Potvynių užrakinimas (sinchroninis sukimas) – apibrėžimas ir pavyzdžiai

Potvynių ir atoslūgių blokavimas (arba užfiksuotas sukimasis) yra būsena, kai viena astronominio kūno pusė nuolat nukreipta į kitą kūną. Tai dar vadinama sinchroniniu sukimu. Klasikinis pavyzdys yra Mėnulis: ta pati Mėnulio pusė nuolat atsukta į Žemę, todėl mes matome beveik visada tą pačią Mėnulio paviršiaus dalį.

Kaip susidaro potvynių užrakinimas

Potvynių jėgos atsiranda dėl gravitacijos skirtumo: artimesnė kūno dalis patiria stipresnę trauką nei toliau esanti. Dėl to susidaro potvynių išgaubos (dubiniai) ir atsiranda sukimo momento (torque), kuris laipsniškai keičia kūno sukimosi greitį. Jei sukimosi periodas ilgainiui suderėja su orbitos periodu, kūnas tampa užrakintas—jo sukimosi laikas aplink savo ašį tampa lygus laikui, per kurį jis apsisuka aplink partnerį.

Tipiniai atvejai ir pavyzdžiai

• Mėnulis–Žemė: Mėnulis yra potvyniškai užrakintas Žemės atžvilgiu.
• Plutonas–Charonas: ši pora yra dvigubai užrakinta: tiek Plutonas, tiek Charonas visada rodo vienas kitam tą pačią pusę, nes jų masės yra panašios ir atstumas nedidelis (Plutono ir Charono atvejis).
• Palydovai prie didelių planetų: daug nykštukinių ir didelių palydovų Saulės sistemoje yra užrakinti prie savo planetų; dažnai aplink didesnį kūną būna užfiksuotas tik palydovas.
• Ekstremesni atvejai: kai masės panašios ir atstumas mažas, potvynių jėga gali pririšti vieną kūną prie kito, kaip minėta Plutono–Charono sistemoje.
• Neužrakintos, bet rezonansiniai atvejai: kai kurių planetų, pvz., Merkurijaus, sukimosi ir orbitos santykis yra rezonansas (Merkurijus yra 3:2 spin–orbit rezonanse, todėl jis nėra visiškai sinchroniškai užrakintas).

Libration ir matoma paviršiaus dalis

Net ir esant sinchroniniam sukimui, dėl elipsinės orbitos arba ašies pakreipimo kūnas gali šiek tiek „kratytis“ — tai vadinama libracija. Dėl libracijos iš Žemės galime per laiką pamatyti apie 59 % Mėnulio paviršiaus, o ne tik 50 %.

Kiek laiko užtrunka užrakinimas?

Galima apytiksliai įvertinti potvynių užrakinimo trukmę, tačiau rezultatai yra labai priklausomi nuo kelių neaiškių parametrų: kūno standumo, potvyninio deformacijos stiprumo (Love skaičius k2), vidinio nuostolių parametro (kokybės faktorius Q), pradinio sukimosi greičio ir orbitos ekscentriškumo. Viena dažnai naudojama apytikslė formulė užrakinimo laikui t_lock yra:

t_lock ≈ (ω a^6 I Q) / (3 G m_p^2 k2 R^5)

čia ω — pradinė sukimosi kampinė greitis, a — pusiau didžioji pusiau ašies reikšmė (orbitos spindulys), I — inercijos momentas kūnui, Q — potvyninis kokybės faktorius, G — gravitacinė konstanta, m_p — partnerio (pagrindinio kūno) masė, k2 — Love skaičius, R — užrakinamo kūno spindulys. Ši formulė duoda tik eilinę tvarką vertės; tikslus laikas gali skirtis keliais dydžiais.

Potvynių užrakinimo pasekmės

• Šiluminė disipacija: energija, išsiskirianti dėl potvynių deformacijų, šyla kūno viduje — tai gali sukelti vulkanizmą ar vidinį aktyvumą (pvz., Io atveju dėl potvyninių įtempimų rezonansų tarp palydovų).
• Klima ir gyvybingumas: planetos, užrakintos prie žvaigždės (ypač aplink mažas M-tipo žvaigždes), turi nuolatinę dienos ir nakties puses. Jei atmosfera (ar vandenynai) yra pakankamai tankūs, šiluma gali būti pernešama į nakties pusę, mažinant temperatūrų kontrastą; kitaip viena pusė gali būti labai karšta, kita — labai šalta. Tai svarbu vertinant egzoplanetų gyvybingumą.
• Dvipusis užrakinimas: jei abu kūnai yra užrakinti vienas kitam (dvigubas sinchronizmas), orbitos orientacija ir pasukimo charakteristikos būna stabili, kaip Plutono–Charono sistemoje.

Orbitinio rezonanso ir užrakinimas

Potvynių užrakinimas yra glaudžiai susijęs su orbitinio rezonanso reiškiniais. Resonansai gali palaikyti ekscentriškumą ir taip ilgiau palaikyti potvyninį šildymą bei neleisti pilnai sinchronizuotis, arba priešingai — pagreitinti tam tikras evoliucijas priklausomai nuo sistemos parametrų.

Santrauka

Potvynių ir atoslūgių blokavimas yra plačiai paplitęs dėsningumas Saulės sistemoje ir tikėtinas daugelyje egzoplanetinių sistemų. Jis priklauso nuo masių, atstumų, vidinių savybių (k2, Q) ir pradinio sukimosi. Nors sinchroninis sukimasis atrodo paprastas reiškinys (rotacija = orbita), realios sistemos rodo įvairias išvestines: libracijas, rezonansus, potvyninį šildymą ir klimatines pasekmes, kurios daro didelę įtaką planetų ir palydovų evoliucijai bei galimai gyvybei.

Libracija

Libracija - tai orbitinių kūnų svyruojantis judėjimas vienas kito atžvilgiu. Pavyzdžiai: Mėnulio judėjimas Žemės atžvilgiu arba Trojos asteroidų judėjimas planetų atžvilgiu.

Dėl potvynių ir atoslūgių Mėnulis paprastai yra vienu pusrutuliu atgręžtas į Žemę. Todėl pirmą kartą tolimąją Mėnulio pusę pamatėme 1960 m. atlikę Mėnulio tyrimus.

Tačiau šis paprastas vaizdas teisingas tik apytiksliai: laikui bėgant dėl libracijos iš Žemės matoma šiek tiek daugiau nei pusė (apie 59 %) Mėnulio paviršiaus.

Libracija - tai lėtas Mėnulio svyravimas pirmyn ir atgal, žiūrint iš Žemės, todėl stebėtojas skirtingu metu mato šiek tiek skirtingas Mėnulio paviršiaus puses.

Simuliuoti Mėnulio vaizdai per vieną mėnesį, demonstruojant platumos ir ilgumos libbracijas

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra potvynių ir atoslūgių blokavimas?

K.: Koks yra klasikinis potvynių ir atoslūgių blokavimo pavyzdys?

Klausimas: Ar potvynių ir atoslūgių sandūroje esantis kūnas sukasi tiek pat laiko, kiek sukasi aplink savo partnerį?

Klausimas: Ar potvyninis užblokavimas vyksta tarp panašios masės ir nedideliu atstumu vienas nuo kito esančių kūnų?

K: Kas atsitiktų Mėnuliui, jei jis nustotų suktis?

Klausimas: Ar galima nustatyti, kiek laiko reikia, kad įvyktų tam tikras potvynių ir atoslūgių blokavimo atvejis?

Klausimas: Ar potvynių ir atoslūgių blokavimas susijęs su orbitiniu rezonansu?

Paieška pagal raidę