پدیده قفل جزر و مدی، مشاهده شده بین دو موجود نجومی هممدار، با دستیابی یک جسم به حالت چرخشی مشخص میشود که در آن نرخ اسپین آن هیچ تغییر خالصی را در طول یک دوره کامل مداری نشان نمیدهد. هنگامی که یک جسم قفل شده از نظر جزر و مدی چرخش همزمان را نشان می دهد، دوره چرخش محوری آن دقیقاً با دوره مداری آن در اطراف همراه خود مطابقت دارد. تصویر اصلی ماه است، که بهرغم تغییرات جزئی که به مدار غیرکاملا دایرهای آن نسبت داده میشود، بهطور پیوسته همان نیمکره را به زمین نشان میدهد. به طور معمول، فقط ماهواره به صورت جزر و مدی به اصلی عظیم تر خود قفل می شود. با این وجود، در سناریوهایی که اختلاف جرم و فاصله جدایی بین دو جسم نسبتاً کم است، قفل جزر و مدی متقابل میتواند رخ دهد، همانطور که در سیستمهای پلوتون-چارون و اریس-دیزنومیا نشان داده شده است. نامگذاریهای دیگر برای این فرآیند عبارتند از قفل گرانشی، چرخش ضبطشده، و قفل مدار چرخشی.
این پدیده از برهمکنش گرانشی بین دو جرم آسمانی سرچشمه میگیرد، که بهتدریج چرخش یک جسم را تا زمانی که قفل جزر و مدی ایجاد میکند، کاهش میدهد. در بازههای زمانی زمینشناسی، که میلیونها سال را در بر میگیرد، این برهمکنش تغییراتی را در پارامترهای مداری و سرعتهای چرخشی آنها ایجاد میکند که ناشی از تبادل انرژی و اتلاف حرارتی است. هنگامی که جسمی به حالتی برسد که در آن سرعت چرخش آن در طول یک چرخه مداری کامل تغییری نداشته باشد، رسماً از نظر جزر و مد قفل شده در نظر گرفته می شود. این حالت ذاتاً پایدار است، زیرا هرگونه انحراف از آن مستلزم ورود مجدد انرژی به سیستم است. با این حال، مدار یک جسم میتواند در دورههای طولانی تکامل یابد و به طور بالقوه قفل جزر و مدی را مختل کند، به عنوان مثال، از طریق اغتشاشات گرانشی از یک سیاره عظیم.
اصطلاحات "قفل جزر و مدی" و "قفل جزر و مدی" در معرض ابهام تعریفی در ادبیات علمی است. برخی منابع کاربرد آن را تنها به چرخش همزمان 1:1 محدود می کنند، همانطور که با ماه مشاهده می شود، در حالی که برخی دیگر آن را به گونه ای گسترش می دهند که رزونانس های مداری غیرهمگام را در بر بگیرد که در آن هیچ انتقال خالص تکانه زاویه ای در طول یک دوره مداری رخ نمی دهد. به عنوان مثال، عطارد یک رزونانس اسپین-مدار 3:2 از خود نشان میدهد که به ازای هر دو چرخش به دور خورشید، سه چرخش را تکمیل میکند. تحت شرایط خاص، مانند یک مدار تقریباً دایرهای و یک شیب محوری ناچیز (به عنوان مثال، ماه)، قفل کردن جزر و مد تضمین میکند که همان نیمکره جسم در حال گردش همیشه رو به همراه خود باشد. صرف نظر از تعریف اتخاذ شده، نیمکره مرئی جسمی که از نظر جزر و مد قفل شده است، در طول زمان دستخوش تغییرات جزئی می شود، که عمدتاً به دلیل نوسانات در سرعت مداری و تمایل محور چرخشی آن است.
مکانیسم
برای روشن شدن این فرآیند، دو اجرام آسمانی را که به دور هم می چرخند، به نام های A و B در نظر بگیرید. تغییر لازم در سرعت چرخش جسم B برای قفل شدن جزر و مدی با جسم پرجرم A ناشی از گشتاور گرانشی اعمال شده توسط A بر برآمدگی جزر و مدی است که نیروی گرانشی آن بر جسم B ایجاد می کند
نیروی گرانشی آن بر جسم B است.
وابسته به فاصله، اوج گرفتن در نزدیکترین سطح به A و کاهش در دورترین نقطه. این کشش گرانشی دیفرانسیل یک شیب در سراسر جسم B ایجاد می کند و شکل تعادل هیدرواستاتیکی آن را به طرز ماهرانه ای تغییر شکل می دهد. در نتیجه، جسم B در امتداد محوری که به سمت A است کشیده می شود، در حالی که به طور همزمان در ابعاد متعامد این محور کمی منقبض می شود. این تغییر شکل های کشیده را برآمدگی جزر و مدی می نامند. برای مثال، روی زمین، این برآمدگیها میتوانند باعث جابهجایی تقریباً 0.4 متری (1 فوت و 4 اینچ) شوند. قبل از قفل شدن جزر و مد، این برآمدگی ها در سطح B به عنوان یک پیامد مکانیک مداری مهاجرت می کنند، با یکی از دو برآمدگی جزر و مدی برجسته که معمولاً در نزدیکی نقطه A قرار دارند. در مورد اجرام نجومی بزرگ، که شکلهای آنها عمدتاً به دلیل خود گرانشی کروی است، اعوجاج جزر و مدی به صورت یک کروی اندکی پراکنده ظاهر میشود - یک بیضی متقارن محوری که در امتداد محور اصلی آن کشیده شده است. اجسام کوچکتر نیز دچار اعوجاج میشوند، اگرچه شکلهای حاصل از آنها از نظر هندسی کمتر منظم است.مواد تشکیل دهنده بدن B در برابر این تغییر شکل چرخه ای ناشی از نیروی جزر و مد مقاومت می کند. در نتیجه، یک تاخیر زمانی در تنظیم B به شکل تعادل گرانشی آن وجود دارد، که در طی آن چرخش آن برآمدگیهای در حال رشد را در فاصله معینی از محور A-B دور میکند. از منظر بیرونی در فضا، مناطق حداکثر امتداد برآمدگی از محوری که به سمت A است منحرف شده اند. برعکس، اگر دوره چرخشی طولانیتر باشد، برآمدگیها به عقب میافتند.
از آنجایی که برآمدگیها اکنون از محور A-B جابهجا شدهاند، جاذبه گرانشی A در این برجستگیهای جابجا شده، گشتاوری بر روی B ایجاد میکند. گشتاور اعمال شده بر برآمدگی رو به رو A تلاش میکند تا دوره چرخشی B را با دوره مداری آن هماهنگ کند. برعکس، برآمدگی "پشت" که به دور از A است، گشتاوری را در جهت مخالف اعمال می کند. با این وجود، برآمدگی قرار گرفته به سمت A تقریباً به قطر B نسبت به برآمدگی عقب به A نزدیکتر است، در نتیجه نیروی گرانشی و گشتاور حاصله را تجربه میکند. بنابراین، گشتاور خالص تجمعی از هر دو برآمدگی به طور مداوم برای همگام سازی چرخش B با دوره مداری آن عمل می کند و در نهایت به قفل جزر و مدی ختم می شود.
تغییرات مداری
در طول این فرآیند، تکانه زاویه ای کل سیستم A-B حفظ می شود. در نتیجه، با کاهش سرعت جسم B و کاهش در تکانه زاویهای چرخشی، تکانه زاویهای اوربیتال آن به طور متناسب افزایش مییابد (اثرات جزئی بر چرخش A نیز رخ میدهد). این پدیده منجر به افزایش مدار B به دور A، همزمان با کاهش سرعت چرخشی آن می شود. برعکس، اگر B در ابتدا خیلی آهسته بچرخد، قفل جزر و مدی به طور همزمان چرخش آن را تسریع میکند و ارتفاع مداری آن را کاهش میدهد.
قفل جزر و مدی بدن بزرگتر
جسم بزرگتر، A، نیز تحت تأثیر قفل جزر و مدی قرار می گیرد، البته با سرعت کاهش یافته، به دلیل تأثیر گرانشی ضعیف تر B، که از جرم کوچکتر B ناشی می شود. به عنوان مثال، ماه به طور تدریجی چرخش زمین را کاهش می دهد، پدیده ای که در بازه های زمانی زمین شناسی قابل تشخیص است، همانطور که سوابق فسیلی نشان می دهد. برآوردهای معاصر حاکی از آن است که این اثر، همراه با تأثیر جزر و مد خورشید، به افزایش روز زمین از تقریباً 6 ساعت به 24 ساعت کنونی آن در یک دوره 4.5 میلیارد ساله کمک کرده است. در حال حاضر، اندازهگیریهای ساعت اتمی نشان میدهد که روز زمین به طور متوسط تقریباً 2.3 میلی ثانیه در هر قرن طول میکشد. در یک مدت زمان کافی طولانی، این فرآیند یک حالت قفل جزر و مدی متقابل بین زمین و ماه ایجاد می کند. در نتیجه، هم مدت روز زمین و هم ماه قمری طولانی تر می شود. در نهایت، روز بیدریایی زمین با دوره مداری ماه، که تقریباً 47 برابر طول فعلی یک روز زمینی است، هماهنگ می شود. با این وجود، پیشبینی نمیشود که زمین قبل از تبدیل شدن خورشید به یک غول قرمز و دربرگرفتن هر دو جرم آسمانی، به قفل جزر و مدی با ماه دست یابد.
در سیستمهایی که دارای اجسامی با ابعاد مشابه هستند، اثر جزر و مدی میتواند برای هر دو به اندازه یکسان باشد که به طور بالقوه منجر به قفل شدن جزر و مدی متقابل در مقیاس زمانی بسیار کوتاهتر میشود. یک تصویر قابل توجه سیاره کوتوله پلوتو و ماهواره آن، شارون است. این اجسام قبلاً به حالتی رسیده اند که شارون منحصراً از یک نیمکره منفرد پلوتون قابل مشاهده است و بالعکس.
مدارهای عجیب و غریب
یک تصور غلط رایج بر این باور است که یک جرم آسمانی با جزر و مد قفل شده دائماً همان چهره را به میزبان خود نشان می دهد.
در مدارهایی که خروج از مرکز غیر قابل اغماض را نشان میدهند، سرعت چرخش معمولاً با سرعت مداری زمانی که جسم به پریاپسیس میرسد، یعنی نقطه حداکثر تعامل جزر و مدی بین دو جرم آسمانی، هماهنگ میشود. اگر جسم در حال گردش یک همراه داشته باشد، این جسم سوم می تواند تغییرات نوسانی را در سرعت چرخش جسم مادر ایجاد کند. علاوه بر این، این فعل و انفعال میتواند باعث افزایش گریز از مرکز مداری جسم در حال گردش در اطراف اصلی شود، پدیدهای که پمپاژ خروج از مرکز نامیده میشود.
در شرایط مدارهای خارج از مرکز و نیروهای جزر و مدی نسبتاً ضعیف، جسم کوچکتر ممکن است به جای قفل شدن کامل جزر و مد، به حالت رزونانس چرخشی-مدار دست یابد. در چنین رزونانسی، نسبت دوره چرخشی جسم به دوره مداری آن کسری ساده غیر از 1:1 است. یک مثال برجسته، چرخش عطارد است که در یک رزونانس 3:2 با مدارش به دور خورشید قفل شده است. این پیکربندی باعث میشود که سرعت چرخشی آن تقریباً با سرعت مداری آن در نزدیکی حضیض مطابقت داشته باشد.
پیشبینی میشود که سیارات فراخورشیدی متعددی، بهویژه آنهایی که در مجاورت ستارههایشان قرار دارند، رزونانسهای اسپین-مدار بیش از نسبت 1:1 را نشان دهند. به عنوان مثال، یک سیاره زمینی مشابه عطارد می تواند از نظر گرانشی در یک رزونانس چرخشی 3:2، 2:1، یا 5:2 اسیر شود، که احتمال هر نتیجه به گریز از مرکز مداری آن بستگی دارد.
رویداد
قمر
همه بیست قمر کروی شناخته شده در منظومه شمسی به دلیل نزدیکی مداری نزدیک خود، قفل جزر و مدی را با اجسام اولیه خود نشان می دهند، که منجر به افزایش سریع نیروی جزر و مد، متناسب با مکعب معکوس فاصله می شود. برعکس، اکثر ماهوارههای بیرونی نامنظم که به دور سیارات غولپیکر مانند فوبی میچرخند، قفل جزر و مدی را نشان نمیدهند، با توجه به فواصل مداری آنها در مقایسه با قمرهای بزرگتر و به خوبی تثبیت شده.
سیستم پلوتو-چارون نمونهای از قفل جزر و مدی متقابل را نشان میدهد. اندازه قابل توجه شارون نسبت به اولیه آن، همراه با مدار بسیار نزدیک آن، به این پدیده کمک می کند و منجر به حالت قفل جزر و مدی متقابل بین پلوتون و شارون می شود. در مقابل، دیگر ماهوارههای پلوتو - استیکس، نیکس، کربروس و هیدرا - قفل جزر و مدی را نشان نمیدهند. درعوض، چرخش آنها تحت تاثیر کشش گرانشی شارون بی نظم است. قفل کشندی متقابل مشابهی بین اریس و دیسنومیا مشاهده می شود. در حالی که اورکوس و وانت ممکن است متقابلاً به صورت جزر و مدی قفل شده باشند، دادههای کنونی قطعی نیستند.
شیوع قفل شدن جزر و مد در میان قمرهای سیارکی تا حد زیادی نامشخص است. با این وجود، از نظر تئوری پیشبینی میشود که سیارکهای دوتایی در مدار نزدیک و دوتاییهای تماسی قفل جزر و مدی را نشان دهند.
ماه زمین
ماه زمین چرخش همزمان را نشان می دهد، به این معنی که دوره های چرخشی و مداری آن به صورت جزر و مدی قفل می شوند. در نتیجه، ناظران روی زمین به طور مداوم نیمکره ماه مشابهی را مشاهده می کنند. اکثر قسمتهای دور ماه تا سال 1959، زمانی که فضاپیمای شوروی لونا 3 با موفقیت عکسهای اولیه خود را ارسال کرد، مشاهده نشد.
از منظر ماه، موقعیت ظاهری زمین در آسمان تا حد زیادی ثابت است. مکان تقریباً ثابتی دارد و تقریباً تمام سطح خود را در حین چرخش حول محور خود نشان میدهد.
اگرچه دورههای چرخشی و مداری ماه دقیقاً هماهنگ شدهاند، تقریباً 59 درصد از سطح کل آن از طریق مشاهدات مکرر از زمین قابل مشاهده میشود، پدیدهای که به انعکاس و اختلاف اختلاف نسبت داده میشود. لیبراسیون ها عمدتاً از سرعت نوسان مداری ماه ناشی می شوند که نتیجه مدار غیرمرکز آن است که امکان مشاهده حدود 6 درجه اضافی از محیط آن را از زمین فراهم می کند. اختلاف منظر، یک اثر هندسی، به این دلیل رخ می دهد که ناظران روی سطح زمین از خط مستقیمی که مراکز زمین و ماه را به هم متصل می کند، جابه جا می شوند. این جابجایی امکان مشاهده تقریباً 1 درجه اضافی از سطح ماه را در امتداد لبه های آن هنگام مقایسه نماها در طول طلوع و غروب ماه فراهم می کند.
سیارات
از نظر تاریخی، اعتقاد بر این بود که عطارد چرخش همزمان با خورشید را نشان می دهد. این ادراک از مشاهداتی سرچشمه می گیرد که به طور مداوم نیمکره مشابه را در طول دوره های مشاهده بهینه رو به داخل نشان می دهد. با این حال، مشاهدات راداری در سال 1965 نشان داد که عطارد در واقع دارای رزونانس چرخشی مدار 3:2 است، که به ازای هر دو چرخش مداری به دور خورشید، سه چرخش را تکمیل میکند، در نتیجه جهت گیری ثابت آن را در طول این پنجرههای رصدی محاسبه میکند. علاوه بر این، مدلسازی نظری نشان میدهد که عطارد در اوایل تاریخ خود به این وضعیت چرخش مدار 3:2 دست یافته است، احتمالاً طی 10 تا 20 میلیون سال پس از برافزایش آن.
دوره سینودیک 583.92 روزه بین نزدیکهای متوالی نزدیک زهره به زمین دقیقاً مطابق با 5.001444 روز خورشیدی زهره است، که در نتیجه تقریباً همان نیمکره زهره در طول هر اتصال به سمت زمین ارائه میشود. منشا این همبستگی، چه تصادفی باشد و چه نشاندهنده شکلی از قفل شدن جزر و مد با زمین، نامشخص باقی میماند.
Proxima Centauri b، یک سیاره فراخورشیدی که در سال 2016 در مدار پروکسیما قنطورس کشف شد، به احتمال زیاد از نظر جزر و مدی قفل شده است، به طور بالقوه دارای چرخش مجدد، همگامی یا همگامی چرخشی یا همگامی مجدد است. مشابه عطارد.
یک دسته فرضی از سیارات فراخورشیدی قفل شده به صورت جزر و مدی شامل "سیاره های کره چشم" است که بیشتر به زیرگروه های "گرم" و "سرد" طبقه بندی می شوند.
ستاره ها
پیشبینی میشود که در سراسر کیهان، سیستمهای ستارهای دوتایی نزدیک قفل جزر و مدی متقابل را نشان دهند. به طور مشابه، سیارات فراخورشیدی که در مدارهای بسیار نزدیک به دور ستارگان میزبانشان کشف شدهاند نیز تصور میشود که به صورت جزر و مدی به آنها قفل شدهاند. یک نمونه غیر معمول، که توسط بیشتر مشاهدات تایید شده است، شامل تاو بوتیس، ستاره ای است که به طور بالقوه توسط سیاره فراخورشیدی خود، Tau Boötis b، قفل شده است. در این صورت، قفل جزر و مدی تقریباً به طور قطع متقابل است.
مقیاس زمانی
مدت تخمین زده شده برای یک جرم آسمانی برای رسیدن به قفل جزر و مدی را می توان با استفاده از فرمول بعدی محاسبه کرد:
کجا
نشان دهنده سرعت چرخش اولیه است که بر حسب رادیان در واحد زمان کمیت می شود.ω width="thinmathspace"> {\displaystyle \omega \,} .
نشاندهنده محور نیمه اصلی مداری ماهواره است، که مسیر مداری آن را حول میانه سیاره محاسبه میکند. فاصله ها.a {\displaystyle a\,} I {\displaystyle I\,} نشاندهنده لحظه اینرسی ماهواره است، جایی که≈ 0.4 s R §42 43§ {\displaystyle \approx 0.4\;m_{s}R^{2}} جرم ماهواره است وm s {\displaystyle m_{s}} میانگین آن است.R {\displaystyle R} نشان دهنده عملکرد اتلاف ماهواره است.Q {\displaystyle Q\,} نشان دهنده ثابت گرانشی جهانی است.G {\displaystyle G\,} m class="MJX-TeXAtom-ORD"> p {\displaystyle m_{p}\,} عدد عشق جزر و مدی ماهواره است.k class="MJX-TeXAtom-ORD">§10 11§ encoding="application/x-tex">{\displaystyle k_{2}\,}
پارامترها کجا
t §17 18§ a §28 29 29§ ! -->m s m <5-ORD alttext="{\displaystyle t_{\text{lock}}\approx 6\ {\frac {a^{6}R\mu }{m_{s}m_{p}^{2}}}\times 10^{10}\ {\text{years}},}" xmlns="w3.org/1998/Math/MathML">56§p × §66 67§ §69 70§ سال ، سال ، {\displaystyle t_{\text{lock}}\approx 6\ {\frac {a^{6}R\mu }{m_{s}m_{p}^{2}}}\times 10^{10}\ {\text{years}}،}
جرمها بر حسب کیلوگرم، فواصل بر حسب متر و
محور نیمه اصلی، با علامتگذاری به عنوان محور نیمه اصلی xmlns="w3.org/1998/Math/MathML">
در سناریوهایی که شامل قفل جزر و مدی جسم اولیه به ماهوارهاش است، مانند سیستم پلوتو-چارون، پارامترهای ماهواره و جسم اولیه را میتوان در فرمول تعویض کرد.
یک مفهوم مهم برگرفته از این اصول این است که با فرض اینکه همه عوامل دیگر ثابت بمانند (به عنوان مثال،
فرمول های ذکر شده برای محاسبه مقیاس زمانی قفل جزر و مدی ممکن است نادرستی هایی را در فرکانس های مختلف خود نشان دهند. وابستگی مرتبط با
اجرام آسمانی قفل شده جزر و مدی شناسایی شده
در منظومه شمسی
همه اجرام آسمانی که بعداً فهرست شدند به صورت جزر و مدی قفل شده اند. با این حال، به استثنای عطارد، آنها چرخش همزمان را نیز نشان می دهند. عطارد، در حالی که به صورت جزر و مدی قفل است، چرخش همزمان را حفظ نمی کند.
سیاره های فراسیاره ای
- روشهای غالب تشخیص سیارات فراخورشیدی، بهویژه فتومتری عبوری و اندازهگیریهای سرعت شعاعی، ذاتاً دارای یک سوگیری رصدی هستند که از شناسایی سیارات در مجاورت ستارگان میزبانشان حمایت میکند. در نتیجه، 85 درصد از سیارات فراخورشیدی کشف شده در منطقه قفل جزر و مدی قرار دارند که به طور قابل توجهی مانع از ارزیابی دقیق شیوع واقعی این پدیده می شود. نکته قابل توجه، تایید شده است که تاو بوتیس به طور جزر و مدی با سیاره غول پیکر خود، Tau Boötis b که نزدیک به دور در حال چرخش است، قفل شده است.
اجرام آسمانی بالقوه قفل جزر و مدی
منظومه شمسی
فرض بر این است که تعدادی از قمرها از نظر جزر و مدی قفل هستند، نتیجه ای که از مقایسه زمان تخمینی مورد نیاز برای رسیدن به قفل جزر و مدی با مدت زمانی که در مدار فعلی خود حفظ کرده است به دست می آید. برای اکثر قمرهای سیاره ای، این مدت زمان مداری با سن منظومه شمسی قابل مقایسه است. با این حال، داده های چرخشی قطعی برای این قمرهای خاص ناکافی یا ناشناخته باقی مانده است. این موارد عبارتند از:
قمرهای زحلی احتمالاً به صورت جزر و مدی قفل شده اند:
قمرهای اوران به طور بالقوه قفل جزر و مدی:
قمرهای نپتونی احتمالاً قفل جزر و مدی هستند:
اشیاء بالقوه متقابل قفل شده:
- ارکوس و وانت
سیستم های فراخورشیدی
- فرض بر این است که سیارات فراخورشیدی Gliese 581c، Gliese 581b و Gliese 581e به صورت جزر و مدی با ستاره میزبان خود، Gliese 581 قفل شده اند.
- همه سیارات درون منظومه TRAPPIST-1 کاندیدای احتمالی برای قفل شدن جزر و مد در نظر گرفته می شوند.
بقای تکانه زاویه ای به یک کمیت فیزیکی حفظ شده اشاره دارد که معادل چرخشی تکانه خطی را نشان می دهد. صفحاتی که توضیحات مختصری از اهداف تغییر مسیر را نشان می دهند
- حفظ حرکت زاویه ای - کمیت فیزیکی حفظ شده. آنالوگ چرخشی تکانه خطیصفحاتی که توضیحات کوتاهی از اهداف تغییر مسیر را نشان می دهند
- تثبیت گرادیان گرانشی تکنیکی است که برای تثبیت و کنترل جهت گیری فضاپیماهای مختلف استفاده می شود.
- مکانیسم کوزای پدیده ای را توصیف می کند که بر دینامیک مداری یک سیستم دوتایی تأثیر می گذارد.
- رزونانس مداری برهمکنش متقابل گرانشی منظم و دوره ای بین اجرام آسمانی در حال گردش را نشان می دهد.
- قابلیت سکونت سیاره ای به درجه مشخصی از شرایط مناسب برای حیات در سیاره اشاره دارد.
- چرخش شبه سنکرون حالتی از همگام سازی نزدیک بین چرخش و چرخش یک جسم را توصیف می کند، به ویژه در پریاسترون مشاهده می شود.
- حد Roche شعاع مداری را مشخص می کند که در آن یک ماهواره به دلیل نیروهای گرانشی جسم اولیه مستعد فروپاشی است.
- مدار همزمان با دوره مداری جسم نجومی که معادل دوره چرخشی متوسط آن است مشخص می شود.
- شتاب جزر و مد یک پدیده طبیعی است که به عنوان علت اصلی قفل شدن جزر و مد عمل می کند.
- چرخش حول یک محور ثابت، نوع خاصی از حرکت را توصیف میکند.
