太陽系における潮汐の影響

控えめだが強力な力

宇宙では、重力と慣性の間のバランスが動きを形成します。重力相互作用の中には、潮汐力その繊細さと範囲の広さで際立っています。それらは拡張されたボディに作用し、変形差距離が離れると重力が減少するためです。これらの力は惑星の回転を変化させ、内部加熱を引き起こしたり、軌道を安定させたりします。それらの重要性は、それらを考慮せずに惑星系を正しくモデル化できないほどです。

なぜ重力の変化により拡張されたボディが変形するのか

球形の天体 (地球やイオなど) が、月や木星のような別の巨大な天体の重力を受けると想像してみましょう。ニュートン重力は局所的に次のように表されます。 \[ F = \frac{GMm}{r^2} \] この力は重心間の距離 \(r\) に依存します。ただし、延長された物体は、引き付けられる物体に対して、近い部分と遠い部分との間の距離に大きな差が生じます。この重力勾配は、星に面する半球とその反対側の半球の間に差力を引き起こします。

この力の差により、ストレッチ影響を受けた体の：それはわずかに変化します楕円体、その主軸はアトラクター オブジェクトの方向を向いています。この現象は純粋に重力によるものであり、影響を受ける体の半径に比例します、大規模な惑星の近くにある大きな衛星の場合はより強力になります。

ボディが回転している場合、変更されたシェイプは外部オブジェクトと完全に整列しません。これにより、潮のカップル、機械エネルギーを熱に放散し、回転を変更するように作用します。このメカニズムは、多くの回転ロックと地球の減速の原因となっています。

つまり、潮汐力は基本的な事実を地球物理学的に表現したものです。重力は均一ではない拡張されたオブジェクト上では、自然に緊張と内部の再編成が生成されます。

目に見えないけれど重要な仕組み

逸話ではなく、潮汐の影響は天体の進化を深く構造化します。自然衛星の同期から衛星の居住可能性に至るまで、それらは惑星力学の中心です。彼らの理解は、軌道のモデル化、地質活動の予測、さらには海洋世界の生物学的可能性の評価にも不可欠です。氷の衛星と同様に系外惑星の研究において、潮汐は目に見えないが決定的な鍵となる。

重力勾配

潮汐力は、延長された物体の重力場の変化から発生します。体の一方の側はアトラクター オブジェクト (通常は惑星または星) に近く、もう一方の側は遠くになります。重力の強さの違いにより、内部張力体内で、その結果、弾性または粘性変形、その組成に応じて。

ニュートン近似は、潮汐力の強さを重力ポテンシャルの二次導関数で表します。 \[ a_\text{潮汐} \およそ \frac{2GM R}{d^3} \] ここで、 \( G \) は重力定数、 \( M \) は引き寄せる星の質量、 \( R \) は影響を受ける天体の半径、 \( d \) はそれらの距離です。 \(1/d^3\) の項は、潮汐効果が距離とともに非常に急速に減少することを示しており、これはイオ-木星やエンケラドゥス-土星のような密集した衛星システムにおけるその力を説明しています。

木星と土星の内衛星の潮汐勾配

この表は、巨大惑星が近くの衛星に及ぼす加速度差 (重力勾配) を示しています。勾配が急であればあるほど、潮汐効果はより顕著になります。

計算に基づく計算: 木星の質量 \( M_J = 1.898 \times 10^{27} \) kg、土星の質量 \( M_S = 5.683 \times 10^{26} \) kg、\( G = 6.674 \times 10^{-11} \ \mathrm{m^3 \cdot kg^{-1} \cdot s^{-2}} \)。出典:NASA NSSDC、JPL 太陽系ダイナミクス。

動的結果: 回転と軌道

潮汐力は、影響を受ける物体の回転軸を発生源の物体に向かう方向に揃える傾向があります。これにより、カップルが発生します。回転が遅くなる体からエネルギーを熱の形で放散します。これ内部摩擦長期的には回転のロックを引き起こします（例、月は地球を周回するのと同じ速度で回転します）。

地球では、この散逸により地球の自転が遅くなり（日の長さは 1 世紀あたり約 2.3 ミリ秒増加します）、角運動量を月に伝達する、月の再帰反射体によって測定される速度 (約 3.8 cm/年) でゆっくりと遠ざかっています。この軌道進化のプロセスは一般的であり、主星に近い系外惑星（たとえば、かに座 55 番星のような「熱い」惑星）にも影響を与えます。

地質学的影響: イオ、タイタン、ヨーロッパ

潮汐力は軌道を形作るだけではありません。内部衛星では、彼らは次のような役割を担っています。粘性散逸による加熱: 内部は周期的な応力の影響で常に変形しています。この内部加熱は 1 平方メートルあたり数十ミリワットに達する可能性があります。

• イオ: 太陽系で最も火山性の高い月。そのわずかに偏心した軌道（エウロパとガニメデとの共鳴によって維持されている）はリズミカルな伸縮を引き起こし、岩石の内部を液化させます。噴火により、その表面は溶融硫黄とケイ酸塩で覆われます。
• ヨーロッパ: その氷の地殻は深さ 100 km の塩水の海にあります。潮汐エネルギーのおかげで水は液体に保たれており、エウロパは地球外生命体探索の主要な標的となっている。
• エンケラドゥス: カッシーニによって観測されたその極の間欠泉は、水蒸気と粒子のプルームを放出し、土星の E 環に供給します。
• タイタン: より遠くにありますが、潮汐効果と重力圧力によって維持される内海と互換性のある形状の変化を示します。

太陽系における潮汐効果の表

出典:NASA の太陽系探査、arXiv:2206.01297、PSJ2021