Дж. Дарвин создает теорию приливной эволюции системы Земля — Луна

Явление приливов, понятое и объясненное уже Ньютоном (см. здесь с. 75), очень сложно в силу существования материков и островов разных очертаний, разной глубины океанов, имеющих сложный рельеф дна, и многих других причин. Да и вызывающие приливы Луна и Солнце занимают разное положение по отношению к Земле, вследствие чего они действуют то в одном направлении, усиливая приливы, то в противоположном, ослабляя их. Важно иметь в виду то обстоятельство, что в то время как силы притяжения меняются обратно пропорционально квадрату расстояния между небесными телами, приливная сила, т.е. разность притяжений к светилу и центру Земли, в первом приближении меняется обратно пропорционально кубу расстояния между телами.

Приливы происходят и в теле самой Земли, недра которой — горячая магма, раскаленное ядро и даже земная кора — обладают некоторой вязкостью. Сейсмографы обнаруживают приливы в Земле, хотя и с меньшей амплитудой, чем у приливов в океанах. Между водой океана и его дном есть трение. Оно вызывает запаздывание приливов (по сравнению с предсказаниями имевшейся теории приливов), доходящее до 6 часов, при промежутке между приливами около 12 часов.

Дж. Дарвин (сын великого биолога Ч. Дарвина) показал в конце 80-х годов XIX в., что вследствие приливного трения Луна от нас удаляется, одновременно замедляя свое вращение вокруг оси (но этой причине она и обращена теперь к Земле одной стороной). Но замедляется и вращение Земли. Это будет продолжаться до тех пор, пока и на Земле сутки, наконец, не сравняются по своей длине с месяцем (т. е. с периодом обращения Луны), который тоже удлиняется, но гораздо медленнее. Конечно, это происходит при условии, что посторонние силы не вмешиваются в приливную эволюцию системы. Месяц и сутки, по расчетам, станут оба равны 1400 часам или, по другим данным, 11 240 часам (в зависимости от величины трения солнечного прилива). Тогда будет достигнуто положение «приливного равновесия» системы Земля — Луна.

Действительно, удлинение суток подтвердилось при сравнении моментов затмений Солнца, отмеченных в старинных хрониках, с найденными путем современных вычислений их «назад». Кроме того, современные точнейшие часы — кварцевые и атомные — обнаруживают даже кратковременные, более мелкие, колебания скорости вращения Земли, также связанные отчасти с приливным трением. Дарвин рассмотрел эту историю, дойдя до момента, когда Луна обращалась вокруг Земли за время от 2 до 4 часов, при этом почти касаясь Земли, имевшей сутки такой же длительности.

Но такое положение равновесия, при котором не действуют приливные силы, не могло быть устойчивым. Малейшее возмущение и изменение скорости орбитального движения Луны должно было вызвать ряд перемен: Луна либо упала бы на Землю, либо стала отдаляться от нее. Из наблюдаемой ныне картины ясно, что случилось второе. Дарвин не давал в своей строгой математической теории определенного ответа на вопрос о том, как именно произошла Луна. Вместе с тем он подсчитал, что взаимное удаление Земли и Луны должно было начаться 54·10⁶ лет тому назад или несколько ранее.

Вслед за Дж. Дарвином большой вклад в построение теории вращения одиночного симметричного жидкого тела внесли русский механик А.М. Ляпунов, французский математик и небесный механик А. Пуанкаре и особенно английский физик и астрофизик Дж. Джинс, приложивший эту теорию к различным космическим объектам. Они изучали условия равновесия однородных и неоднородных симметричных фигур и установили возможность превращения их в грушевидные (Дарвин), в подобие гантелей и даже в фигуры с двумя перехватами (Джинс).

Рис. 11. Эволюция системы Земля — Луна по Дж. Дарвину

Все они приходили к выводу, что при дальнейшем увеличении угловой скорости вращения этих, например грушевидных, фигур перемычка утончается и такие тела могут распасться. Конечно, вывод о возможности распада такого тела еще не означает, что двойная система Земля — Луна возникла именно при таком катастрофическом распаде, хотя некоторые до сих пор думают, что громадная впадина Тихого океана и есть то место, где произошел разрыв системы. Вместе с тем, обнаруженное отклонение формы Луны от шара (некоторые находят сходство ее с яйцом), причем ее вытянутость направлена «острием» к Земле, есть, несомненно, следствие приливов: «острие», или горб Луны, и есть «застывший прилив».

Вскоре выяснилось, что вращение и приливное трение недостаточны для описания эволюции Солнечной системы. Почему-то у Венеры и Меркурия спутников нет, хотя расстояние Венеры от Солнца, ее масса, размер, наличие плотной атмосферы, казалось, делали ее очень сходной с Землей. Марс имеет два крохотных спутника, приливное воздействие которых на планету ничтожно мало.

Новый интерес к идее приливной эволюции возник в наши дни. Открытый недавно (в 1978 г.) спутник Плутона (Харон) столь близок к нему (и сравним с ним по размерам), что фаза приливной эволюции этой системы, вероятно, критическая. В истории этой пары приливное трение должно было играть большую роль. Но никаких расчетов по этому поводу автор в литературе до сих пор не встречал. По новым данным, Харон, открытый через полвека после открытия самой планеты, отстоит от нее на 20000 км, имеет диаметр около 1300 км, а Плутон имеет диаметр немногим более 3000 км. Значит, промежуток между поверхностями планет составляет около 18000 км, т. е. эта система существенно более тесная, чем в случае Земли и Луны.

До сих пор наша планета со своим спутником резко выделялась в Солнечной системе тем, что ни у одной другой планеты не было такого большого спутника в сравнении с ней. Масса Луны всего в 81 раз меньше земной массы, а диаметр меньше земного только в 4 раза, расстояние же между ними равно 60 радиусам Земли. Теперь же эта исключительность утрачена.

Период обращения Харона около 6,4 земных суток и, видимо, равен периоду вращения Плутона. Следовательно, Харон «висит» всегда над одной и той же точкой поверхности Плутона — положение, которое теория Дарвина предсказывала раньше для начальной фазы истории Земли и Луны вскоре после рождения последней. Итак, новые открытия показывают применимость теории Дарвина не только к системе Земля — Луна. Открылась возможность лучшего соспоставления теории Дарвина с наблюдениями. По аналогии с теоретической историей Земли и Луны можно было бы думать, что в космической шкале времени Харон лишь недавно отделился от Плутона.

В отношении внутренних планет, Меркурия и Венеры, их крайне медленное осевое вращение, несомненно, обусловлено приливами, которые в них вызывало Солнце. Ведь у Меркурия период его осевого вращения, 58 суток (что было установлено лишь в 1965 г. радиоастрономическими методами), составляет ровно 2/3 от периода его обращения вокруг Солнца (88 суток). Так что за 176 земных суток Меркурий делает три оборота по отношению к звездам, два витка по орбите и только один оборот относительно Солнца. Солнечные приливы там в 15 раз более сильные, чем для Земли, и именно они затормозили вращение Меркурия вокруг оси, доведя его солнечные сутки до 176 земных.

На Венере же солнечные сутки равны 584 земным. Поэтому приливная волна на Венере перемещается сейчас крайне медленно и за миллионы лет затормозила ее вращение еще сильнее, чем на Меркурии. А то обстоятельство, что Венера, по-видимому, обращена к Земле всегда одной и той же стороной, вызвано, может быть, земными приливами на Венере, хотя расстояние между этими двумя планетами составляет 30 млн. км при наибольшем их сближении.

Влияние же приливов на планеты-гиганты даже со стороны крупнейших спутников из-за сравнительной малости масс последних очень незначительно. Оно и очень сложно, потому что крупных спутников несколько и расположение их относительно планеты и друг друга все время меняется. Иногда приливные действия их взаимно противоположны.

На ближайшем к Юпитеру (из галилеевых) спутнике Ио, как уже упоминалось, пролетающие космические аппараты зафиксировали с полдюжины действующих вулканов. По одной из гипотез, причиной их активности могут быть приливы в разогретой магнитными процессами магме.

Приливные эффекты до сих пор часто привлекаются к рассмотрению явлений в Солнечной системе. Мы, со своей стороны, ставим вопрос — не является ли продолговатая форма Амальтеи, лишь недавно зафиксированная космическим аппаратом, следствием испытанных ею мощных приливов со стороны Юпитера...