กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 10 นาที

ความเร่งจากแรงดึงดูดของกระแสน้ำ

การเร่งความเร็วจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ เป็นผลจาก แรงดึงดูด ระหว่าง ดาวเทียมธรรมชาติ ที่โคจร(เช่น ดวงจันทร์ ) กับ ดาวเคราะห์ หลักที่มันโคจรรอบ (เช่น โลก ) การเร่งความเร็ว นี้...

ความเร่งจากแรงดึงดูดของกระแสน้ำ

ภาพถ่ายโลกและดวงจันทร์จากดาวอังคารการมีอยู่ของดวงจันทร์ (ซึ่งมีมวลประมาณ 1/81 ของโลก) ทำให้การหมุนของโลกช้าลงและทำให้กลางวันยาวขึ้นเล็กน้อยประมาณ 2 มิลลิวินาทีทุกๆ 100 ปี

การเร่งความเร็วจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์เป็นผลจากแรงดึงดูด ระหว่าง ดาวเทียมธรรมชาติที่โคจร(เช่นดวงจันทร์ ) กับ ดาวเคราะห์หลักที่มันโคจรรอบ (เช่นโลก ) การเร่งความเร็ว นี้ ทำให้ดาวเทียมค่อยๆ ถอยห่างออกไปในวงโคจรแบบตามทิศทาง (ดาวเทียมเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรที่สูงขึ้นห่างจากวัตถุหลัก ด้วยความเร็ววงโคจร ที่ต่ำลง และด้วยเหตุนี้จึง มี คาบการโคจรที่ ยาวนานขึ้น ) และทำให้การหมุนของวัตถุหลักช้าลง ซึ่งเรียกว่าการเบรกจากแรงดึงดูด ของดวงจันทร์ ดูวงโคจรแบบซิงโครนัสยิ่งยวดกระบวนการนี้ในที่สุดจะนำไปสู่การล็อกด้วยแรงดึงดูดของดวงจันทร์โดยปกติแล้ววัตถุขนาดเล็กกว่าจะเกิดขึ้นก่อน และต่อมาวัตถุขนาดใหญ่กว่าจะเกิดขึ้น (เช่น ในทางทฤษฎีกับระบบโลก-ดวงจันทร์ในอีก 50 พันล้านปีข้างหน้า) [ 1 ]ระบบโลก-ดวงจันทร์เป็นกรณีที่มีการศึกษามากที่สุด

กระบวนการชะลอความเร็ว เนื่องจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ที่คล้ายคลึงกันนี้ เกิดขึ้นกับดาวเทียมที่มีคาบการโคจรที่สั้นกว่าคาบการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์หลัก หรือดาวเทียมที่โคจรใน ทิศทาง ย้อนกลับดาวเทียมเหล่านี้จะมีอัตราเร็วในการโคจรสูงขึ้นเรื่อยๆ และมีคาบการโคจรสั้นลงเรื่อยๆ จนกระทั่งเกิดการชนกับดาวฤกษ์หลักในที่สุด ดูที่วงโคจรซับซิงโครนั

การตั้งชื่ออาจทำให้สับสนเล็กน้อย เพราะความเร็วเฉลี่ยของดาวเทียมเมื่อเทียบกับวัตถุที่มันโคจรอยู่จะลดลงเนื่องจากแรงเร่งจากน้ำขึ้นน้ำลง และจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงหน่วงจากน้ำขึ้นน้ำลง ความสับสนนี้เกิดขึ้นเพราะแรงเร่งที่เป็นบวกในชั่วขณะหนึ่งจะทำให้ดาวเทียมโคจรออกไปไกลขึ้นในช่วงครึ่งวงโคจรถัดไป ทำให้ความเร็วเฉลี่ยลดลง แรงเร่งที่เป็นบวกอย่างต่อเนื่องจะทำให้ดาวเทียมโคจรออกไปเป็นเกลียวด้วยความเร็วและอัตราเชิงมุมที่ลดลง ส่งผลให้เกิดแรงเร่งเป็นลบ และแรงเร่งที่เป็นลบอย่างต่อเนื่องจะมีผลตรงกันข้าม

ระบบโลก-ดวงจันทร์

ประวัติการค้นพบการเร่งตัวทางโลก

เอ็ดมอนด์ ฮัลลีย์เป็นคนแรกที่เสนอแนะในปี พ.ศ. 2338 [ 2 ]ว่าการเคลื่อนที่เฉลี่ยของดวงจันทร์ดูเหมือนจะเร็วขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับ การสังเกตการณ์ สุริยุปราคา ในสมัยโบราณ แต่เขาไม่ได้ให้ข้อมูลใดๆ (ในสมัยของฮัลลีย์ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าสิ่งที่เกิดขึ้นจริงนั้นรวมถึงการชะลอตัวของอัตราการหมุนของโลกด้วย: ดูเพิ่มเติมที่เวลาปฏิทินดาราศาสตร์ – ประวัติศาสตร์เมื่อวัดเป็นฟังก์ชันของเวลาสุริยะเฉลี่ยแทนที่จะเป็นเวลาสม่ำเสมอ ผลกระทบจะปรากฏเป็นการเร่งความเร็วที่เป็นบวก) ในปี 1749 ริชาร์ด ดันธอร์นยืนยันข้อสงสัยของฮัลลีย์หลังจากตรวจสอบบันทึกโบราณอีกครั้ง และได้ทำการประมาณค่าเชิงปริมาณครั้งแรกสำหรับขนาดของผลกระทบที่ปรากฏนี้: [ 3 ]อัตราการเปลี่ยนแปลงของลองจิจูดดวงจันทร์อยู่ที่ +10″ (อาร์คเซคอนด์) ต่อศตวรรษ ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่แม่นยำอย่างน่าประหลาดใจสำหรับยุคนั้น ไม่แตกต่างจากค่าที่ประเมินในภายหลังมากนักเช่นในปี 1786 โดยเดอ ลาลองด์[ 4 ]และเมื่อเปรียบเทียบกับค่าตั้งแต่ประมาณ 10″ ถึงเกือบ 13″ ที่ได้มาในอีกประมาณหนึ่งศตวรรษต่อมา[ 5 ] [ 6 ]

ในปี ค.ศ. 1786 ปิแอร์-ซีมอง ลาปลาซได้ทำการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีโดยวางพื้นฐานไว้ว่าการเคลื่อนที่เฉลี่ยของดวงจันทร์ควรจะเร่งขึ้นเมื่อตอบสนองต่อ การเปลี่ยนแปลง การรบกวนในความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์การคำนวณเบื้องต้นของลาปลาซได้อธิบายถึงผลกระทบทั้งหมด จึงดูเหมือนว่าทฤษฎีนี้สอดคล้องกับการสังเกตการณ์ทั้งในยุคปัจจุบันและยุคโบราณอย่างลงตัว[ 7 ]

อย่างไรก็ตาม ในปี พ.ศ. 2397 จอห์น เคาช์ อดัมส์ได้ทำให้คำถามนี้ถูกหยิบยกขึ้นมาพิจารณาอีกครั้ง โดยพบข้อผิดพลาดในการคำนวณของลาปลาซ ปรากฏว่ามีเพียงประมาณครึ่งหนึ่งของความเร่งปรากฏของดวงจันทร์เท่านั้นที่สามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของลาปลาซโดยการเปลี่ยนแปลงความเยื้องศูนย์ของวงโคจรของโลก[ 8 ]การค้นพบของอดัมส์ก่อให้เกิดข้อโต้แย้งทางดาราศาสตร์อย่างรุนแรงซึ่งกินเวลาหลายปี แต่ในที่สุดความถูกต้องของผลลัพธ์ของเขา ซึ่งได้รับการยอมรับจากนักดาราศาสตร์คณิตศาสตร์คนอื่นๆ รวมถึงซี.อี. เดลาเนย์ก็ได้รับการยอมรับ[ 9 ]คำถามนี้ขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของดวงจันทร์อย่างถูกต้อง และมีความซับซ้อนมากขึ้นด้วยการค้นพบอีกอย่างหนึ่งในช่วงเวลาเดียวกัน ว่าการรบกวนระยะยาวที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งที่คำนวณไว้สำหรับดวงจันทร์ (ซึ่งสันนิษฐานว่าเกิดจากการกระทำของดาวศุกร์ ) ก็มีข้อผิดพลาดเช่นกัน เมื่อตรวจสอบใหม่พบว่าแทบจะไม่มีนัยสำคัญ และในทางปฏิบัติแล้วต้องหายไปจากทฤษฎี ส่วนหนึ่งของคำตอบได้รับการเสนอแนะอย่างอิสระในช่วงทศวรรษ 1860 โดย Delaunay และWilliam Ferrel : การชะลอตัวของอัตราการหมุนของโลกเนื่องจากกระแสน้ำขึ้นน้ำลงทำให้หน่วยเวลาขยายยาวขึ้นและทำให้เกิดการเร่งความเร็วของดวงจันทร์ซึ่งเป็นเพียงสิ่งที่ปรากฏให้เห็นเท่านั้น[ 10 ]

ต้องใช้เวลาระยะหนึ่งกว่าที่ชุมชนดาราศาสตร์จะยอมรับความจริงและขนาดของผลกระทบจากน้ำขึ้นน้ำลง แต่ในที่สุดก็ชัดเจนว่ามีผลกระทบสามประการที่เกี่ยวข้อง เมื่อวัดในแง่ของเวลาสุริยะเฉลี่ย นอกเหนือจากผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงการรบกวนในความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรของโลก ดังที่ Laplace พบและ Adams ได้แก้ไขแล้ว ยังมีผลกระทบจากน้ำขึ้นน้ำลงอีกสองประการ (การรวมกันที่Emmanuel Liais เสนอเป็นครั้งแรก ) ประการแรกคือ การชะลอตัวที่แท้จริงของอัตราเชิงมุมของการเคลื่อนที่ในวงโคจรของดวงจันทร์ เนื่องจากการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมระหว่างโลกและดวงจันทร์จากน้ำขึ้นน้ำลง ซึ่งจะเพิ่มโมเมนตัมเชิงมุมของดวงจันทร์รอบโลก (และทำให้ดวงจันทร์เคลื่อนไปยังวงโคจรที่สูงขึ้นด้วยความเร็ววงโคจร ที่ต่ำลง ) ประการที่สองคือ การเพิ่มขึ้นที่เห็นได้ชัดของอัตราเชิงมุมของการเคลื่อนที่ในวงโคจรของดวงจันทร์ (เมื่อวัดในแง่ของเวลาสุริยะเฉลี่ย) ซึ่งเกิดจากการสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมของโลกและการเพิ่มขึ้นของความยาวของวัน[ 11 ]

ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์

แผนภาพระบบโลก-ดวงจันทร์แสดงให้เห็นว่าส่วนนูนของน้ำขึ้นน้ำลงถูกผลักไปข้างหน้าอย่างไรโดย การหมุนของ โลกส่วนนูนที่เบี่ยงเบนนี้สร้างแรงบิดสุทธิให้กับดวงจันทร์ ทำให้ดวงจันทร์ เคลื่อนที่เร็วขึ้นในขณะที่การหมุนของโลกช้าลง

ระนาบวง โคจรของดวงจันทร์รอบโลกอยู่ใกล้กับระนาบวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ( ระนาบสุริยวิถี ) มากกว่าที่จะอยู่ในระนาบการหมุนของโลก ( เส้นศูนย์สูตร ) ​​ดังเช่นที่มักเกิดขึ้นกับดาวบริวารของดาวเคราะห์ มวลของดวงจันทร์มีขนาดใหญ่พอและอยู่ใกล้พอที่จะทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลงในสสารของโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำในมหาสมุทรที่จะโป่งออกทั้งเข้าหาและออกจากดวงจันทร์ หากสสารของโลกตอบสนองทันที จะเกิดการโป่งออกโดยตรงเข้าหาและออกจากดวงจันทร์ แต่ใน กรณีของ น้ำขึ้นน้ำลงในโลกที่เป็นของแข็ง จะ มีการตอบสนองที่ล่าช้าเนื่องจากการสูญเสียพลังงานจากน้ำขึ้นน้ำลง กรณีของมหาสมุทรนั้นซับซ้อนกว่า แต่ก็มีความล่าช้าที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียพลังงานเช่นกัน เนื่องจากโลกหมุนด้วยความเร็วเชิงมุมที่เร็วกว่าความเร็วเชิงมุมของวงโคจรของดวงจันทร์ช่วงเวลาระหว่างน้ำขึ้นน้ำลงกับดวงจันทร์นี้ทำให้การโป่งของน้ำขึ้นน้ำลงถูกส่งต่อไปข้างหน้า ด้วยเหตุนี้ เส้นที่ลากผ่านส่วนนูนทั้งสองจึงเอียงเมื่อเทียบกับทิศทางระหว่างโลกและดวงจันทร์ ส่งผลให้เกิดแรงบิดระหว่างโลกและดวงจันทร์ แรงบิดนี้ช่วยผลักดันให้ดวงจันทร์โคจรในวงโคจรเร็วขึ้น และทำให้การหมุนของโลกช้าลง

ผลจากกระบวนการนี้ วันสุริยะเฉลี่ยซึ่งต้องมี 86,400 วินาทีเท่ากัน จะยาวขึ้นเมื่อวัดเป็นวินาทีSI ด้วยนาฬิกาอะตอม ที่เสถียร (วินาที SI เมื่อนำมาใช้ จะสั้นกว่าค่าปัจจุบันของวินาทีของเวลาสุริยะเฉลี่ยเล็กน้อย[ 12 ] ) ความแตกต่างเล็กน้อยนี้สะสมขึ้นเรื่อยๆ ตามเวลา ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างที่เพิ่มขึ้นระหว่างเวลาของนาฬิกาของเรา ( เวลาสากล ) กับเวลาอะตอมสากลและเวลาปฏิทินดาราศาสตร์: ดูΔTสิ่งนี้ทำให้มีการนำวินาทีอธิกสุรทินมาใช้ในปี 1972 [ 13 ]เพื่อชดเชยความแตกต่างในฐานสำหรับการกำหนดมาตรฐานเวลา

นอกเหนือจากผลกระทบของน้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทรแล้ว ยังมีการเร่งความเร็วของน้ำขึ้นน้ำลงเนื่องจากการโค้งงอของเปลือกโลก แต่คิดเป็นเพียงประมาณ 4% ของผลกระทบทั้งหมดเมื่อแสดงในแง่ของการกระจายความร้อน[ 14 ]

หากไม่พิจารณาผลกระทบอื่นๆ การเร่งความเร็วของกระแสน้ำขึ้นลงจะดำเนินต่อไปจนกว่าคาบการหมุนของโลกจะตรงกับคาบการโคจรของดวงจันทร์ ในเวลานั้น ดวงจันทร์จะอยู่เหนือจุดคงที่จุดเดียวบนโลกเสมอ สถานการณ์เช่นนี้เกิดขึ้นแล้วใน ระบบ พลูโต - ชารอนอย่างไรก็ตาม การชะลอตัวของการหมุนของโลกไม่ได้เกิดขึ้นเร็วพอที่จะทำให้การหมุนยาวนานถึงหนึ่งเดือนก่อนที่ผลกระทบอื่นๆ จะทำให้สิ่งนี้ไม่เกี่ยวข้อง: ประมาณ 1 ถึง 1.5 พันล้านปีนับจากนี้ การเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของรังสี จากดวงอาทิตย์ มีแนวโน้มที่จะทำให้มหาสมุทรของโลกกลายเป็นไอ[ 15 ]ซึ่งจะขจัดแรงเสียดทานและการเร่งความเร็วของกระแสน้ำขึ้นลงส่วนใหญ่ แม้ไม่มีสิ่งนี้ การชะลอตัวจนเหลือหนึ่งวันยาวนานหนึ่งเดือนก็ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ภายใน 4.5 พันล้านปีนับจากนี้ เมื่อดวงอาทิตย์น่าจะวิวัฒนาการเป็นดาวยักษ์แดงและอาจทำลายทั้งโลกและดวงจันทร์[ 16 ] [ 17 ]

ความเร่งจากแรงดึงดูดระหว่างดวงดาว (Tidal acceleration) เป็นหนึ่งในตัวอย่างไม่กี่อย่างในพลศาสตร์ของระบบสุริยะ ที่แสดงถึง การรบกวนแบบถาวร ของวงโคจร กล่าวคือ การรบกวนที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามเวลาและไม่เป็นคาบ โดยทั่วไปแล้ว การรบกวน จากแรงโน้มถ่วง ระหว่าง ดาวเคราะห์ใหญ่หรือดาวเคราะห์น้อยจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบในวงโคจรเท่านั้น กล่าวคือ พารามิเตอร์จะแกว่งไปมาระหว่างค่าสูงสุดและค่าต่ำสุด แต่ผลกระทบจากแรงดึงดูดระหว่างดวงดาวทำให้เกิดพจน์กำลังสองในสมการ ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีขีดจำกัด ในทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของวงโคจรของดาวเคราะห์ที่เป็นพื้นฐานของปฏิทินดาราศาสตร์นั้นพจน์กำลังสองและพจน์กำลังสูงกว่าที่เป็นแบบถาวรก็เกิดขึ้นได้ แต่ส่วนใหญ่จะเป็นการขยายอนุกรมเทย์เลอร์ของพจน์ที่เป็นคาบเวลาที่ยาวนานมาก เหตุผลที่ผลกระทบจากแรงดึงดูดระหว่างดวงดาวแตกต่างออกไปก็คือ ต่างจากการรบกวนจากแรงโน้มถ่วงในระยะไกล แรงเสียดทานเป็นส่วนสำคัญของความเร่งจากแรงดึงดูดระหว่างดวงดาว และนำไปสู่การสูญเสียพลังงาน อย่างถาวร จากระบบพลศาสตร์ในรูปของความร้อน กล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ ที่นี่ ไม่มีระบบแฮมิลโทเนียน

โมเมนตัมเชิงมุมและพลังงาน

แรงบิดโน้มถ่วงระหว่างดวงจันทร์และส่วนนูนของน้ำขึ้นน้ำลงของโลกทำให้ดวงจันทร์ถูกผลักดันไปยังวงโคจรที่สูงขึ้นเล็กน้อยอย่างต่อเนื่อง และทำให้การหมุนของโลกช้าลง เช่นเดียวกับกระบวนการทางกายภาพใดๆ ภายในระบบที่แยกตัวพลังงาน รวม และโมเมนตัมเชิงมุมจะถูกอนุรักษ์ไว้ ในทางปฏิบัติ พลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมจะถูกถ่ายโอนจากการหมุนของโลกไปยังการเคลื่อนที่ในวงโคจรของดวงจันทร์ (อย่างไรก็ตาม พลังงานส่วนใหญ่ที่โลกสูญเสียไป (−3.78 TW) [ 18 ]จะถูกแปลงเป็นความร้อนจากการสูญเสียแรงเสียดทานในมหาสมุทรและการปฏิสัมพันธ์กับพื้นโลก และมีเพียงประมาณ 1/30 (+0.121 TW) เท่านั้นที่ถูกถ่ายโอนไปยังดวงจันทร์) ดวงจันทร์เคลื่อนที่ออกห่างจากโลกมากขึ้น (+38.30±0.08 มม./ปี) ดังนั้นพลังงานศักย์ของมัน ซึ่งยังคงเป็นลบ (ในบ่อแรงโน้มถ่วง ของโลก ) จึงเพิ่มขึ้น กล่าวคือ มีค่าลบน้อยลง มันยังคงอยู่ในวงโคจร และจากกฎข้อที่ 3 ของเคปเลอร์จะได้ว่าความเร็วเชิงมุม เฉลี่ยของมัน ลดลงจริง ๆ ดังนั้นแรงดึงดูดของดวงจันทร์จึงทำให้เกิดการลดความเร็วเชิงมุม กล่าวคือ ความเร่งเชิงลบ (−25.97±0.05"/ศตวรรษ² ) ของการหมุนรอบโลก[ 18 ]ความเร็วที่แท้จริงของดวงจันทร์ก็ลดลงเช่นกัน แม้ว่าพลังงานจลน์ ของมัน จะลดลง แต่พลังงานศักย์ของมันกลับเพิ่มขึ้นในปริมาณที่มากกว่า กล่าวคือ E p = -2E c ( ทฤษฎีบทวิเรียล )

โมเมนตัมเชิงมุมการหมุนของโลกจะลดลง ส่งผลให้ความยาวของวันเพิ่มขึ้นน้ำขึ้นสุทธิ บนโลกที่เกิดจากดวงจันทร์จะถูกดึงไปข้างหน้าดวงจันทร์โดยการหมุนของโลกที่เร็วกว่ามาก แรงเสียดทานจากน้ำขึ้นน้ำลงจำเป็นต่อการดึงและรักษาระดับน้ำขึ้นน้ำลงให้อยู่ข้างหน้าดวงจันทร์ และมันจะกระจายพลังงานส่วนเกินจากการแลกเปลี่ยนพลังงานการหมุนและวงโคจรระหว่างโลกและดวงจันทร์ในรูปของความร้อน หากไม่มีแรงเสียดทานและการกระจายความร้อน แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ที่มีต่อระดับน้ำขึ้นน้ำลงจะทำให้น้ำขึ้นน้ำลงกลับมาสอดคล้องกับดวงจันทร์อย่างรวดเร็ว (ภายในสองวัน) และดวงจันทร์จะไม่ถอยห่างออกไปอีกต่อไป การกระจายพลังงานส่วนใหญ่เกิดขึ้นในชั้นขอบเขตด้านล่างที่ปั่นป่วนในทะเลตื้น เช่น ชั้นทวีปยุโรปรอบหมู่เกาะอังกฤษชั้นทวีปปาตาโกเนียนอก ชายฝั่ง อาร์เจนตินาและทะเลเบริง[ 19 ]

การสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทานของกระแสน้ำขึ้นลงโดยเฉลี่ยประมาณ 3.64 เทราวัตต์จาก 3.78 เทราวัตต์ที่สกัดออกมา โดย 2.5 เทราวัตต์มาจากส่วนประกอบหลักของดวงจันทร์ M 2และส่วนที่เหลือมาจากส่วนประกอบอื่นๆ ทั้งจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์[ 18 ] [ 20 ]

บนโลกนี้ไม่มี จุดสมดุลของน้ำ ขึ้นน้ำลง ที่แท้จริง เพราะทวีปต่างๆ ไม่อนุญาตให้เกิดสมการทางคณิตศาสตร์นี้ขึ้นได้ น้ำขึ้นน้ำลงในมหาสมุทรนั้นหมุนวนรอบแอ่งมหาสมุทรเป็นกระแสน้ำวน ขนาดใหญ่ รอบจุดแอมฟิโดรมิก หลาย จุดที่ไม่มีน้ำขึ้นน้ำลงอยู่ ดวงจันทร์ดึงดูดคลื่นแต่ละลูกขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง บางคลื่นอยู่ข้างหน้าดวงจันทร์ บางคลื่นอยู่ข้างหลังดวงจันทร์ และบางคลื่นอยู่ด้านข้าง ส่วน "จุดที่น้ำขึ้นน้ำลง" ที่มีอยู่จริงซึ่งดวงจันทร์ดึงดูด (และดึงดูดดวงจันทร์จริงๆ) นั้นเป็นผลลัพธ์สุทธิของการรวมคลื่นที่เกิดขึ้นจริงทั่วทั้งมหาสมุทรของโลก

หลักฐานทางประวัติศาสตร์

กลไกนี้ทำงานมาแล้ว 4.5 พันล้านปี นับตั้งแต่ที่มหาสมุทรเริ่มก่อตัวบนโลก แต่ทำงานได้น้อยลงในช่วงเวลาที่น้ำส่วนใหญ่หรือเกือบทั้งหมดเป็นน้ำแข็งมีหลักฐานทางธรณีวิทยาและบรรพชีวินวิทยาที่บ่งชี้ว่าโลกหมุนเร็วขึ้นและดวงจันทร์อยู่ใกล้โลกมากขึ้นในอดีตอันไกลโพ้น ริธึมไมต์ของกระแสน้ำขึ้นลงคือชั้นสลับกันของทรายและตะกอนที่ทับถมอยู่บริเวณนอกชายฝั่งของปากแม่น้ำที่มีกระแสน้ำขึ้นลงสูง สามารถพบวัฏจักรรายวัน รายเดือน และตามฤดูกาลได้ในตะกอนเหล่านี้ บันทึกทางธรณีวิทยานี้สอดคล้องกับสภาวะเหล่านี้เมื่อ 620 ล้านปีก่อน: วันหนึ่งมีระยะเวลา 21.9±0.4 ชั่วโมง และมีเดือนสุริยคติ 13.1±0.1 เดือนต่อปี และวันสุริยะ 400±7 วันต่อปี อัตราการถอยห่างเฉลี่ยของดวงจันทร์ระหว่างช่วงเวลานั้นกับปัจจุบันคือ 2.17±0.31 ซม./ปี ซึ่งประมาณครึ่งหนึ่งของอัตราในปัจจุบัน อัตราที่สูงในปัจจุบันอาจเกิดจากการสั่นพ้อง ใกล้เคียงกัน ระหว่างความถี่ของมหาสมุทรตามธรรมชาติและความถี่ของกระแสน้ำขึ้นลง[ 21 ]

การวิเคราะห์ชั้นในเปลือกหอย ฟอสซิลจากยุค ครีเทเชียสตอนปลายเมื่อ 70 ล้านปีก่อนแสดงให้เห็นว่ามี 372 วันต่อปี ดังนั้นวันหนึ่งจึงยาวประมาณ 23.5 ชั่วโมง[ 22 ] [ 23 ]

คำอธิบายเชิงปริมาณของกรณีโลก-ดวงจันทร์

การเคลื่อนที่ของดวงจันทร์สามารถติดตามได้ด้วยความแม่นยำเพียงไม่กี่เซนติเมตรโดยใช้การวัดระยะด้วยเลเซอร์ดวงจันทร์ (LLR) พัลส์เลเซอร์จะสะท้อนจากปริซึมมุมลูกบาศก์บนพื้นผิวของดวงจันทร์ ซึ่งติดตั้งในระหว่าง ภารกิจ Apolloในปี 1969 ถึง 1972 และโดยLunokhod 1 ในปี 1970 และ Lunokhod 2 ในปี 1973 [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]การวัดเวลาการกลับมาของพัลส์จะให้การวัดระยะทางที่แม่นยำมาก การวัดเหล่านี้จะถูกปรับให้เข้ากับสมการการเคลื่อนที่ ซึ่งจะให้ค่าตัวเลขสำหรับการลดความเร็วในระยะยาวของดวงจันทร์ กล่าวคือ ความเร่งเชิงลบในแนวยาว และอัตราการเปลี่ยนแปลงของแกนกึ่งหลักของวงรีโลก-ดวงจันทร์ จากช่วงปี 1970–2015 ผลลัพธ์มีดังนี้:

−25.97 ± 0.05 อาร์คเซคอนด์/ศตวรรษ2ในลองจิจูดสุริยวิถี[ 18 ] [ 27 ]
+38.30 ± 0.08 มม./ปี ในระยะทางเฉลี่ยระหว่างโลกกับดวงจันทร์[ 18 ] [ 27 ]

ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับผล การวัดด้วย เลเซอร์จากดาวเทียม (SLR) ซึ่งเป็นเทคนิคที่คล้ายกันที่ใช้กับดาวเทียมเทียมที่โคจรรอบโลก และสร้างแบบจำลองสนามแรงโน้มถ่วงของโลก รวมถึงสนามแรงโน้มถ่วงของกระแสน้ำขึ้นลง แบบจำลองนี้สามารถทำนายการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ได้อย่างแม่นยำ

สุดท้าย การสังเกตการณ์สุริยุปราคา ในสมัยโบราณ ให้ตำแหน่งของดวงจันทร์ที่ค่อนข้างแม่นยำในช่วงเวลาดังกล่าว การศึกษาจากการสังเกตการณ์เหล่านี้ให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับค่าที่อ้างถึงข้างต้น[ 28 ]

ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของการเร่งความเร็วของกระแสน้ำขึ้นน้ำลงคือการชะลอตัวของการหมุนของโลก การหมุนของโลกค่อนข้างไม่แน่นอนในทุกช่วงเวลา (ตั้งแต่ชั่วโมงถึงศตวรรษ) เนื่องจากสาเหตุต่างๆ[ 29 ]ผลกระทบเล็กน้อยของกระแสน้ำขึ้นน้ำลงไม่สามารถสังเกตได้ในช่วงเวลาสั้นๆ แต่ผลกระทบสะสมต่อการหมุนของโลกที่วัดด้วยนาฬิกาที่เสถียร (เวลาตามปฏิทินดาราศาสตร์ เวลาอะตอมสากล) ของการขาดหายไปเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีในแต่ละวันจะสังเกตเห็นได้ง่ายในไม่กี่ศตวรรษ นับตั้งแต่เหตุการณ์บางอย่างในอดีตอันไกลโพ้น วันและชั่วโมงได้ผ่านไปมากกว่า (วัดจากการหมุนรอบโลกครบหนึ่งรอบ) ( เวลาสากล ) มากกว่าที่จะวัดได้ด้วยนาฬิกาที่เสถียรซึ่งปรับเทียบกับความยาวของวันในปัจจุบัน (เวลาตามปฏิทินดาราศาสตร์) ซึ่งเรียกว่าΔTค่าล่าสุดสามารถหาได้จากInternational Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) [ 30 ] นอกจากนี้ยังมีตารางความยาวของวันจริงในช่วงไม่กี่ศตวรรษที่ผ่านมา[ 31 ]

จากการสังเกตการเปลี่ยนแปลงในวงโคจรของดวงจันทร์ สามารถคำนวณการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในความยาวของวันได้ (โดยที่ "cy" หมายถึง "ศตวรรษ" d หมายถึงวัน s หมายถึงวินาที ms หมายถึงมิลลิวินาที 10⁻³ วินาทีและ ns หมายถึงนาโนวินาที 10⁻⁹ วินาที ):

+2.4 มิลลิวินาที/วัน/ศตวรรษ หรือ +88 วินาที/ปี2หรือ +66 นาโนวินาที/ วัน2

อย่างไรก็ตาม จากบันทึกทางประวัติศาสตร์ในช่วง 2700 ปีที่ผ่านมา พบค่าเฉลี่ยดังต่อไปนี้:

+1.72 ± 0.03 ms/d/century [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]หรือ +63 s/cy 2หรือ +47 ns/d 2 (กล่าวคือ สาเหตุที่เร่งขึ้นเป็นสาเหตุของ -0.7 ms/d/cy)

เมื่อทำการอินทิเกรตสองครั้งในช่วงเวลา ค่าสะสมที่สอดคล้องกันจะเป็นพาราโบลาที่มีสัมประสิทธิ์ T 2 (เวลาในหน่วยศตวรรษยกกำลังสอง) เท่ากับ ( 1 / 2 ) 63 s/cy 2  :

Δ T = ( 1 / 2 ) 63 s/cy 2 T 2 = +31 s/cy 2 T 2 .

กลไกที่ต่อต้านการชะลอตัวของการหมุนของโลกเนื่องจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ คือกลไกที่เร่งการหมุนของโลกนั่นเอง โลกไม่ได้เป็นทรงกลม แต่เป็นทรงรีที่แบนราบบริเวณขั้วโลก โครงการ SLR แสดงให้เห็นว่าความแบนราบนี้กำลังลดลง คำอธิบายก็คือ ในยุคน้ำแข็ง มวลน้ำแข็งขนาดใหญ่ได้สะสมอยู่ที่ขั้วโลกและกดทับหินด้านล่าง มวลน้ำแข็งเริ่มหายไปเมื่อกว่า 10,000 ปีที่แล้ว แต่เปลือกโลกยังไม่อยู่ในสมดุลอุทกสถิตและยังคงดีดตัวกลับ (เวลาในการผ่อนคลายคาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 4,000 ปี) ผลที่ตามมาคือ เส้นผ่านศูนย์กลางของโลกบริเวณขั้วโลกเพิ่มขึ้น และเส้นผ่านศูนย์กลางบริเวณเส้นศูนย์สูตรลดลง (ปริมาตรของโลกต้องคงที่) ซึ่งหมายความว่ามวลเคลื่อนเข้าใกล้แกนหมุนของโลกมากขึ้น และโมเมนต์ความเฉื่อยของโลกลดลง กระบวนการนี้เพียงอย่างเดียวก็ทำให้ความเร็วในการหมุนเพิ่มขึ้น (ปรากฏการณ์ของนักสเก็ตลีลาที่หมุนเร็วขึ้นเรื่อยๆ ขณะที่หดแขน) จากการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์ความเฉื่อย สามารถคำนวณความเร่งของการหมุนได้ โดยค่าเฉลี่ยตลอดช่วงเวลาทางประวัติศาสตร์น่าจะอยู่ที่ประมาณ −0.6 มิลลิวินาทีต่อวันต่อศตวรรษ ซึ่งอธิบายข้อสังเกตทางประวัติศาสตร์ได้เป็นอย่างดี

กรณีอื่นๆ ของการเร่งความเร็วของกระแสน้ำ

ดาวเทียมธรรมชาติส่วนใหญ่ของดาวเคราะห์จะเกิดการเร่งความเร็วเนื่องจากแรงดึงดูดในระดับหนึ่ง (โดยปกติจะมีขนาดเล็ก) ยกเว้นวัตถุสองประเภทที่ความเร็วลดลงเนื่องจากแรงดึงดูด อย่างไรก็ตาม ในกรณีส่วนใหญ่ ผลกระทบมีขนาดเล็กพอที่แม้หลังจากหลายพันล้านปี ดาวเทียมส่วนใหญ่ก็จะไม่สูญหายไป ผลกระทบนี้อาจเด่นชัดที่สุดสำหรับดวงจันทร์ดวงที่สองของดาวอังคารอย่างดีมอสซึ่งอาจกลายเป็นดาวเคราะห์น้อยที่โคจรตัดผ่านโลกหลังจากที่มันหลุดออกจากแรงดึงดูดของดาวอังคาร[ 36 ] ผลกระทบนี้ยังเกิดขึ้นระหว่างองค์ประกอบที่แตกต่างกันใน ระบบ ดาวคู่ด้วย[ 37 ]

ยิ่งไปกว่านั้น ปรากฏการณ์แรงดึงดูดนี้ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะดาวบริวารของดาวเคราะห์เท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ภายในระบบดาวคู่ด้วย ปฏิสัมพันธ์ทางแรงโน้มถ่วงภายในระบบดังกล่าวสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดึงดูด ทำให้เกิดพลวัตที่น่าสนใจระหว่างดาวฤกษ์หรือวัตถุที่โคจรรอบดาวฤกษ์ ส่งผลต่อวิวัฒนาการและพฤติกรรมของพวกมันในช่วงเวลาอันยาวนานระดับจักรวาล

การชะลอตัวของกระแสน้ำ

ในการเร่งความเร็วจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ (1) ดาวเทียมจะโคจรไปในทิศทางเดียวกับ (แต่ช้ากว่า) การหมุนของวัตถุแม่ แรงดึงดูดของดวงจันทร์ที่อยู่ใกล้กว่า (สีแดง) จะดึงดูดดาวเทียมมากกว่าแรงดึงดูดของดวงจันทร์ที่อยู่ไกลกว่า (สีน้ำเงิน) ทำให้เกิดแรงสุทธิที่เป็นบวก (ลูกศรจุดแสดงแรงที่แยกออกเป็นส่วนประกอบ) ในทิศทางการโคจร ยกดาวเทียมขึ้นสู่วงโคจรที่สูงขึ้นในการลดความเร็วจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ (2) เมื่อการหมุนกลับทิศทาง แรงสุทธิจะต้านทิศทางการโคจร ทำให้วงโคจรลดลง

มีให้เลือกสองแบบ:

  1. ดวงจันทร์บริวารเร็ว : ดวงจันทร์ชั้นในบางดวงของดาวเคราะห์ยักษ์และโฟบอสโคจรอยู่ภายใน รัศมีวง โคจรซิงโครนัสทำให้คาบการโคจรของพวกมันสั้นกว่าการหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ พวกมันโคจรรอบดาวเคราะห์เร็วกว่าการหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์ ในกรณีนี้ แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากดวงจันทร์บนดาวเคราะห์จะตามหลังดวงจันทร์ และทำหน้าที่ชะลอความเร็วในการโคจรของดวงจันทร์ ผลสุทธิคือ วงโคจรของดวงจันทร์จะค่อยๆ เสื่อมลงขณะที่มันค่อยๆ เคลื่อนตัวเข้าหาดาวเคราะห์ การหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์ก็จะเร็วขึ้นเล็กน้อยในกระบวนการนี้ ในอนาคตอันไกลโพ้น ดวงจันทร์เหล่านี้จะชนกับดาวเคราะห์หรือโคจรผ่านภายในขอบเขตโรชและถูกแรงโน้มถ่วงทำลายจนแตกเป็นเสี่ยงๆ อย่างไรก็ตาม ดวงจันทร์ดังกล่าวทั้งหมดในระบบสุริยะมีขนาดเล็กมาก และแรงโน้มถ่วงที่เกิดจากพวกมันบนดาวเคราะห์ก็มีขนาดเล็กเช่นกัน ดังนั้นผลกระทบจึงมักอ่อน และวงโคจรจะเสื่อมลงอย่างช้าๆ ดวงจันทร์ที่ได้รับผลกระทบ ได้แก่: บางคนตั้งสมมติฐานว่าหลังจากที่ดวงอาทิตย์กลายเป็นดาวยักษ์แดง การหมุนของพื้นผิวจะช้าลงมาก และจะทำให้ดาวเคราะห์ที่เหลืออยู่ชะลอตัวลงเนื่องจากแรงดึงดูด[ 38 ]
  2. ดาวบริวารที่โคจรย้อนกลับ : ดาวบริวารที่โคจรย้อนกลับทั้งหมดจะประสบกับการลดลงของความเร็วเนื่องจากแรงดึงดูดของดาวเคราะห์ในระดับหนึ่ง เพราะการเคลื่อนที่ในวงโคจรของพวกมันและการหมุนของดาวเคราะห์นั้นอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม ทำให้เกิดแรงดึงกลับจากส่วนที่โป่งออกมาของแรงดึงดูด ความแตกต่างจากกรณี "ดาวบริวารที่โคจรเร็ว" ก่อนหน้านี้คือ การหมุนของดาวเคราะห์ก็ช้าลงด้วย แทนที่จะเร็วขึ้น (โมเมนตัมเชิงมุมยังคงอนุรักษ์ไว้ เพราะในกรณีเช่นนี้ ค่าการหมุนของดาวเคราะห์และการโคจรของดวงจันทร์จะมีเครื่องหมายตรงกันข้าม) ดาวบริวารเพียงดวงเดียวในระบบสุริยะที่ผลกระทบนี้ไม่สามารถละเลยได้คือไทรทัน ดวงจันทร์ของดาวเนปจูน ดาวบริวารที่โคจรย้อนกลับดวงอื่นๆ ทั้งหมดอยู่ในวงโคจรที่ห่างไกล และแรงดึงดูดระหว่างพวกมันกับดาวเคราะห์นั้นน้อยมากจนสามารถละเลยได้

เชื่อกันว่า ดาวพุธและดาวศุกร์ไม่มีดาวบริวาร เนื่องจากหากมีดาวบริวารจริง ดาวบริวารเหล่านั้นคงจะลดความเร็วลงและพุ่งชนดาวเคราะห์ทั้งสองไปนานแล้ว เพราะความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของทั้งสองดาวเคราะห์นั้นช้ามาก นอกจากนี้ ดาวศุกร์ยังหมุนทวนเข็มนาฬิกาอีกด้วย

ดูเพิ่มเติม

  • การโคจรถอยห่างของดวงจันทร์และอายุของระบบโลก-ดวงจันทร์
  • การให้ความร้อนจากกระแสน้ำขึ้นลง ตามที่ศาสตราจารย์โทบี สมิธ แห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้อธิบายไว้(เก็บถาวรเมื่อวันที่ 2 สิงหาคม 2010 ที่Wayback Machine)
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tidal_acceleration&oldid=1345237640 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ความเร่งจากแรงดึงดูดของกระแสน้ำ

การเร่งความเร็วจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ เป็นผลจาก แรงดึงดูด ระหว่าง ดาวเทียมธรรมชาติ ที่โคจร(เช่น ดวงจันทร์ ) กับ ดาวเคราะห์ หลักที่มันโคจรรอบ (เช่น โลก ) การเร่งความเร็ว นี้...

ประวัติการค้นพบการเร่งตัวทางโลก

เอ็ดมอนด์ ฮัลลีย์ เป็นคนแรกที่เสนอแนะในปี พ.ศ. 2338 [ 2 ] ว่าการเคลื่อนที่เฉลี่ยของดวงจันทร์ดูเหมือนจะเร็วขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับ การสังเกตการณ์ สุริยุปราคา ในสมัยโบราณ แต่เขาไม่ได้ให้ข้อมูลใดๆ...

ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์

ระนาบวง โคจร ของดวงจันทร์รอบโลกอยู่ใกล้กับระนาบวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ( ระนาบสุริยวิถี ) มากกว่าที่จะอยู่ในระนาบการหมุนของโลก ( เส้นศูนย์สูตร ) ​​ดังเช่นที่มักเกิดขึ้นกับดาวบริวารของดาวเคราะห์ มวลของดวงจันทร์มีขนาดใหญ่พอและอยู่ใกล้พอที่จะทำให้เกิดน้ำขึ้น...

โมเมนตัมเชิงมุมและพลังงาน

แรงบิดโน้มถ่วงระหว่างดวงจันทร์และส่วนนูนของน้ำขึ้นน้ำลงของโลกทำให้ดวงจันทร์ถูกผลักดันไปยังวงโคจรที่สูงขึ้นเล็กน้อยอย่างต่อเนื่อง และทำให้การหมุนของโลกช้าลง เช่นเดียวกับกระบวนการทางกายภาพใดๆ ภายในระบบที่แยกตัว พลังงาน รวม และ โมเมนตัมเชิงมุม จะถูกอนุรักษ์ไว้...