Kako nastaje usporavanje Zemljine rotacije i udaljavanje Meseca od Zemlje

U odnosu između Zemlje i Meseca dešava se jedan prividan paradoks. Iako Zemlja privlači Mesec jakom gravitacionom silom, on se od nje uporno udaljava. Takođe, iako Zemlja daje ubrzanje Mesecu, oboje se okreću sve sporije. Pa kako se to događa?

Usporavanje Zemljine rotacije događa se zbog prenošenja rotacione energije Zemlje na Mesečevu orbitu putem plima. Zbog svega toga prečnik Mesečeve orbite se povećava pa dolazi i do spiralnog udaljavanja Meseca od Zemlje. Moment rotacije Zemlje se prenosi na Mesečev orbitalni moment, dok plimsko trenje (frikcija) usporava Zemljinu rotaciju. To dodaje ubrzanje Mesecu, što zatim rezultira u povećanju njegovog orbitalnog perioda, tj. njegovom postepenom udaljavanju od Zemlje – oko 4cm godišnje.

Kosmički ringišpil

Zamislite sve ovako: Vozite bicikl na kružnoj stazi oko ringišpila. Vi se vozite u istom smeru kao i ringišpil, ali sporije. Kad biste uspeli da prebacite laso oko jednog konjića na ringišpilu, vi biste odjednom dobili nešto brzine od ringišpila, a ringišpil bi izgubio tačno onoliko koliko je prešlo na vas. Tada bi se i vaša putanja oko ringišpila blago povećala. Da nema konopca da nastavi da vas drži, tog mometa biste se naglo odbili (slingšotovali) dalje od ringišpila. Međutim, kad se laso zategne, vi samo počnete da se krećete na većem rastojanju.

Zamislite sad da vi s vremena na vreme dodatno cimate konopac koji je donekle elastičan, kako biste dobili još brzine. Uprkos tome što se u tim trenucima jače cimnete ka ringišpilu, dodatna sila vas odbacuje još dalje. Vremenom se konopac isteže i vi kružite na sve široj “orbiti” oko ringišpila, a ringišpil se kreće sve sporije… U ovoj analogiji, vaš bicikl je Mesec, ringišpil je Zemlja, a laso je gravitacija…

Međutim, to nije sve.

Plimsko trenje i usporavanje Zemljine rotacije

Mesec podiže plime na zemlji. Strana Zemlje koja je u datom trenutku okrenuta ka Mesecu oseća dejstvo plime jače nego druga strana i središnji deo planete Zemlje. Zbog toga se Zemlja pomalo rasteže, postaje jajasta. Nazovimo te budže na Zemlji, ta odstupanja od okruglog oblika “plimski otoci”.

Svaka masa ima ujedno i gravitaciju, tj. silu teže, silu privlačnosti kojom utiče na susedna tela. Tako i ovi plimski otoci Zemlje vrše dodatno privlačenje Meseca (dodaju uobičajenoj sili gravitacije). Pošto Zemlja rotira brže (24h) od Meseca (27.3 dana), Mesec dobija brzinu od Zemlje (ubrzava) u ovoj jednačini, što proširuje njegovu orbitu. Pošto Zemlja i njeni plimski otoci istovremeno privlače Mesec nazad, rotacija Zemlje usporava. Plimsko trenje, uzrokovano plimskim otocima, oduzima energiju od Zemlje i dodaje je Mesečevoj orbiti, čineći je većom.

Usporavanje Zemljine rotacije rezultera u dužim danima i dužim mesecima. Za oko 100 godina dan će biti duži za 2 milisekunde.

Kada bi se dužina dana poklopila sa dužinom meseca, plimsko trenje bi nestalo. Smatra se da bi ovo zaista moglo da se dogodi u veoma dalekoj budućnosti. Za nekoliko milijardi godina, ukoliko tada Mesec i Zemlja uopšte budu postojali, dan i godina trajaće podjednako – 45 sadašnjih dana. Tada će i Mesec biti 135% dalji od Zemlje nego što je danas.

U orbitalnoj mehanici dobijanje brzine (ubrzanje) automatski znači povećanje orbite. Mesec krade brzinu od Zemlje i time se njegova orbita povećava.

Međutim, paradoksalno – Mesec se zbog toga kreće sporije!

Kao što Mesec podiže plime na Zemlji, tako i Zemlja svojom velikom gravitacijom podiže plime na Mesecu. Plima je na Zemlji najočiglednija na vodenim površinama, ali se ona događa i na kopnu. Isto tako se događa i plima čvrstog tela Meseca. Zemlja ovom gravitacionom silom drži Mesec u sinhronizovanoj rotaciji – Mesečeva rotacija oko sopstvene ose jednaka je njegovom orbitalnom periodu oko Zemlje. Okretanje Meseca oko sopstvene ose traje isto onoliko vremena koliko mu je potrebno da jednom obiđe oko Zemlje.

Zbog toga mi uvek vidimo samo jednu stranu meseca!

S obzirom da Mesec ipak ne orbitira konstantnom brzinom i da osa njegove rotacije ne zaklapa sasvim prav ugao sa njegovom orbitom oko Zemlje, tokom decenija, mi ipak uspevamo da vidimo oko 59% njegove površine.

Mesec, dakle, podiže plime na Zemlji. One su najočiglednije na vodenim površinama – okom je vidljivo dizanje i spuštanje vodenih masa na Zemlji. Kako naša planeta rotira oko svoje ose. Tekuće vode stvaraju trenje u samim tečnim slojevima, ali i spram čvrstih slojeva Zemlje. Ovo crpi energiju iz Zemljine rotacije, koja postaje sve sporija – 2 milisekunde po veku. Ali ta energija mora otići negde – ona odlazi u povećanje Mesečeve orbite.

Da bi ugaoni momenat sistema Zemlja – Mesec ostao očuvan, usporavanje Zemljine rotacije zahteva da se Mesec postepeno spiralno udaljava. Ovo znači da se njegov orbitalni period povećava, a zato što je Mesec gravitacionom silom “privezan” za Zemlju koja ga drži u sinhronizovanoj rotaciji, on rotira sporije.

Mi nikada nećemo videti “tamnu stranu Meseca” – onih 41% njegove površine, iz istog razloga zašto Mesec usporava – njegova rotacija je sinhronizovana sa njegovom orbitom.

Zašto su Sunce i Mesec iste veličine na nebu: Kakve su šanse da je ovo samo puka slučajnost?

NiT