Kas ir tidālā bloķēšana (sinhronā rotācija)? Skaidrojums un piemēri

Uzzini, kas ir tidālā bloķēšana (sinhronā rotācija), kā tā darbojas, ar skaidriem piemēriem — Mēness, Plutons–Hēraons un orbītas rezonances mehānismiem.

Plūdmaiņu bloķēšana (saukta arī par sinhrono rotāciju vai fiksētu rotāciju) ir stāvoklis, kad viena astronomiskā ķermeņa puse pastāvīgi ir vērsta pret otru. Klasisks piemērs ir Mēness: viena un tā pati Mēness puse vienmēr ir vērsta pret Zemi.

Kā tas notiek?

Plūdmaiņu bloķēšana rodas plūdmaiņu spēku dēļ. Kuros brīžos blakus esošais masīvais objekts izraisa gravitācijas atšķirības ķermeņa tuvākajā un tālākajā pusē, rodas tā sauktā plūdmaiņu izspieduma (bulge). Tā kā ķermenis griežas, plūdmaiņu izspiedums nedaudz aizkavējas vai neprecīzi sakrīt ar starpobjektu līniju, un gravitācijas mijiedarbība rada griezes momentu, kas lēnām maina rotācijas ātrumu. Pēc pietiekami ilga laika rotācijas periods sakrīt ar orbītas periodu, un cilvēks saka, ka ķermenis ir tidāli bloķēts — tā viena puse pastāvīgi vērsta pret partneri.

Piemēri

Tipiski piemēri:

• Mēness — sinhroni bloķēts pie Zemes, tāpēc mēs Zemei redzam tikai vienu Mēness pusi.
• Plutons un Hēraons — abu ķermeņu masas ir salīdzinoši līdzīgas un attālums neliels, tāpēc plūdmaiņas spēks sasaista abos ķermeņos vienlaikus.
• Jupitera pavadoņi, piemēram Io, ir praktiski tidāli bloķēti; tieša blakus esošā rezonanse uztur ekscentricitāti un izraisa spēcīgu plūdmaiņu sasilšanu (tideālo sasilšanu), kas veicina vulkānismu.
• Daudzi tuvie eksoplanētas ap zvaigznēm M tipa zvaigznēs, iespējams, ir tidāli bloķētas, jo to orbītas ir ciešas un bloķēšanas laiki ir salīdzinoši īsi.

Laika mērogs un galvenie faktori

To, cik ātri notiek plūdmaiņu bloķēšana, var aptuveni aprēķināt, taču rezultāts ir jutīgs pret lielu skaitu neprecīzi zināmu parametru. Galvenie faktori ir:

• atstarpes starp ķermeņiem (bloķēšanas laiks strauji pieaug ar attālumu — aptuveni ar a^6 atkarību);
• masas attiecība (masīvāks partneris rada spēcīgākus plūdmaiņu spēkus);
• rotācijas ātrums un ķermeņa inerces moments;
• iekšējās disipācijas īpašības — īpašība Q (koktilitāte) un Love skaitlis k2, kas raksturo, cik viegli ķermenis deformējas un cik efektīvi izkliedē enerģiju;
• orbītas ekscentricitāte un slīpums (obliquitāte) — ja orbīta nav cirkulāra, komplicētākas rezonanses un pseido-sinhronas stāvokļi ir iespējami.

Tipiska formāla izteiksme bloķēšanas laika aptuvenam novērtējumam ir:

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

kur ω ir sākotnējais rotācijas ātrums, a — orbītas puse lielā ass, I — inerces moments, Q — disipācijas faktors, G — gravitācijas konstante, m_p — partnera masa, k2 — Love skaitlis un R — ķermeņa rādiuss. Šī formula dod tikai aptuvenu mērogu, jo Q un k2 bieži nav precīzi zināmi.

Nevienkāršas iespējamas sekas

Plūdmaiņu bloķēšana nav vienīgais iespējamais stāvoklis. Ja orbīta ir ekscentriska vai ķermenis saskarās ar traucējumiem no citiem objektiem, tas var nonākt orbītas rezonansē (piem., 3:2 rezonanse, kā tas ir Merkurija gadījumā — Mercūrijs nav pilnīgi bloķēts, bet atrodas 3:2 spin-orbit rezonansē). Ir arī pseudo-sinhrona rotācija, kad sasniegtais rotācijas ātrums saskan ar vidējo orbitalo kustību ekscentriskā trajektorijā.

Ietekme uz klimatu un dzīvību

Sinhroni bloķētām planētām ir pastāvīga diena vienā pusē un pastāvīga nakts otrā — tas var radīt ļoti lielas temperatūras starpības. Tomēr atmosfēra un okeāni spēj pārvietot siltumu no dienas puses uz nakts pusi, tā mazinot temperatūras kontrastus. Tā sauktā "terminatora" zona (pārejas josla starp dienas un nakts pusi) var būt mērenāka un potenciāli piemērota dzīvībai, ja ir pietiekami biezs atmosfēras slānis vai ūdens klātbūtne.

Kā astronomi to nosaka?

Rotācijas sinhroniju var noteikt, izmantojot novērojumus, kas atklāj rota­cijas periodu (piemēram, vērojot virsmas atspīdumu izmaiņas, spektroskopiski mērījumus vai radarzondēšanu). Eksoplanētu gadījumā rotācijas stāvokli bieži secina netieši — pēc orbītas parametriem, attāluma līdz zvaigznei un modeļiem par plūdmaiņu bloķēšanas laikiem.

Kopsavilkums

Plūdmaiņu bloķēšana jeb sinhronā rotācija ir izplatīts un svarīgs fenomens sistēmās ar ciešu gravitācijas mijiedarbību. Tā veidojas plūdmaiņu izraisītas deformācijas un enerģijas disipācijas rezultātā, un tās iestāšanās laiks un galējais stāvoklis ir atkarīgs no attāluma, masu attiecībām, iekšējām īpašībām un orbītas parametriem. Rezultātā var rasties dažādas situācijas — no vienkārša sinhrona bloķēšanās līdz sarežģītām rezonansēm vai pseido-sinhronām konfigurācijām.

Librācija

Librācija ir svārstīga kustība, ko veic orbītējoši ķermeņi viens attiecībā pret otru. Kā piemēru var minēt Mēness kustību attiecībā pret Zemi vai Trojas asteroīdu kustību attiecībā pret planētām.

Mēness parasti ir ar vienu puslodi vērsts pret Zemi plūdmaiņu bloķēšanas dēļ. Tāpēc pirmo reizi Mēness tālāko pusi mēs ieraudzījām, veicot Mēness izpēti pagājušā gadsimta 60. gados.

Tomēr šis vienkāršais priekšstats ir tikai aptuveni patiess: laika gaitā librācijas dēļ no Zemes ir redzama nedaudz vairāk nekā puse (aptuveni 59%) Mēness virsmas.

Librācija ir Mēness lēna šūpošanās uz priekšu un atpakaļ, skatoties no Zemes, kas ļauj novērotājam dažādos laikos redzēt nedaudz atšķirīgas Mēness virsmas puses.

Mēness simulēti skati viena mēneša laikā, demonstrējot platuma un garuma librāciju.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir plūdmaiņu bloķēšana?

J: Kāds ir klasiskais plūdmaiņu bloķēšanas piemērs?

J: Vai paisuma un bēguma bloķētam ķermenim ir nepieciešams tāds pats laiks, lai rotētu ap savu partneri?

J: Vai plūdmaiņas bloķēšana notiek starp līdzīgas masas ķermeņiem, kas atrodas nelielā attālumā viens no otra?

J: Kas notiktu ar Mēnesi, ja tas pārtrauktu griezties?

Vai ir iespējams noskaidrot, cik ilgā laikā notiek konkrēts plūdmaiņu bloķēšanas gadījums?

Vai plūdmaiņu bloķēšana ir saistīta ar orbitālo rezonansi?

Meklēt pēc burta