Bezlitosna odległość od Księżyca

W Europie rok 1999 upłynął pod znakiem oszałamiającego wydarzenia astronomicznego, całkowitego zaćmienia słońca z 11 sierpnia, uważanego za najczęściej obserwowane zaćmienie w historii ludzkości. Być może jesteś wśród nich. I dobrze byś zrobił, bo takie zjawisko nie będzie się powtarzać w nieskończoność! Dlaczego ?

Ponieważ Księżyc obecnie oddala się od Ziemi z prędkością 3,83 cm rocznie, o czym świadczą dokładne pomiary wykonane za pomocą strzałów laserowych odbitych od reflektorów umieszczanych na Księżycu przez różne misje kosmiczne. Do tego dochodzi wydłużanie dnia o 1/74 000 sekundy każdego roku. Dwa zjawiska, tylko jedna kometa: Księżyc! Siły pływowe, jakie wywierają na naszą planetę, deformując skorupę ziemską i oceany, rozpraszają energię i spowalniają obrót Ziemi, jednocześnie przenosząc energię do naszego satelity. Współczesne modele opisują ewolucję tej pary od czasu jej powstania ponad 4 miliardy lat temu. Niespodzianka: Częstotliwość rozstań znacznie się zmienia w czasie. Wyjaśnijmy szczegółowo to zjawisko.

Efekt pływowy

Rozważmy najpierw planetę i jej księżyc, pozbawione oceanów, krążące wokół siebie po torach kołowych. W odpowiednich środkach ciężkości siła odśrodkowa wynikająca z ich wzajemnego obrotu jest całkowicie kompensowana przez przyciągającą je siłę grawitacji. Ale na pozór tak już nie jest; Te dwie siły nie są już w równowadze. To ich wynik nazywamy „siłą pływową”. Na planecie ta siła pływowa ma tendencję do podnoszenia jej powierzchni wzdłuż osi planeta-Księżyc, a efekt jest odwrotny w kierunkach prostopadłych. W rezultacie planeta ulega wydłużeniu w kierunku swojego satelity. Stopień deformacji jest bardzo mały: wysokość skorupy ziemskiej dochodzi do 20 cm.

Gdyby planeta i jej księżyc krążyły wokół siebie synchronicznie, to znaczy zawsze pokazywałyby sobie tę samą twarz, nadal byśmy tam byli: bardzo lekko zniekształcone ciała niebieskie. Kiedy jednak obrót planety wokół niej jest szybszy niż obrót satelity wokół planety, wybrzuszenia powodują ruch planety po jej powierzchni. Aby ustalić, co się dzieje, porównaj prędkość, z jaką siły pływowe przemieszczają się po powierzchni Ziemi (0,45 km na sekundę) z szybkością propagacji fal sejsmicznych (4 km na sekundę). Ponieważ ta pierwsza jest znacznie niższa niż druga, wybrzuszenia mogą podążać za ruchem satelity.

Spóźniona pigułka

Tak naprawdę odkształcenia te nie zachodzą bez tarcia, bez rozpraszania energii, co powoduje opóźnienie i powoduje przesunięcie położenia wybrzuszeń względem osi planety i Księżyca. Jeśli planeta obraca się szybciej, znajdują się one przed tą osią, w kierunku obrotu planety. Ta niewielka szczelina może nie wydawać się duża, ale odpowiada za odległość między dwoma ciałami niebieskimi i spowolnienie obrotu planety.

W rzeczywistości, w porównaniu do sytuacji, w której planeta nie jest odkształcana przez przypływ, ponieważ siła grawitacji między dwiema masami zmienia się wraz z kwadratem odległości między nimi, krawędź pływowa bliżej satelity podlega silniejszemu przyciąganiu grawitacyjnemu jego bok niż bardziej odległe wybrzuszenie. Te dwie siły nie są dokładnie wyrównane z osią i na planecie powstaje efekt momentu obrotowego, który przeciwdziała jej obrotowi i w ten sposób ją spowalnia. Z punktu widzenia satelity dwie siły grawitacyjne, na które napotyka z tych wybrzuszeń, przeciwstawne zgodnie z prawem akcji i reakcji wspomnianych powyżej sił, łączą się, aby przyspieszyć go po torze kołowym: powolny wzrost jego prędkości również wzrasta siła odśrodkowa i satelita oddala się od planety.

To zwalnianie i przyspieszanie będzie trwało, dopóki wszystkie obroty nie zostaną zsynchronizowane, jak wspomnieliśmy na początku tego akapitu, ale z każdą minutą, jeśli efekt pływowy występuje w obu kierunkach (od satelity do planety i odwrotnie), nie ma to znaczenia tę samą amplitudę. Siły pływowe A działające na B są w rzeczywistości proporcjonalne do iloczynu masy A razy promień B i sześcianu odległości między nimi. Ponieważ masa Ziemi jest osiemdziesiąt razy większa niż masa Księżyca, a jego promień jest w przybliżeniu czterokrotnie mniejszy, pływy księżycowe były bardziej intensywne niż pływy ziemskie, a rozpraszanie było również znacznie silniejsze, ponieważ w przypadku mniejszego Księżyca spowolnienie było znacznie większe . Dlatego dzisiaj obrót Księżyca jest właściwie zsynchronizowany z Ziemią: zawsze przedstawia nam tę samą twarz.

Morze, słońce i orbity

Aby właściwie zrozumieć pływy ziemskie, należy wziąć pod uwagę wiele innych czynników. Zatem Słońce przyczynia się do 30% sił pływowych Ziemi i jest źródłem wiosny i pływów. Ponadto wpływ na to zjawisko ma nachylenie osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny orbit Ziemi i Księżyca oraz eliptyczny i zmienny charakter ścieżki Księżyca. Wreszcie, gdy woda będzie na powierzchni Ziemi, do stałych grzbietów dodadzą się płynne wybrzuszenia, znacząco modyfikując sytuację.

Po pierwsze, ruch mas wody powoduje rozpraszanie dużej ilości energii w wyniku tarcia o dno oceanu lub turbulencji wywołanych prądami pływowymi. Dlatego też, aby sprawdzić, czy te wybrzuszenia wody mogą śledzić ruch Księżyca, musimy przyjrzeć się prędkości fal grawitacyjnych, zwanych częściej „wybrzuszeniami”! Jest to równe iloczynowi pierwiastka kwadratowego przyspieszenia grawitacyjnego i głębokości oceanu. Przy średniej głębokości około 4 km jego prędkość wynosi 0,2 km na sekundę, co stanowi ponad połowę siły przypływu. Nasze wzgórza nie mogłyby już podążać za Księżycem, a gdyby Ziemia była całkowicie pokryta wodą, bylibyśmy praktycznie prostopadły do ​​osi Ziemia-Księżyc!

Wreszcie są kontynenty. To, co sprawdza się na poziomie lokalnym – amplituda pływów może zostać znacznie zwiększona przez zjawisko rezonansu, na przykład w Zatoce Mont Saint-Michel – ma również zastosowanie na poziomie globalnym. W zależności od ułożenia kontynentów i biorąc pod uwagę siłę Coriolisa odchylającą prądy oceaniczne, pod wpływem księżycowych sił pływowych możemy mieć echa lub nie. W takim przypadku wzrasta rozproszenie, a wraz z nim obrót Ziemi zwalnia.

Zespołowi z Instytutu Mechaniki Nieba i Rachunku Efemeryd udało się niedawno połączyć wszystkie te i wiele innych elementów (takich jak fakt, że dno oceanu nieznacznie opada, gdy przechodzi nad nim krawędź cieczy), aby przewidzieć odległość i wysokość Ziemia-Księżyc. Dzień (związany z obrotem w prawo) na Ziemi. W szczególności uwzględniono dryf kontynentów, modelując go przy użyciu ruchomej półkulistej warstwy na powierzchni Ziemi, co najmniej do miliarda lat wstecz, a więc do daty, dla której nie mamy już żadnych danych. Oni. Dodała także, że w bardzo odległej przeszłości, 3 miliardy lat temu, Ziemia była pokryta wodą.

Ich wyniki bardzo dobrze odzwierciedlają szacunki z danych warstwowych. Wykazały, że ewolucja dnia i odległość między Ziemią a Księżycem nie były regularne oraz że okresy silnego spowolnienia, takie jak obecne, spowodowane rezonansem oceanicznym, przyćmiły długi (od 1 do 3 miliardów lat) spokojniejszy okres. iw przyszłości?

Nawet przy obecnym znaczącym spowolnieniu synchronizacja cykli nie nastąpi przez kilkadziesiąt miliardów lat. Z drugiej strony, za zaledwie milion lat Księżyc będzie na tyle daleko od Ziemi, że całkowite zaćmienie Słońca będzie jedynie odległym wspomnieniem!