Tidevandsacceleration

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 26. juni 2021; checks kræver 3 redigeringer .

Tidevandsacceleration  er en effekt forårsaget af gravitationel-tidevandsinteraktion i systemets naturlige satellit-centrallegeme . De vigtigste konsekvenser af denne effekt er en ændring i satellittens kredsløb og en ændring i rotationen af ​​det centrale legeme omkring aksen, som det observeres i Jord  - Måne-systemet . En anden konsekvens er opvarmningen af ​​planeternes indre, som observeres i Io og Europa og formodentlig havde en betydelig indvirkning på Jorden tidligere.

Månens masse er 81,5 gange mindre end Jordens masse. Dette forhold er atypisk sammenlignet med andre satellitter af planeter i solsystemet : resten af ​​satellitterne har en væsentlig lavere masse i forhold til deres værtsplaneter (med undtagelse af Pluto - Charon -systemet ). Af denne grund kan Månen og Jorden betragtes mere som et binært planetsystem end en planet med en satellit . Dette synspunkt understøttes af det faktum, at månebanens plan ligger meget tæt på planet for Jordens kredsløb omkring Solen , og ikke i Jordens ækvatorialplan . Stort set alle andre satellitter i solsystemet har baner, der ligger næsten nøjagtigt i ækvatorialplanet for deres værtsplaneter.

Forklaring af effekten

Månens masse er relativt stor, og den er ret tæt på sig selv, hvilket forårsager tidevand på Jorden. En flodbølge dannes i havvandene på den side, der vender mod Månen (den samme bølge dannes også på den modsatte side) [1] . Hvis Jorden ikke roterede om sin akse, ville tidevandsbølgen være præcis under Månen, som trækker den mod sig selv, og ville løbe hen over Jordens overflade fra vest til øst og lave en komplet omdrejning i én siderisk månemåned (27 dage). 7 timer 43,2 minutter).

Jorden roterer imidlertid "under" denne bølge og laver en omdrejning pr. siderisk dag (23 timer 56 minutter 4.091 sekunder). Som et resultat løber tidevandsbølgen hen over Jordens overflade fra øst til vest og laver en komplet omdrejning på 24 timer og 48 minutter. På grund af det faktum, at Jorden roterer med en større vinkelhastighed, end Månen drejer rundt om den, bevæger flodbølgen sig fremad i Jordens rotationsretning, foran Månen [1] .

Konsekvensen af ​​dette fremskridt er, at en betydelig del af massen af ​​havvand (det vil sige en del af massen af ​​hele Jorden) forskydes fremad fra linjen, der forbinder Jordens og Månens massecentre, i en vinkel lig med ca. 2° [1] . Denne fremadrettede masse trækker Månen mod sig og skaber en kraft, der virker vinkelret på Jord-Måne-linjen. Som et resultat virker et kraftmoment på Månen og accelererer dens kredsløb omkring Jorden.

Den omvendte konsekvens af alt dette er, at på kontinenternes kyster, når de "løber" på en flodbølge, virker en modsat rettet kraft (ifølge Newtons tredje lov ), som "sænker" dem. Således skaber Månen et kraftmoment, der påføres planeten, hvilket bremser Jordens rotation.

Som i alle fysiske processer gælder loven om bevarelse af vinkelmomentum og loven om bevarelse af energi her . Vinkelmomentet af Jordens rotation er faldende, Månens orbitale vinkelmomentum er stigende. Med en stigning i kredsløbets vinkelmomentum bevæger Månen sig til en højere bane, og dens egen hastighed (ifølge Keplers tredje lov ) falder. Det viser sig, at Månens tidevandsacceleration fører til en opbremsning i dens kredsløb. Månens kinetiske energi falder, og dens potentielle energi stiger. Samtidig stiger Månens samlede mekaniske energi også.

Med et fald i vinkelmomentet af Jordens rotation, sænkes dens rotation, varigheden af ​​dagen øges. Den tilsvarende kinetiske rotationsenergi bruges i processen med friktion af tidevandsbølgen på kontinenternes kyst, bliver til varme og spreder sig. Tidevandet virker også på jordens kappe, den frigivne varme forbliver i tarmene. For små kroppe nær store planeter, såsom Io nær Jupiter, overstiger dette fænomen varmen fra radioaktivt henfald .

Tidevandskræfter virker ikke kun i havvand. Der dannes også flodbølger i jordskorpen og kappen. Men på grund af jordskorpens ufleksibilitet er amplituden af ​​disse "hårde" bølger meget ringere end amplituden af ​​havflodbølger, og længden er tværtimod mange tusinde kilometer. Derfor løber "hårde" flodbølger i jordskorpen og oplever næsten ingen modstand, og bremsemomentet for kræfter forbundet med dem (og jordens deceleration og månens acceleration forårsaget af det) er meget mindre.

Månen bevæger sig væk fra Jorden med en hastighed på cirka 3,8 centimeter om året [2] [3] , varigheden af ​​dagen på Jorden er gradvist stigende. Denne mekanisme har fungeret i 4,5 milliarder år, siden oceanerne blev dannet på Jorden. Der er geologiske og palæontologiske beviser for, at Jorden roterede hurtigere i en fjern fortid, og månemåneden var kortere (fordi Månen var tættere på Jorden).

Denne proces vil fortsætte, indtil perioden for Jordens rotation er lig med perioden for Månens omdrejning omkring Jorden. Derefter vil Månen altid være over et punkt på jordens overflade. På Månen selv skete dette tydeligvis for længe siden: Jordens meget stærkere tyngdekraft skabte flodbølger i Månens faste legeme, som bremsede Månens rotation og synkroniserede den med omdrejningsperioden omkring Jorden, så Månen altid vendte sig mod Jorden på den ene side (det vil sige roterer med en periode svarende til omdrejningsperioden rundt om Jorden).

Pluto - Charon  - systemet er et godt eksempel på tidevandsudviklingen af ​​dets medlemmers kredsløb og rotationsperioder. Dette system har fuldført sin udvikling: både Pluto og Charon er altid vendt mod hinanden på samme side.

Tidevandsacceleration er et eksempel på irreversible orbitale forstyrrelser , der opbygges med tiden og ikke er periodiske. Gensidige gravitationsforstyrrelser af planetariske baner i solsystemet er periodiske, det vil sige, at de svinger mellem ekstreme værdier. Tidevandseffekter introducerer et kvadratisk led i bevægelsesligningerne, som øges kontinuerligt.

Kvantificering

Månens bevægelse i dens kredsløb kan spores til inden for få centimeter ved hjælp af Månens laserafstand. Til dette bruges spejlhjørnereflektorer, efterladt på Månen af ​​sovjetiske månestationer og amerikanske ekspeditioner. Disse reflektorer returnerer korte laserimpulser sendt fra Jorden, returtiden for impulserne giver dig mulighed for at beregne afstanden med meget høj nøjagtighed. Resultaterne af disse målinger erstattes af Månens bevægelsesligninger. Dette giver numeriske værdier for en række parametre, blandt dem værdien af ​​irreversibel acceleration. For perioden fra 1969 til 2001 er dataene om ændringen i Månens bevægelse som følger:

−25,858 ± 0,003 " /århundrede² - ifølge ekliptikas længdegrad [4] +3,814 ± 0,07 m/århundrede - langs kredsløbets radius [5]

Disse resultater er i god overensstemmelse med dataene for laserafstandsmåling fra kunstige satellitter. Metoden ligner månens radar. De opnåede data gør det muligt at bygge en nøjagtig model af Jordens gravitationsfelt, herunder tyngdekraften af ​​tidevandsbølger. Baseret på denne model kan man beregne gravitationseffekten på Månen og opnå meget tætte resultater.

Ud over alt det ovenstående giver gamle observationer af solformørkelser en ret præcis position af månen for den periode. Studiet af disse observationer giver også resultater svarende til ovenstående [6] .

Konsekvensen af ​​Månens tidevandsacceleration er opbremsningen af ​​Jordens rotation. Jordens rotationshastighed ændrer sig dog konstant af mange andre årsager og med forskellige intervaller - fra flere timer til flere århundreder. På denne baggrund er den lille effekt af tidevandsmodstand svær at fange på kort tid. Men det er muligt at detektere forskellen, der akkumuleres fra daglige millisekunder over flere århundreder mod præcist målt tid ( efemeritid , atomtid ). Der er gået flere dage og timer siden et eller andet tidspunkt i fortiden, målt i fulde omdrejninger af Jorden ( Universaltid ), sammenlignet med antallet af dage og timer beregnet ud fra aflæsninger fra stabile ure indstillet til den moderne, længere længde af dagen.

Denne kumulative forskel omtales som ΔT (Delta T) . Moderne værdier for ΔT og den faktiske længde af dagen er leveret af International Earth Rotation Service - ( IERS , International Earth Rotation and Reference Systems Service [7] ). Data om værdierne på det historiske interval er opnået fra analysen af ​​registreringer af observationer af sol- og måneformørkelser [8] .

Det var historiske vidnesbyrd om flere solformørkelser, der fandt sted før vor tidsregning, der gjorde det muligt at foretage de første skøn over den sekulære deceleration af Jordens rotation før opfindelsen af ​​atomure. Essensen af ​​denne tilgang er, at omstændighederne for antikkens totale solformørkelser beregnes, idet det antages, at jordens rotationshastighed er konstant. Det viser sig, at disse formørkelser burde være blevet observeret flere titusgrader vest for de punkter, hvor de faktisk blev observeret [1] .

Baseret på Månens observerede acceleration kan vi beregne størrelsen af ​​den tilsvarende ændring i dagens længde:

+2,3 ms /århundrede

Baseret på historiske solformørkelsesregistreringer over de seneste 2700 år [6] [9] opnås imidlertid følgende gennemsnit:

+1,70 ± 0,05 ms /århundrede


Der er en anden effekt, der accelererer jordens rotation. Jorden er ikke en kugle, men en ellipsoide , fladtrykt fra polerne til ækvator . Satellitlasermålinger viser, at denne ellipsoiditet falder, og interpolafstanden øges. Der gives følgende forklaring på dette: under den sidste istid dannedes store ismasser nær polerne, som trængte igennem de underliggende lag af jordskorpen. Med afslutningen af ​​istiden for omkring 10.000 år siden begyndte disse polarkapper at smelte. Jordskorpen har dog endnu ikke nået hydrostatisk ligevægt med kappen og fortsætter i øjeblikket med at "rette sig ud" - en post-glacial hævning af landet finder sted (den tidsperiode, der kræves for at fuldføre denne proces, er anslået til 4000 år). Som en konsekvens heraf øges Jordens interpolære diameter, og den ækvatoriale diameter falder, da Jordens tæthed og volumen forbliver uændret.

Som et resultat af et fald i den ækvatoriale diameter falder jordens inertimoment, som et resultat af, at jordens rotationshastighed, ifølge loven om bevarelse af vinkelmomentum, stiger. Dette fænomen er kendt som "skater-effekten": når skateren spinner på skøjter, presser skateren sine arme mod sin krop og begynder at spinde endnu hurtigere.

Baseret på den observerede ændring i jordens form og dens inertimoment , blev den tilsvarende rotationsacceleration og ændring i dagens længde beregnet. Det historiske gennemsnit bør være cirka:

−0,6 ms/århundrede

Dette svarer nogenlunde til forskellen mellem data fra historiske observationer og den beregnede værdi af decelerationen af ​​Jordens rotation.

Se også

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 Byalko A.V. Vores planet er Jorden. (Bibliotek "Quantum", udgave 29). - M . : Videnskab. Hovedudgave af fysisk og matematisk litteratur, 1983. - S. 66-70. — 208 s.
  2. ↑ Bevæger Månen sig væk fra Jorden?  (engelsk) . Spørg astronomen ( Cornell University ) (18. juli 2015). Dato for adgang: 16. oktober 2015.
  3. ↑ Når Månen bliver Jordens  Nemesis . Discovery.com (26. juli 2013). - "I tilfældet med månen bevæger den sig væk fra os med en hastighed på 3,78 centimeter (1,5 tommer) om året." Dato for adgang: 16. oktober 2015.
  4. ↑ J.Chapront, M.Chapront-Touzé, G.Francou: "En ny bestemmelse af måneomløbsparametre, præcessionskonstant og tidevandsacceleration fra LLR". Astron Astrophys. 387, 700..709 (2002).
  5. ↑ Jean O. Dickey et al. (1994): "Lunar Laser Ranging: a Continuing Legacy of the Apollo Programme". Science 265, 482..490
  6. ↑ 12 F.R. _ Stephenson, LV Morrison (1995): "Langsigtede udsving i jordens rotation: 700 f.Kr. til 1990 e.Kr.". Phil. Trans. Royal Soc. London Ser.A, s.165..202
  7. ↑ http://www.iers.org International Earth Rotation and Reference Systems Service
  8. ↑ http://www.phys.uu.nl/~vgent/deltat/deltat.htm Robert van Gent. Delta T: Terrestrisk tid, universel tid og algoritmer for historiske perioder
  9. ↑ FR Stephenson (1997): "Historiske formørkelser og jordens rotation". Cambridge Univ.Press.

Litteratur

  1. Jean O. Dickey (1995): "Earth Rotation Variations from Hours to Centuries". I: I. Appenzeller (red.): Highlights of Astronomy. Vol. 10s.17..44.
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
  • Brockhaus og Efron