Приливное отопление

Орбитальный и фрикционный нагрев на планете, в океанах Луны или внутри нее.

Приливный нагрев (также известный как приливная работа или приливное изгибание ) происходит в результате процессов приливного трения : орбитальная и вращательная энергия рассеивается в виде тепла либо (или обоих) на поверхности океана или внутри планеты или спутника. Когда объект находится на эллиптической орбите , приливные силы , действующие на него, сильнее вблизи перицентра , чем вблизи апоцентра. Таким образом, деформация тела из-за приливных сил (т.е. приливная выпуклость) меняется на протяжении его орбиты, создавая внутреннее трение, которое нагревает его внутреннюю часть. Эта энергия, полученная объектом, исходит из его орбитальной энергии и/или энергии вращения , поэтому со временем в системе двух тел исходная эллиптическая орбита превращается в круговую орбиту ( приливная круговая орбита ), а периоды вращения двух тел корректируются в сторону соответствие орбитальному периоду ( приливная блокировка ). Устойчивый приливный нагрев происходит, когда эллиптическая орбита не может вращаться по кругу из-за дополнительных гравитационных сил со стороны других тел, которые продолжают тянуть объект обратно на эллиптическую орбиту. В этой более сложной системе орбитальная и вращательная энергия все еще преобразуется в тепловую энергию; однако теперь большая полуось орбиты будет уменьшаться, а не ее эксцентриситет .

Луны газовых гигантов

Приливное нагревание ответственно за геологическую активность самого вулканически активного тела Солнечной системы : Ио , спутника Юпитера . Эксцентриситет Ио сохраняется в результате ее орбитального резонанса с галилеевыми спутниками Европой и Ганимедом . ^[1] Тот же механизм обеспечил энергию для таяния нижних слоев льда, окружающего скалистой мантии следующего ближайшего большого спутника Юпитера, Европы. Однако нагрев последнего слабее из-за уменьшенного изгиба - у Европы частота обращения составляет половину орбитальной частоты Ио, а радиус на 14% меньший; Кроме того, хотя орбита Европы примерно в два раза эксцентричнее орбиты Ио, приливная сила падает с кубом расстояния и на Европе составляет лишь четверть силы. Юпитер поддерживает орбиты спутников посредством приливов, которые они вызывают на нем, и, таким образом, его энергия вращения в конечном итоге питает систему. ^[1] Аналогично считается, что спутник Сатурна Энцелад имеет под своей ледяной корой жидкий водный океан из-за приливного нагрева, связанного с его резонансом с Дионой . Считается, что гейзеры водяного пара , выбрасывающие материал с Энцелада, приводятся в действие за счет трения, возникающего внутри него. ^[2]

Земля

Мунк и Вунш (1998) подсчитали, что Земля испытывает приливное нагревание мощностью 3,7 ТВт (0,0073 Вт/м ^{2 ), из которых 95 % (3,5 ТВт или 0,0069 Вт/м 2} ) связано с океанскими приливами и 5 % (0,2 ТВт или 0,0004 Вт/м 2 ). Вт/м ² ) связан с земными приливами , причем 3,2 ТВт обусловлены приливным взаимодействием с Луной, а 0,5 ТВт — приливным взаимодействием с Солнцем. ^[3] Эгберт и Рэй (2001) подтвердили эту общую оценку, написав: «Общее количество приливной энергии, рассеиваемой в системе Земля-Луна-Солнце, теперь четко определено. Методы космической геодезии — альтиметрия, спутниковая лазерная локация, лунная лазерной локации — сошлись до 3,7 ТВт  ...» ^[4]

Хеллер и др. (2021) подсчитали, что вскоре после образования Луны, когда Луна вращалась по орбите в 10–15 раз ближе к Земле, чем сейчас, приливный нагрев мог внести примерно 10 Вт/м ² нагрева в течение, возможно, 100 миллионов лет, и что это могло объяснить повышение температуры на ранней Земле до 5°C. ^{[5] [6]}

Луна

Харада и др. (2014) предположили, что приливный нагрев мог создать расплавленный слой на границе ядра и мантии Луны. ^[7]

Ио

Ближайший спутник Юпитера Ио испытывает значительный приливный нагрев.

Формула

Скорость приливного нагрева на спутнике, который является спин-синхронным , копланарным ( ) и имеет эксцентричную орбиту , определяется выражением: ${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{Tidal}}}$ ${\displaystyle I=0}$

$${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{Tidal}}=-\operatorname {Im} (k_{2}){\frac {21}{2}}{\frac {GM_{h}^{2}R^{5}ne^{2}}{a^{6}}}}$$

среднее орбитальное движениеорбитальное расстояние^[8]числа Лявамодуля сдвигавязкости^{[9] [10][11]} ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle M_{h}}$ ${\displaystyle \operatorname {Im} (k_{2})}$

Приливно-рассеиваемая мощность в несинхронизированном ротаторе определяется более сложным выражением. ^[12]

Смотрите также

• Криовулкан
• Приливное ускорение
• Приливная блокировка
• Наблюдатель за вулканом Ио
• Планетарная дифференциация

Рекомендации

1. Пил, SJ; Кассен, П.; Рейнольдс, RT (1979). «Таяние Ио в результате приливного рассеяния». Наука . 203 (4383): 892–894. Бибкод : 1979Sci...203..892P. дои : 10.1126/science.203.4383.892. JSTOR  1747884. PMID  17771724. S2CID  21271617.
2. Пил, SJ (2003). «Приливно-индуцированный вулканизм». Небесная механика и динамическая астрономия 87, 129–155.
3. Мунк, Уолтер; Вунш, Карл (1998). «Бездные рецепты II: энергетика смешения приливов и ветров» (PDF) . Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 45 (12): 1977–2010. Бибкод : 1998DSRI...45.1977M. дои : 10.1016/S0967-0637(98)00070-3 . Проверено 26 марта 2023 г.
4. Эгберт, Гэри Д.; Рэй, Ричард Д. (15 октября 2001 г.). «Оценки рассеяния приливной энергии на основе данных высотомера TOPEX / Poseidon». Журнал геофизических исследований . 106 (С10): 22475–22502. Бибкод : 2001JGR...10622475E. дои : 10.1029/2000JC000699 .
5. Хеллер, Р; Дуда, Япония; Винклер, М; Райтнер, Дж; Гизон, Л (2021). «Обитаемость ранней Земли: жидкая вода под слабым молодым Солнцем, чему способствует сильный приливной нагрев из-за более близкой Луны». ПалЗ . 95 (4): 563–575. arXiv : 2007.03423 . Бибкод : 2021PalZ...95..563H. дои : 10.1007/s12542-021-00582-7. S2CID  244532427.
6. Юре Джапель (11 января 2022 г.). «Сколько Луна нагрела молодую Землю?». ЭОС . 103 . дои : 10.1029/2022EO220017 . Проверено 26 марта 2023 г.
7. Харада, Ю; Гусенс, С; Мацумото, К; Ян, Дж; Пинг, Дж; Нода, Х; Хараяма, Дж. (27 июля 2014 г.). «Сильный приливной нагрев в зоне сверхнизкой вязкости на границе ядра и мантии Луны». Природа Геонауки . 7 (8): 569–572. Бибкод : 2014NatGe...7..569H. дои : 10.1038/ngeo2211.
8. Сегац, М.; Спон, Т.; Росс, Миннесота; Шуберт, Г. (август 1988 г.). «Приливная диссипация, поверхностный тепловой поток и фигура вязкоупругих моделей Ио». Икар . 75 (2): 187–206. дои : 10.1016/0019-1035(88)90001-2.
9. Хеннинг, Уэйд Г. (2009). «Приливно-нагретые экзопланеты Земли: модели вязкоупругого отклика». Астрофизический журнал . 707 (2): 1000–1015. arXiv : 0912.1907 . Бибкод : 2009ApJ...707.1000H. дои : 10.1088/0004-637X/707/2/1000. S2CID  119286375.
10. Рено, Джо П.; Хеннинг, Уэйд Г. (2018). «Увеличенное приливное рассеяние с использованием передовых реологических моделей: последствия для Ио и приливно-активных экзопланет». Астрофизический журнал . 857 (2): 98. arXiv : 1707.06701 . Бибкод : 2018ApJ...857...98R. дои : 10.3847/1538-4357/aab784 .
11. Эфроимский, Михаил (2012). «Приливная диссипация по сравнению с сейсмической диссипацией: в малых телах, на Земле и в суперземлях». Астрофизический журнал . 746 : 150. arXiv : 1105.3936 . дои : 10.1088/0004-637X/746/2/150 .
12. Ефроимский, Михаил; Макаров, Валерий В. (2014). «Приливная диссипация в однородном сферическом теле. I. Методы». Астрофизический журнал . 795 (1): 6. arXiv : 1406.2376 . Бибкод : 2014ApJ...795....6E. дои : 10.1088/0004-637X/795/1/6 .