Esta respuesta a la pregunta ¿Es Io una máquina de energía mágica? sugiere que la energía del calentamiento interno de Io debido al "aplastamiento" de las mareas a medida que se acerca y se aleja cíclicamente de Júpiter en su órbita elíptica provendrá de la energía de la órbita de Io. Una órbita de energía más baja es necesariamente más pequeña, y eso significa que la velocidad será mayor. (Cuando desea elevar la órbita de un satélite a una altitud mayor, en realidad usa el empuje en la dirección del movimiento para reducir la velocidad).
Dado que las fuerzas de las mareas son un poco complicadas (cf. ¿Por qué la Luna se aleja de la Tierra debido a las mareas? ¿Es esto típico de otras lunas? ), ¿Es seguro a priori que el calentamiento reducirá la órbita de Io, haciendo que se acelere ? ? (Considere que el retroceso de la Luna de la Tierra se debe en parte al océano líquido de la Tierra, y Júpiter es un gigante gaseoso). ¿Es solo el perijove el que disminuirá o el eje semi-mayor?
¿Cómo puede una fuerza radial (aparentemente, ingenuamente, en promedio) causar una aceleración tangencial? Io está bloqueado por mareas con Júpiter, por lo que su rotación alrededor de su propio eje es sincrónica con su rotación alrededor de Júpiter.
editar: fwiw si las interacciones gravitacionales entre Io y las otras lunas de Júpiter hacen que el problema sea demasiado complejo para responder fácilmente, estoy más interesado en la dinámica básica del calentamiento de las mareas y los efectos en la órbita de una sola luna, en lugar de específicamente Io situación.
¿Cómo puede el calentamiento de las mareas bajar la órbita de Io?
No lo hace, al menos no a primer orden. El efecto de primer orden es que el calentamiento de las mareas actúa para circularizar la órbita de Io. Contrariamente a eso, las resonancias orbitales con Europa y Ganímedes actúan para hacer que la órbita de Io sea más elíptica. Esto conduce a un buen bucle de histéresis.
Supongamos que Io está en una órbita bastante circular. Esto da como resultado tensiones de marea reducidas, lo que hace que Io se enfríe. Un Io más frío y, por lo tanto, más rígido es menos susceptible a las deformaciones de las mareas que un Io más cálido y, por lo tanto, más plástico. Dados dos cuerpos en la misma órbita, uno cálido y plástico, el otro frío y rígido, el cuerpo más cálido sufrirá más deformaciones de marea que el más frío. Esto es capturado por el objeto Número de amor. El inevitable retraso en la respuesta significa que la respuesta no será simétrica sobre periapsis/apoapsis para una órbita elíptica, y cuanto mayor sea la plasticidad, mayor será la asimetría. Esto es capturado por el factor de calidad de marea del objeto. .
Este enfriamiento de Io a medida que su órbita se vuelve casi circular permite que los efectos de resonancia siempre presentes dominen ahora sobre los efectos de circularización. La órbita de Io se vuelve lentamente más elíptica. Esa órbita elíptica aumenta las tensiones de las mareas en el frío y rígido Io, lo que finalmente hace que comience a calentarse y se vuelva más plástico. Los efectos de circularización crecen a medida que la órbita se vuelve más elíptica y que el interior de Io se vuelve más flexible y más plástico. Eventualmente, los efectos de circularización dominan sobre el efecto de resonancia orbital, haciendo que la órbita de Io se vuelva más circular, hasta que el ciclo se repite.
Enjuague y repita, al menos mientras se mantenga la resonancia orbital de tres vías entre Io, Europa y Ganímedes. Hasta donde yo sé, se desconoce cuánto tiempo ha existido esa resonancia de marea de tres vías y cuánto durará.
La respuesta de David Hammen incluye muchos de los detalles interesantes de cómo evoluciona la órbita de Io en el tiempo (y explica por qué Io todavía puede ser volcánico a pesar de que en este momento la órbita de Io es extremadamente circular). También explica que si Io estuviera completamente bloqueada por mareas, sin otras lunas, entonces no se calentaría y su órbita no cambiaría, que puede ser lo que más se preguntaba el interrogador. Tal vez la única pregunta que quede por responder sea, ¿por qué una luna que está en una órbita circular, pero que no gira a la velocidad correcta, encuentra que su órbita cambia?
Para esto, hay un resultado interesante de que si la luna está girando más rápido que su órbita, el retraso en la respuesta de la forma de la luna a su equipotencial de marea significa que los "puntos" de sus protuberancias saldrán antes de la alineación con el planeta. . Esto produce un par de torsión de la gravedad que tiende a ralentizar su giro. Ocurre lo contrario si gira más lento que su órbita. Así es como el giro se bloquea por marea, y hay algo de calentamiento asociado con eso. Pero el sistema planeta-luna (ignorando otras lunas) debe conservar el momento angular, por lo que si el giro se ralentiza, ese momento angular debe aparecer en otro lugar: aparece en la órbita. Entonces, en lugar de pensar en la energía de la órbita (que no se conserva porque se crea calor y los espines cambian), piense en el momento angular del espín más la órbita.
Dado que Io no está bloqueado por mareas, tampoco lo está haciendo, pero en su historial antes de bloquearse, habría hecho lo uno o lo otro. En cuanto a la Tierra y la Luna, la Luna está bloqueada por mareas, pero la Tierra gira más rápido que la órbita de la Luna, por lo que las protuberancias de la Tierra sobresalen por delante de la Luna y, por lo tanto, la Luna reduce nuestro giro. Esa pérdida de momento angular debe entrar en la órbita de la Luna, por eso la Luna se está alejando.
Si piensas en términos de energía, verás que la Tierra está siendo calentada por la gravedad de la Luna. Además, la órbita de la Luna está aumentando en energía. Así que tiene que haber una fuente para ambos, y es la energía del giro de la Tierra. Aquí no hay duda de cómo la energía perdida como calor irradiado por la Tierra puede salir de la órbita de la Luna, porque de hecho la energía orbital está aumentando. Está más claro cómo la energía de espín puede entrar tanto en el calentamiento como en la órbita, porque es el espín el que crea las fuerzas que causan tanto el calentamiento como los efectos orbitales. De manera similar, si una luna está girando más rápido que su propia órbita, entonces ese giro crea fuerzas en la luna que ralentizan su giro, y parte de esa energía se usa para calentar la luna y otra parte para levantar su propia órbita (para conservar el momento angular). ).
alquimista