Введение

Природное явление, из-за которого происходит приливное захват. Приливное ускорение — это эффект приливных сил между обращающимся естественным спутником (например, Луной) и центральным телом, вокруг которого он обращается (например, Землей). Это ускорение вызывает постепенное удаление спутника с проградной орбиты (переход спутника на более высокую орбиту, удаляющуюся от центрального тела) и соответствующее замедление вращения центрального тела. В конечном итоге этот процесс приводит к приливному захвату, обычно сначала меньшего тела, а затем и большего (например, теоретически Земли через 50 миллиардов лет). Система Земля-Луна является наиболее изученным примером. Аналогичный процесс приливного замедления происходит со спутниками, у которых орбитальный период короче периода вращения центрального тела или которые движутся по ретроградной орбите. Наименование может сбивать с толку, поскольку средняя скорость спутника относительно обращающегося вокруг него тела уменьшается в результате приливного ускорения и увеличивается в результате приливного замедления. Этот парадокс возникает из-за того, что положительное ускорение в определенный момент времени заставляет спутник удаляться на большее расстояние в течение следующей половины орбиты, уменьшая его среднюю скорость. Продолжающееся положительное ускорение заставляет спутник спирально удаляться с уменьшающейся скоростью и угловой скоростью, что приводит к отрицательному угловому ускорению. Продолжающееся отрицательное ускорение оказывает противоположный эффект.

История открытия секулярного ускорения

Эдмонд Галлей первым предположил в 1695 году, что среднее движение Луны, по-видимому, увеличивается по сравнению с древними наблюдениями затмений, но не предоставил никаких данных. (В эпоху Галлея еще не было известно, что на самом деле происходит замедление скорости вращения Земли: см. также Эфемеридное время – История. При измерении как функции среднего солнечного времени, а не равномерного времени, эффект проявляется как положительное ускорение.) В 1749 году Ричард Данторн подтвердил подозрения Галлея после повторного изучения древних записей и представил первую количественную оценку величины этого кажущегося эффекта: столетняя скорость +10″ (секунд дуги) в лунной долготе, что является удивительно точным результатом для того времени и не сильно отличается от значений, оцененных позднее, например, в 1786 году де Лаландом, и для сравнения – от значений примерно от 10″ до почти 13″, полученных примерно столетие спустя. Пьер Симон Лаплас в 1786 году представил теоретический анализ, дающий основу, на которой среднее движение Луны должно ускоряться в ответ на возмущения в эксцентриситете орбиты Земли вокруг Солнца. Первоначальные вычисления Лапласа объясняли весь эффект, таким образом, теория, казалось, аккуратно согласовывалась как с современными, так и с древними наблюдениями. Однако в 1854 году Джон Коуч Адамс заставил вернуться к этому вопросу, обнаружив ошибку в вычислениях Лапласа: оказалось, что только около половины кажущегося ускорения Луны можно было объяснить на основе Лапласа изменением эксцентриситета орбиты Земли. Это открытие Адамса вызвало острые астрономические споры, продолжавшиеся несколько лет, но правильность его результата, с которой согласились другие математические астрономы, включая К.Э. Делоне, в конечном итоге была принята. Вопрос зависел от правильного анализа лунных движений и получил дальнейшее осложнение с другим открытием, примерно в то же время, что другое значительное долгосрочное возмущение, рассчитанное для Луны (предположительно из-за действия Венеры), также оказалось ошибочным, и при повторном исследовании было обнаружено, что оно почти пренебрежимо мало и практически должно было исчезнуть из теории. Частичное решение было предложено независимо друг от друга в 1860-х годах Делоне и Уильямом Феррелем: приливное замедление скорости вращения Земли удлиняло единицу времени и вызывало лунное ускорение, которое было лишь кажущимся. Астрономическому сообществу потребовалось некоторое время, чтобы принять реальность и масштаб приливных эффектов. Но в конечном итоге стало ясно, что при измерении в терминах среднего солнечного времени задействованы три эффекта. Помимо эффектов возмущающих изменений в эксцентриситете орбиты Земли, обнаруженных Лапласом и исправленных Адамсом, существуют два приливных эффекта (комбинация, впервые предложенная Эммануэлем Лиасом). Во-первых, существует реальное замедление угловой скорости орбитального движения Луны из-за приливного обмена угловым моментом между Землей и Луной. Это увеличивает угловой момент Луны вокруг Земли (и перемещает Луну на более высокую орбиту с меньшей орбитальной скоростью). Во-вторых, наблюдается кажущееся увеличение угловой скорости орбитального движения Луны (при измерении в терминах среднего солнечного времени). Это происходит из-за потери углового момента Землей и, как следствие, увеличения продолжительности суток.

Влияние гравитации Луны

Плоскость орбиты Луны вокруг Земли близка к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца (эклиптике), а не к плоскости вращения Земли (экватору), как обычно бывает с планетарными спутниками. Масса Луны достаточно велика, и она находится достаточно близко, чтобы вызывать приливы в веществе Земли. Прежде всего, вода океанов выбухает как в направлении Луны, так и в противоположном. Если бы земные материалы реагировали мгновенно, возникли бы выпуклости непосредственно в направлении и в противоположном направлении от Луны. В твердых земных приливах наблюдается запаздывание реакции из-за рассеяния приливной энергии. Случай с океанами более сложен, но также присутствует задержка, связанная с рассеянием энергии, поскольку Земля вращается быстрее, чем лунная орбитальная угловая скорость. Этот лунитальный интервал в реакциях приводит к тому, что приливная выпуклость перемещается вперед. Следовательно, линия, соединяющая две выпуклости, наклонена относительно направления Земля-Луна, создавая крутящий момент между Землей и Луной. Этот момент увеличивает орбитальную скорость Луны и замедляет вращение Земли. В результате этого процесса средние солнечные сутки, которые должны составлять 86 400 секунд, на самом деле удлиняются при измерении в секундах СИ с помощью стабильных атомных часов. (Когда секунда СИ была принята, она уже была немного короче текущего значения секунды среднего солнечного времени.) Небольшая разница накапливается со временем, что приводит к увеличению расхождения между нашим часовым временем (Всемирным временем) с одной стороны и Международным атомным временем и временем эфемерид с другой: см. ΔT. Это привело к введению координационной секунды в 1972 году для компенсации различий в основах стандартизации времени. Помимо влияния океанических приливов, существует также приливное ускорение, вызванное изгибом земной коры, но оно составляет лишь около 4% от общего эффекта, выраженного в единицах тепловыделения. Если бы другие эффекты игнорировались, приливное ускорение продолжалось бы до тех пор, пока период вращения Земли не совпал бы с периодом обращения Луны. В этом случае Луна всегда находилась бы над одной фиксированной точкой на Земле. Подобная ситуация уже существует в системе Плутон-Харон. Однако замедление вращения Земли происходит недостаточно быстро, чтобы вращение удлинилось до месяца до того, как другие эффекты сделают это неактуальным: примерно через 1–1,5 миллиарда лет постоянное увеличение излучения Солнца, вероятно, приведет к испарению океанов Земли, устранив большую часть приливного трения и ускорения. Даже без этого замедление до месячного дня все равно не будет завершено через 4,5 миллиарда лет, когда Солнце, вероятно, превратится в красного гиганта и, скорее всего, уничтожит и Землю, и Луну. Приливное ускорение является одним из немногих примеров в динамике Солнечной системы так называемого секулярного возмущения орбиты, то есть возмущения, которое непрерывно увеличивается со временем и не является периодическим. С достаточной степенью точности взаимные гравитационные возмущения между крупными или малыми планетами вызывают только периодические изменения в их орбитах, то есть параметры колеблются между максимальными и минимальными значениями. Приливный эффект порождает в уравнениях квадратичный член, который приводит к неограниченному росту. В математических теориях планетарных орбит, лежащих в основе эфемерид, встречаются квадратичные и высшие секулярные члены, но в основном это разложения в ряд Тейлора очень долгопериодических членов. Причина, по которой приливные эффекты отличаются, заключается в том, что, в отличие от далёких гравитационных возмущений, трение является существенной частью приливного ускорения и приводит к постоянной потере энергии из динамической системы в виде тепла. Иными словами, здесь у нас нет гамильтоновой системы.

Угловой момент и энергия

Гравитационный момент между Луной и приливной выпуклостью Земли заставляет Луну постоянно переходить на немного более высокую орбиту, а Землю – замедляться в своем вращении. Как и в любом физическом процессе в изолированной системе, полная энергия и угловой момент сохраняются. Фактически, энергия и угловой момент передаются от вращения Земли к орбитальному движению Луны (однако, большая часть энергии, теряемой Землей (−3,78 ТВт), преобразуется в тепло из-за трения в океанах и их взаимодействия с твердой поверхностью Земли, и только около 1/30 (+0,121 ТВт) передается Луне). Луна удаляется от Земли (+38,30±0,08 мм/год), поэтому ее потенциальная энергия, которая все еще отрицательна (в гравитационном поле Земли), возрастает, то есть становится менее отрицательной. Она остается на орбите, и из третьего закона Кеплера следует, что ее средняя угловая скорость фактически уменьшается, таким образом, приливное воздействие на Луну фактически вызывает угловое замедление, то есть отрицательное ускорение (−25,97±0,05"/век²) ее вращения вокруг Земли. Рассеяние энергии приливным трением в среднем составляет около 3,64 тераватт из извлеченных 3,78 тераватт, из которых 2,5 тераватт приходятся на основной лунный компонент M, а остальное – на другие компоненты, как лунные, так и солнечные. На Земле не существует равновесной приливной выпуклости, поскольку континенты не позволяют этому математическому решению реализоваться. Океанские приливы фактически вращаются вокруг океанических бассейнов в виде огромных вихрей вокруг нескольких амфидромических точек, где прилива нет. Луна притягивает каждую отдельную волну по мере вращения Земли – некоторые волны находятся впереди Луны, другие – позади нее, а третьи – по обе стороны. "Выпуклости", на которые Луна действительно воздействует (и которые воздействуют на Луну), являются чистым результатом интегрирования фактических волн по всем океанам мира.

Исторические свидетельства

Этот механизм работает уже 4,5 миллиарда лет, с тех пор как океаны впервые сформировались на Земле, но его эффективность снижалась в периоды, когда большая часть воды находилась в состоянии льда. Геологические и палеонтологические данные свидетельствуют о том, что в отдалённом прошлом Земля вращалась быстрее, а Луна была ближе к Земле. Приливные ритмиты – это чередующиеся слои песка и ила, отложенные в прибрежной зоне устьевых областей рек с сильными приливными течениями. В этих отложениях обнаруживаются суточные, месячные и сезонные циклы. Эта геологическая летопись соответствует условиям, существовавшим 620 миллионов лет назад: продолжительность дня составляла 21,9±0,4 часа, год включал 13,1±0,1 синодического месяца и 400±7 солнечных дней. Средняя скорость удаления Луны от Земли с тех пор составляла 2,17±0,31 см/год, что примерно вдвое меньше современной скорости. Современная высокая скорость может быть обусловлена близостью к резонансу между естественными частотами океана и приливными частотами. Анализ слоистой структуры окаменелых раковин моллюсков, датируемых 70 миллионами лет назад, поздним меловым периодом, показывает, что в году насчитывалось 372 дня, а продолжительность дня составляла около 23,5 часов.

Другие случаи приливного ускорения

Большинство естественных спутников планет в той или иной степени подвергаются приливному ускорению (обычно незначительному), за исключением двух классов тел, испытывающих приливное замедление. Однако в большинстве случаев этот эффект достаточно мал, чтобы даже спустя миллиарды лет большинство спутников не были утеряны. Вероятно, он наиболее заметен для второй луны Марса, Фобоса, которая может стать астероидом, пересекающим орбиту Земли, после того как покинет гравитационное влияние Марса. Этот эффект также возникает между компонентами двойной звезды. Более того, данное приливное воздействие не ограничивается только планетарными спутниками; оно также проявляется между различными компонентами в двойной звездной системе. Гравитационные взаимодействия внутри таких систем могут вызывать приливные силы, приводящие к сложной динамике между звездами или обращающимися вокруг них телами, и влиять на их эволюцию и поведение в космических масштабах времени.