Приливное отопление

Орбитальный и фрикционный нагрев на планете или луне, океаны или внутренние части

Приливный нагрев (также известный как приливная работа или приливное сгибание ) происходит через процессы приливного трения : орбитальная и вращательная энергия рассеивается в виде тепла либо в (или в обоих) поверхностном океане или недрах 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. приливной выпуклости) изменяется в течение его орбиты, создавая внутреннее трение, которое нагревает его внутреннюю часть. Эта энергия, получаемая объектом, исходит из его орбитальной энергии и/или вращательной энергии , поэтому со временем в системе из двух тел первоначальная эллиптическая орбита распадается на круговую орбиту ( приливная циркуляризация ), и периоды вращения двух тел подстраиваются в сторону соответствия орбитальному периоду ( приливная блокировка ). Устойчивый приливной нагрев происходит, когда эллиптическая орбита не может стать круговой из-за дополнительных гравитационных сил от 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 будет сокращаться большая полуось орбиты , а не ее эксцентриситет .

Спутники планет-гигантов

Приливный нагрев отвечает за геологическую активность самого вулканически активного тела в Солнечной системе : Ио , спутника Юпитера . Эксцентриситет Ио сохраняется в результате его орбитальных резонансов с галилеевыми лунами Европой и Ганимедом . ^[1] Тот же механизм обеспечил энергию для таяния нижних слоев льда, окружающих каменистую мантию следующего по близости большого спутника Юпитера, Европы. Однако нагрев последнего слабее из-за уменьшенного изгиба — у Европы половина орбитальной частоты Ио и на 14% меньший радиус; кроме того, хотя орбита Европы примерно в два раза эксцентричнее, чем у Ио, приливная сила падает с кубом расстояния и на Европе всего вчетверо слабее. Юпитер поддерживает орбиты лун с помощью приливов, которые они на нем вызывают, и, таким образом, его вращательная энергия в конечном итоге питает систему. ^[1] Аналогично считается, что у спутника Сатурна Энцелада под ледяной корой есть жидкий водный океан из-за приливного нагрева, связанного с его резонансом с Дионой . Считается, что гейзеры водяного пара , которые выбрасывают материал из Энцелада, питаются трением, возникающим внутри него. ^[2]

Земля

Мунк и Вунш (1998) подсчитали, что Земля испытывает 3,7 ТВт (0,0073 Вт/м2 ⁾ приливного нагрева, из которых 95% (3,5 ТВт или 0,0069 Вт/м2 ⁾ связано с океанскими приливами и 5% (0,2 ТВт или 0,0004 Вт/м2 ⁾ связано с земными приливами , причем 3,2 ТВт обусловлены приливными взаимодействиями с Луной и 0,5 ТВт обусловлены приливными взаимодействиями с Солнцем. ^[3] Эгберт и Рэй (2001) подтвердили эту общую оценку, написав: «Общее количество приливной энергии, рассеиваемой в системе Земля-Луна-Солнце, в настоящее время хорошо определено. Методы космической геодезии — альтиметрия, спутниковая лазерная локация, лунная лазерная локация — сошлись на 3,7 ТВт  ...» ^[4]

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

Луна

Харада и др. (2014) предположили, что приливное нагревание могло создать расплавленный слой на границе ядра и мантии внутри Луны. ^[7]

Формула

Скорость приливного нагрева, , в спутнике, который является спин-синхронным , копланарным ( ), и имеет эксцентрическую орбиту , определяется как: где , , , и являются соответственно средним радиусом спутника, средним орбитальным движением , орбитальным расстоянием и эксцентриситетом. ^[8] - это масса принимающего (или центрального) тела и представляет собой мнимую часть числа Лява второго порядка , которое измеряет эффективность, с которой спутник рассеивает приливную энергию в тепло трения. Эта мнимая часть определяется взаимодействием реологии тела и самогравитации. Следовательно, она является функцией радиуса тела, плотности и реологических параметров ( модуля сдвига , вязкости и других - в зависимости от реологической модели). ^{[9] [10]} Значения реологических параметров, в свою очередь, зависят от температуры и концентрации частичного расплава внутри тела. ^[11] ${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{Tidal}}}$ ${\displaystyle I=0}$ $${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{Tidal}}=-\operatorname {Im} (k_{2}){\frac {21}{2}}{\frac {GM_{h}^{2}R^{5}ne^{2}}{a^{6}}}}$$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle M_{h}}$ ${\displaystyle \operatorname {Im} (k_{2})}$

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

Смотрите также

• Криовулкан
• Приливное ускорение
• Приливная блокировка
• Наблюдатель вулкана Ио
• Планетарная дифференциация

Ссылки

1. Peale, SJ; Cassen, P.; Reynolds, RT (1979). «Плавление Ио приливным рассеянием». Science . 203 (4383): 892–894. Bibcode :1979Sci...203..892P. doi :10.1126/science.203.4383.892. JSTOR  1747884. PMID  17771724. S2CID  21271617.
2. Пил, С. Дж. (2003). «Приливно-индуцированный вулканизм». Небесная механика и динамическая астрономия 87, 129–155.
3. Мунк, Вальтер; Вунш, Карл (1998). «Глубоководные рецепты II: энергетика приливного и ветрового смешивания» (PDF) . Исследования глубоководных районов, часть I: океанографические исследовательские документы . 45 (12): 1977–2010. Bibcode :1998DSRI...45.1977M. doi :10.1016/S0967-0637(98)00070-3 . Получено 26 марта 2023 г. .
4. Эгберт, Гэри Д.; Рэй, Ричард Д. (15 октября 2001 г.). «Оценки диссипации приливной энергии по данным высотомера TOPEX/Poseidon». Журнал геофизических исследований . 106 (C10): 22475–22502. Bibcode : 2001JGR...10622475E. doi : 10.1029/2000JC000699 .
5. Хеллер, Р.; Дуда, Дж. П.; Винклер, М.; Рейтнер, Дж.; Гизон, Л. (2021). «Обитаемость ранней Земли: жидкая вода под слабым молодым Солнцем, облегченная сильным приливным нагревом из-за более близкой Луны». PalZ . 95 (4): 563–575. arXiv : 2007.03423 . Bibcode :2021PalZ...95..563H. doi :10.1007/s12542-021-00582-7. S2CID  244532427.
6. Юре Япель (11 января 2022 г.). «Насколько сильно Луна нагревала молодую Землю?». EOS . 103 . doi : 10.1029/2022EO220017 . Получено 26 марта 2023 г. .
7. Харада, Y; Гусенс, S; Мацумото, K; Ян, J; Пинг, J; Нода, H; Хараяма, J (27 июля 2014 г.). «Сильный приливной нагрев в зоне сверхнизкой вязкости на границе ядра и мантии Луны». Nature Geoscience . 7 (8): 569–572. Bibcode :2014NatGe...7..569H. doi :10.1038/ngeo2211.
8. Segatz, M.; Spohn, T.; Ross, MN; Schubert, G. (август 1988 г.). «Приливная диссипация, поверхностный тепловой поток и рисунок вязкоупругих моделей Ио». Icarus . 75 (2): 187–206. doi :10.1016/0019-1035(88)90001-2.
9. Хеннинг, Уэйд Г. (2009). «Приливно нагретые земные экзопланеты: модели вязкоупругого отклика». The Astrophysical Journal . 707 (2): 1000–1015. arXiv : 0912.1907 . Bibcode : 2009ApJ...707.1000H. doi : 10.1088/0004-637X/707/2/1000. S2CID  119286375.
10. Рено, Джо П.; Хеннинг, Уэйд Г. (2018). «Увеличение приливной диссипации с использованием усовершенствованных реологических моделей: последствия для Ио и приливно-активных экзопланет». The Astrophysical Journal . 857 (2): 98. arXiv : 1707.06701 . Bibcode :2018ApJ...857...98R. doi : 10.3847/1538-4357/aab784 .
11. Эфроимский, Майкл (2012). «Приливная диссипация в сравнении с сейсмической: в малых телах, на Земле и на Суперземлях». The Astrophysical Journal . 746 : 150. arXiv : 1105.3936 . doi : 10.1088/0004-637X/746/2/150 .
12. Эфроимский, Михаил; Макаров, Валерий В. (2014). «Приливная диссипация в однородном сферическом теле. I. Методы». The Astrophysical Journal . 795 (1): 6. arXiv : 1406.2376 . Bibcode :2014ApJ...795....6E. doi : 10.1088/0004-637X/795/1/6 .