdat, és a Föld-Hold vonalra merőlegesen ható erőt hoz létre. Ennek eredményeként egy pillanatnyi erő hat a Holdra , felgyorsítva a Föld körüli keringését.

Mindennek az a fordított következménye, hogy a kontinensek partjain, amikor dagályhullámon "futnak", ellentétes irányú erő hat ( Newton harmadik törvénye szerint ), ami "lelassítja" őket. Így a Hold a bolygóra ható erőnyomatékot hoz létre, ami lelassítja a Föld forgását.

Mint minden fizikai folyamatra, itt is érvényes a szögimpulzus megmaradásának törvénye és az energia megmaradás törvénye . A Föld forgásának szögimpulzusa csökken, a Hold keringési szögimpulzusa nő. A pálya szögimpulzusának növekedésével a Hold magasabb pályára áll, és saját sebessége ( a Kepler harmadik törvénye szerint ) csökken. Kiderült, hogy a Hold árapály-gyorsulása a pályája lassulásához vezet. A Hold mozgási energiája csökken, potenciális energiája növekszik. Ezzel párhuzamosan a Hold teljes mechanikai energiája is nő.

A Föld forgási szögimpulzusának csökkenésével forgása lelassul, a nap időtartama nő. A megfelelő kinetikus forgási energiát a kontinensek partján az árapály súrlódási folyamata során fordítják, hővé alakulva és eloszlatva. Az árapály a Föld köpenyére is hat, a felszabaduló hő a belekben marad. A nagy bolygók közelében lévő kis testek esetében, mint például a Jupiter közelében lévő Io , ez a jelenség meghaladja a radioaktív bomlásból származó hőt .

Az árapály-erők nem csak az óceánok vizeiben hatnak. Az árapályhullámok a földkéregben és a földköpenyben is kialakulnak. De a földkéreg rugalmatlansága miatt ezeknek a "kemény" hullámoknak az amplitúdója sokkal alacsonyabb, mint az óceán árapályhullámainak amplitúdója, és éppen ellenkezőleg, a hossza sok ezer kilométer . Ezért "kemény" árapály hullámok futnak a földkéregben, szinte semmilyen ellenállást nem tapasztalnak, és a hozzájuk kapcsolódó erők fékezőnyomatéka (és a Föld lassulása és az általa okozott Hold gyorsulása) sokkal kisebb.

A Hold megközelítőleg évi 3,8 centiméteres sebességgel távolodik el a Földtől [2] [3] , a nap időtartama a Földön fokozatosan növekszik. Ez a mechanizmus 4,5 milliárd éve működik, mióta óceánok keletkeztek a Földön. Geológiai és őslénytani bizonyítékok vannak arra vonatkozóan, hogy a Föld gyorsabban forgott a távoli múltban, és a Hold hónapja rövidebb volt (mivel a Hold közelebb volt a Földhöz).

Ez a folyamat addig folytatódik, amíg a Föld forgási periódusa el nem éri a Hold Föld körüli forgásának periódusát. Ezt követően a Hold mindig a földfelszín egy pontja felett lesz. Nyilvánvalóan magán a Holdon ez már régen megtörtént: a Föld sokkal erősebb gravitációja árapályhullámokat hozott létre a Hold szilárd testében, ami lelassította a Hold forgását és szinkronizálta azt a körüli forradalom időszakával. Földet, így a Hold mindig az egyik oldalon fordult a Föld felé (azaz a Föld körüli forgási periódusával megegyező periódussal forog).

A Plútó  - Charon rendszer jó példa a tagjainak keringési és forgási periódusainak árapály-evolúciójára. Ez a rendszer befejezte fejlődését: mind a Plútó, mind a Charon mindig ugyanazon az oldalon fordult egymás felé.

Az árapálygyorsulás a visszafordíthatatlan keringési zavarok egyik példája, amelyek idővel felhalmozódnak, és nem periodikusak. A Naprendszer bolygópályáinak kölcsönös gravitációs perturbációi periodikusak, azaz szélsőséges értékek között ingadoznak. Az árapályhatások egy másodfokú tagot vezetnek be a mozgásegyenletekbe, amely folyamatosan növekszik.

Számszerűsítés

A Hold mozgása a pályáján néhány centiméteren belül nyomon követhető a Hold lézeres hatótávolságával. Ehhez tükörsarok reflektorokat használnak, amelyeket a szovjet holdállomások és amerikai expedíciók hagytak a Holdon. Ezek a reflektorok a Földről küldött rövid lézerimpulzusokat adják vissza, az impulzusok visszatérési ideje nagyon nagy pontossággal teszi lehetővé a távolság kiszámítását. E mérések eredményeit behelyettesítik a Hold mozgásegyenletébe. Ez számszerű értéket ad számos paraméterhez, köztük az irreverzibilis gyorsulás értékéhez. Az 1969 és 2001 közötti időszakra vonatkozóan a Hold mozgásának változására vonatkozó adatok a következők:

−25,858 ± 0,003 " /század² - az ekliptika hosszúsági foka szerint [4] +3,814 ± 0,07 m/század - a pálya sugara mentén [5]

Ezek az eredmények jó egyezést mutatnak a mesterséges műholdak lézeres távolságmeghatározásának adataival. A módszer hasonló a Hold radarjához. A kapott adatok lehetővé teszik a Föld gravitációs mezőjének pontos modelljének felépítését, beleértve az árapály-hullámok gravitációját is. E modell alapján kiszámítható a Hold gravitációs hatása, nagyon közeli eredményeket kapva.

A fentieken túlmenően a napfogyatkozások ősi megfigyelései meglehetősen pontos helyzetet adnak a Holdnak az adott időszakban. Ezen megfigyelések vizsgálata is a fentiekhez hasonló eredményeket ad [6] .

A Hold árapály-gyorsulásának következménye a Föld forgásának lelassulása. A Föld forgási sebessége azonban számos egyéb ok miatt folyamatosan változik, és különböző időközönként - több órától több évszázadig. Ennek fényében az árapály-ellenállás enyhe hatását nehéz rövid időn belül megragadni. De kimutatható a napi ezredmásodpercekből több évszázadon át felhalmozódó különbség a pontosan mért idővel ( efemeriszidő , atomidő ). Több nap és óra telt el a múlt egy pontja óta, a Föld teljes fordulatszámában ( Univerzális idő ) mérve, összehasonlítva a napok és órák számával, amelyeket a stabil órák leolvasásából számítanak ki a modern, hosszabb naphosszra.

Ezt a kumulatív különbséget ΔT-nek (Delta T) nevezzük . A ΔT modern értékeit és a nap tényleges hosszát az International Earth Rotation Service ( IERS , International Earth Rotation and Reference Systems Service [7] ) biztosítja. A történelmi intervallum értékeire vonatkozó adatokat a nap- és holdfogyatkozások megfigyeléseinek elemzéséből nyerik [8] .

Több korszakunk előtti napfogyatkozás történelmi bizonyítéka volt, amely lehetővé tette a Föld forgásának világi lelassulásának első becslését az atomórák feltalálása előtt. Ennek a megközelítésnek az a lényege, hogy az ókori teljes napfogyatkozás körülményeit kiszámítják, feltételezve, hogy a Föld forgási sebessége állandó. Kiderült, hogy ezeket a napfogyatkozásokat több tíz fokkal nyugatra kellett volna megfigyelni azoktól a pontoktól, ahol ténylegesen megfigyelték őket [1] .

A Hold megfigyelt gyorsulása alapján kiszámíthatjuk a naphossz megfelelő változásának nagyságát:

+2,3 ms /század

Az elmúlt 2700 év történelmi napfogyatkozási rekordjai alapján [6] [9] azonban a következő átlagot kapjuk:

+1,70 ± 0,05 ms /század


Van egy másik hatás is, amely felgyorsítja a Föld forgását. A Föld nem gömb, hanem ellipszoid , amely a pólusoktól az egyenlítőig lapított . Műholdas lézeres mérések azt mutatják, hogy ez az ellipszoiditás csökken, és az interpólus távolság nő. Erre a következő magyarázatot adjuk: az utolsó jégkorszakban a sarkok közelében nagy jégtömegek alakultak ki, amelyek átnyomták a földkéreg alatti rétegeket. A jegesedés körülbelül 10 000 évvel ezelőtti végével ezek a sarki sapkák olvadni kezdtek. A földkéreg azonban még nem érte el a hidrosztatikus egyensúlyt a köpennyel, és jelenleg is folytatja a „kiegyenesedését” – a föld jégkorszak utáni felemelkedése zajlik (a folyamat befejezéséhez szükséges időtartamot 4000 évre becsülik). Ennek következtében a Föld interpoláris átmérője nő, az egyenlítői átmérő pedig csökken, mivel a Föld sűrűsége és térfogata változatlan marad.

Az egyenlítői átmérő csökkenése következtében a Föld tehetetlenségi nyomatéka csökken, aminek következtében a Föld forgási sebessége a szögimpulzus megmaradásának törvénye szerint nő. Ezt a jelenséget „korcsolyázó-effektusnak” nevezik: amikor a korcsolyán pörög, a korcsolyázó a karját a testéhez szorítja, és még gyorsabban kezd forogni.

A Föld alakjának és tehetetlenségi nyomatékának megfigyelt változása alapján kiszámították a megfelelő forgásgyorsulást és a nap hosszának változását. A történelmi átlagnak körülbelül a következőnek kell lennie:

−0,6 ms/század

Ez nagyjából megfelel a történeti megfigyelések adatai és a Föld forgáslassulása számított értéke közötti különbségnek.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 4 Byalko A.V. Bolygónk a Föld. ("Kvantum" könyvtár, 29. szám). - M . : Tudomány. Fizikai és matematikai irodalom főkiadása, 1983. - S. 66-70. — 208 p.
  2. ↑ Távolodik a Hold a Földtől?  (angol) . Kérdezze meg a csillagászt ( Cornell Egyetem ) (2015. július 18.). Hozzáférés időpontja: 2015. október 16.
  3. ↑ Amikor a Hold a Föld  Nemezisévé válik . Discovery.com (2013. július 26.). — "A Hold esetében évi 3,78 centiméteres (1,5 hüvelyk) sebességgel távolodik el tőlünk." Hozzáférés időpontja: 2015. október 16.
  4. ↑ J.Chapront, M.Chapront-Touzé, G.Francou: "A holdpálya paramétereinek, a precessziós állandónak és az árapálygyorsulásnak az LLR alapján történő új meghatározása". Astron Astrophys. 387, 700...709 (2002).
  5. ↑ Jean O. Dickey et al. (1994): "Lunar Laser Ranging: a Continuing Legacy of the Apollo Program". Tudomány 265, 482..490
  6. ↑ F.R. 12 _ Stephenson, LV Morrison (1995): "Hosszú távú fluktuációk a Föld forgásában: Kr.e. 700-tól i.sz. 1990-ig". Phil. Trans. Royal Soc. London Ser.A, pp.165..202
  7. ↑ http://www.iers.org Nemzetközi Földforgatási és Referenciarendszerek Szolgálata
  8. ↑ http://www.phys.uu.nl/~vgent/deltat/deltat.htm Robert van Gent. Delta T: Földi idő, egyetemes idő és algoritmusok történelmi időszakokhoz
  9. ↑ FR Stephenson (1997): "Történelmi fogyatkozások és a Föld forgása". Cambridge Univ.Press.

Irodalom

  1. Jean O. Dickey (1995): "A Föld forgásának változásai órákról évszázadokra". In: I. Appenzeller (szerk.): Highlights of Astronomy. Vol. 10pp.17..44.
  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
  • Brockhaus és Efron