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Aceleración de marea

La aceleración de marea es un efecto originado por la fuerza de marea, que es producida por un satélite natural en órbita (en nuestro caso, la Luna) sobre un planeta primario que es orbitado (en nuestro caso, la Tierra). Ésta aceleración, es comúnmente negativa a causa de la disminución gradual de la velocidad de rotación del objeto primario y al alejamiento progresivo del satélite. El proceso finalmente conduce a la fijación de marea o anclaje mareal (la fijación de marea es un término astronómico que describe un cuerpo celeste que gira alrededor de otro cuerpo con una cara siempre hacia el cuerpo que está orbitando) del más pequeño primero, y más tarde del cuerpo más grande. El sistema Tierra-Luna es el caso mejor estudiado.

Imagen de la Tierra y la Luna tomada desde Marte. La presencia de la Luna (que es de alrededor de 1/81 de la masa de la tierra), está desacelerando la rotación de la Tierra y la duración del día en torno a 2ms cada cien años.

Existe un proceso similar a la aceleración de marea, se da en satélites cuyo periodo orbital es más corto que el periodo orbital del objeto que orbitan, o que orbitan en dirección antihoraria.

Sistema Tierra-Luna

Historia del descubrimiento de la aceleración secular

Edmon Halley fue el primero en sugerir, en 1695,[1]​ la idea de que el movimiento medio de la Luna era aparentemente cada vez más rápido, en comparación con antiguas observaciones de eclipses, aunque no dio datos específicos. (En la época de Edmon Halley todavía no se conocía lo que en realidad estaba ocurriendo, pues incluía una ralentización de la velocidad de rotación de la Tierra. Vea también Tiempo de efemérides. Cuando se mide en función del tiempo solar medio en lugar de en tiempo uniforme, el efecto aparenta ser una aceleración positiva.) En 1749 Richard Dunthorne confirmó las sospechas de Edmon Halley después de re-examinar antiguos registros, y produjo la primera estimación cuantitativa de la magnitud de este efecto aparente:[2]​ una tasa de +10" (segundos de arco) por siglo de longitud lunar (un resultado sorprendentemente bueno para su época, no muy diferente de los valores calculados más tarde, por ejemplo, en el año 1786 por de Lalande,[3]​ y comparándolo con los valores desde 10" a casi 13" que se calcularon un siglo más tarde.)

Pierre-Simon Laplace produjo, en 1786, un análisis teórico que da una base sobre la cual el movimiento medio de la Luna debería acelerarse sobre la base de los cambios perturbacionales en la excentricidad de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El cálculo inicial de Laplace representó todo el efecto, por lo que parecía haber unido así en su teoría tanto las observaciones modernas como las antiguas.

Sin embargo, en 1854, J C Adams hizo una pregunta que volvería a abrir la teoría al encontrar un error en los cálculos de Laplace: resultó que sólo la mitad de la aparente aceleración de la Luna podría explicarse sobre la base de la teoría de Laplace por el cambio en la excentricidad de la órbita de la Tierra.[4]​ La búsqueda de Adams provocó una fuerte controversia astronómica que duró algunos años, pero la exactitud de su resultado, acordado por otros astrónomos matemáticos incluyendo a C E Delaunay, fue finalmente aceptada.[5]​La cuestión dependía del correcto análisis de los movimientos lunares, pero se topó con una complicación adicional con otro descubrimiento que se encontró al mismo tiempo, otra perturbación significativa a largo plazo que se había calculado para la Luna (supuestamente debido a la acción de Venus) también fue errónea, se encontró al re-examinar dicha teoría y pasó a ser casi insignificante, por lo que prácticamente tuvo que desaparecer de la teoría. Parte de la respuesta se sugirió de manera independiente en la década de 1860 por Delaunay y William Ferrel: El retraso de la velocidad de rotación de la Tierra causado por las mareas alargaba la unidad de tiempo, causando una aceleración lunar que era sólo aparente.

La comunidad astronómica tardó un tiempo en aceptar esta realidad y la magnitud de los efectos de marea. Pero con el tiempo se hizo evidente que influyen tres efectos, cuando se mide en términos de tiempo solar medio. Además de los efectos de los cambios perturbacionales de la excentricidad orbital de la Tierra, tal como se descubrió por Laplace y corregida por Adams, hay dos efectos de marea (una combinación sugerida por Emmanuel Liais). En primer lugar hay un retraso real de la velocidad angular del movimiento orbital de la Luna, debido al intercambio del momento angular originado por las mareas entre la Tierra y la Luna. Esto aumenta el momento angular de la Luna alrededor de la Tierra (la Luna se mueve a una órbita más alta, con un período más lento). En segundo lugar existe un aparente aumento en la velocidad angular de movimiento orbital de la Luna (cuando se mide en términos de tiempo solar medio). Esto surge de la pérdida de momento angular de la Tierra y el consiguiente aumento de la longitud del día.[6]

 
Un diagrama del sistema Tierra-Luna mostrando como la protuberancia de marea es empujada por la rotación de la Tierra. Esta deformación ejerce un torque neto sobre la luna acelerándola mientras se ralentiza la rotación terrestre

Efectos de la gravedad lunar

Debido a que la masa de la Luna resulta ser una fracción muy considerable de la Tierra, (en torno a 81 veces menor, relación de tamaño muchísimo mayor que la existentes entre otros planetas del sistema solar y sus satélites), ambos cuerpos pueden ser considerados como un planeta doble, en vez de un sistema simple de planeta con satélite. El plano de la órbita de la Luna alrededor de la tierra es bastante parecida y casi paralela al de la órbita del Sol con la Tierra, lo cual resulta una diferencia notable con otros satélites planetarios que orbitan perpendicularmente al citado plano. En este caso particular, ello influye en que la gravedad ejercida por la luna deforme la tierra y arrastre a su paso en el movimiento de translación al agua de los océanos de la Tierra. Así mismo, también existe un abombamiento en el lado terrestre más alejado de la luna, y que es causado por la fuerza centrífuga ejercida en el baricentro gravitacional del sistema Tierra-Luna. El abultamiento producido por la marea, está sincronizado con la órbita lunar, aunque visualmente, el abultamiento de la marea se dispone algo más adelantado con respecto a la posición lunar, debido al efecto de la rotación terrestre en sentido antihorario. Como consecuencia directa, existe una sustancial cantidad de masa en forma de agua desplazada con respecto a la perpendicular formada por la línea directa entre la Tierra y la luna, este desfase, entendido como una porción del empuje gravitacional entre la Tierra y la Luna, obliga a este sistema planetario a autorregularse para mantenerse estable, dando lugar con ello a dos consecuencias: la rotación terrestre se desacelera progresivamente, y la Luna se aleja de la Tierra también progresivamente.

Este proceso produce consecuencias más allá de las descritas. Un día solar, cuyo tiempo nominal es de 86400 segundos de duración, está continuamente alargándose con relación a cuando fue establecido por primera vez en el Sistema Internacional de Unidades. A través de relojes atómicos. (La unidad del Segundo, ya era algo más corta en aquel entonces con relación a su valor actual de tiempo astronómico.) Esta pequeña diferencia, acumulada día tras día, nos lleva a incrementar la diferencia entre el tiempo universal coordinado o UTC, y el tiempo atómico, medido a través de relojes atómicos de gran precisión. Estos desajustes, hacen que cada cierto tiempo haya que realizar un eventual ajuste para resincronizar ambos tiempos.

Aparte del efecto de las mareas oceánicas, también existe un componente en la desaceleración terrestre causado por la flexión de la corteza terrestre, aunque tiene un valor dentro del total de la desaceleración producida poco significativo de sólo un 4% diluido, en parte, por la disipación de fuerzas en forma de calor.[7]

Si ignorásemos efectos secundarios de la aceleración de marea, esta aceleración continuaría progresivamente hasta igualar los períodos rotacionales orbitales de la Tierra y la Luna. Esto, eventualmente, haría que la Luna estuviese algo más adelantada del lugar fijo que le correspondería en la Tierra. Una situación similar a esta, ya se da en el sistema de Plutón y su satélite Caronte.

La aceleración de marea, es uno de los ejemplos en la dinámica del Sistema Solar de la llamada perturbación secular de una órbita. O sea, una perturbación que crece de manera continuada en el tiempo, pero que no es periódica ni regular. Hasta un alto grado de aproximación, las perturbaciones gravitacionales mutuas entre los planetas mayores o menores sólo causan variaciones periódicas en sus órbitas, lo cual quiere decir que los parámetros oscilan entre unos valores máximos y mínimos determinados. El efecto de las mareas da lugar a un término cuadrático en las ecuaciones, lo que conduce a un crecimiento ilimitado. En las teorías matemáticas de las órbitas de los planetas que forman la base de las efemérides, términos seculares de orden cuadrática y superior se dan, pero la mayoría de ellas se pueden explicar a través de las explicaciones de las series de Taylor en términos de grandes periodos de tiempo. La razón por la cual los efectos de marea son diferentes es que a pesar de las perturbaciones gravitacionales, la fricción es un componente esencial en la aceleración de marea, lo que lleva a una permanente pérdida de energía en forma de calor, o en otras palabras, no podemos hablar de un sistema Hamiltoniano en este caso.

Momento angular y energía

La torsión mecánica gravitacional entre la Luna y el abultamiento de la marea de la Tierra hace que la Luna sea atraída constantemente a una órbita ligeramente más alta y que se desacelere la velocidad de rotación de la Tierra. Al igual que en cualquier proceso físico en un sistema aislado, la energía total y el momento angular se conserva. Efectivamente, la energía y el momento angular se transfieren de la rotación de la Tierra al movimiento orbital de la Luna (sin embargo, la mayor parte de la energía que se pierde en la Tierra, -3.321 TW, se convierte en calor por la fricción entre los océanos y la parte sólida de la Tierra, solamente transfiriendo alrededor de 0,121 TW a la Luna). La Luna se aleja de la Tierra (38,247 ± 0,004 mm / año), por lo que aumenta su energía potencial (así como en la gravedad de la Tierra). La luna se queda en órbita, y gracias a la 3 ª ley de Kepler se deduce que su velocidad angular en realidad disminuye, por lo que la acción de las mareas en realidad provoca una desaceleración angular en la Luna, es decir, una aceleración negativa (-25.858 ± 0.003 "/ siglo²) de su rotación alrededor de la Tierra. Aunque su energía cinética disminuya, su energía potencial aumenta por una cantidad más grande.

El momento angular de rotación de la Tierra disminuye y como consecuencia aumenta la duración de los días. El abultamiento total de marea generado en la Tierra es arrastrado por delante de la Luna dado que el giro de la Tierra es más rápido. Es necesaria la fricción de marea para arrastrar y mantener el abultamiento de la marea hacia la Luna, esto disipa el exceso de energía generada por el intercambio de energía rotacional y orbital entre la Tierra y la Luna en forma de calor. Si la fricción y disipación de calor no estuviesen presentes, la fuerza gravitatoria de la Luna sobre el abultamiento de la marea se sincronizaría rápidamente con la Luna (en alrededor de dos días), y esta ya no se alejaría. La mayor parte de la disipación se produce en una turbulenta capa que limita con el fondo de mares poco profundos, tales como los arrecifes europeos en torno a las Islas Británicas, los arrecifes de la patagonia en Argentina, o el Mar de Bering.[8]

La disipación de energía en la fricción de marea es de alrededor de los 3,75 TW, de los cuales 2,5 TW son del principal componente M2 lunar y el restante de otros componentes, tanto lunar como solar.[9]

Un abultamiento de la marea equilibrada no existe realmente en la Tierra debido a que los continentes no permiten que esta solución matemática tenga lugar. En realidad, las mareas oceánicas giran alrededor de las cuencas de los océanos como grandes giros oceánicos alrededor de varios puntos anfidrómicos donde no existe la marea. La Luna atrae a cada ondulación individual mientras la Tierra gira -algunas ondulaciones están por delante de la Luna, otros están detrás de ella, mientras que otros están a ambos lados. Estas "protuberancias" que la Luna atrae (y que atraen a la Luna) son el resultado de la integración de todas las ondulaciones de los océanos del mundo.

Evidencia histórica

Estos mecanismos han estado en funcionamiento desde hace más de 4500 millones de años, desde el primer momento en el que se formaron los océanos en la tierra. Hay evidencias tanto geológicas como paleontológicas de que la tierra rotó en el pasado a una velocidad mayor que en la actualidad, y de que la Luna estuvo más cerca de la tierra que ahora. Los ritmos cambiantes de las mareas han ido alternando sucesivamente las capas de arena y limo establecidas en alta mar. Esto es comprobable en sitios como estuarios, en los que debido a su naturaleza, son sometidos a grandes flujos de marea. Esta acumulación geológica es consistente, con las condiciones de hace 620 millones de años. El día tenía una duración aproximada de 22 horas, cada año tenía en torno a 13 meses y había unos 400 días por año. La longitud del año mantenida se ha mantenido virtualmente intacta durante este periodo, lo cual es explicado a través de la no evidencia en cambios sobre la constante gravitatoria. El promedio de distanciamiento entre la Tierra y la Luna se encuentra en torno a 2.17±0.31 cm/año, cifra que se estima en torno a la mitad del valor actual.[10]

Descripción cuantitativa del caso Tierra-Luna

 
Reflectores usados en las mediciones laser que fueron dejados en la Luna en una de las muchas misiones lunares.

El movimiento lunar puede ser seguido con gran precisión gracias al sistema de seguimiento láser basado en reflectores que se dejaron en la Luna en las sucesivas misiones Apolo que se sucedieron entre 1969 a 1972 y por el Lunojod 2 en 1973.[11][12]​ A través de la medición del tiempo de desplazamiento de un haz de láser, es posible conseguir una medición realmente precisa de la distancia entre la Tierra y la Luna. Estas mediciones están basadas en las ecuaciones del movimiento, lo cual proporciona valores numéricos para la desaceleración secular de la Luna, a saber: aceleración negativa en longitud y la tasa de cambio del semieje mayor de la elipse Tierra-Luna. Desde el período de 1970-2007, los resultados fueron:

−25.858±0.003 arcos de minuto/siglo² en longitud eclíptica[13]
+38.247±0.004 mm/año en la distancia media Tierra-Luna

Estas pruebas arrojaron un resultado consistente en conjunto con un sistema similar llamado Satélite Láser de Rango, SLR (Satellite Laser Ranging, por sus siglas en inglés), aplicado a los satélites artificiales que orbitan la tierra, que proporciona un modelo sólido para el campo gravitatorio terrestre, incluyendo las anomalías causadas por las mareas. Este modelo prevé con precisión cambios en el movimiento lunar.

Por último, observaciones realizadas en épocas remotas sobre eclipses solares, ofrecen una posición relativamente ajustada de la Luna en aquellos momentos. Estudios posteriores han corroborado la corrección de estas informaciones.

La otra consecuencia de la aceleración de marea, es la desaceleración de la rotación terrestre. Rotación, que es de alguna manera errática a lo largo de la escala del tiempo (desde horas hasta siglos) debido a varias causas. El pequeño efecto producido por las mareas, no es observable en pequeños periodos de tiempo, pero este efecto acumulativo en el tiempo es fácilmente medible con relojes estables, como por ejemplo los relojes atómicos (un pequeño desajuste de varios milisegundos al día, es difícilmente detectable a corto plazo, pero con el paso de los siglos, este se hace más evidente.) Desde un eventual momento pasado, más días y horas han pasado (entendiéndolas desde una medición basada en rotaciones terrestres) de lo que podrían ser medidos un por un reloj atómico calibrado al día de hoy, con una mayor longitud del día. (Tiempo de efemérides). Esto es conocido como ΔT. Pueden obtenerse valores recientes desde el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra y Sistemas de Referencia (IERS, por sus siglas en Inglés). La tabla con los valores actuales de la longitud del día en los siglos pasados está también disponible.[14]

A partir de los cambios observados en la órbita lunar, el cambio correspondiente a la longitud del día terrestre puede ser calculada:

+ 2.3 ms/siglo

Desde que se tiene constancia de las mediciones, unos 2700 años, el valor promedio hallado ha sido:

1.70 ± 0.05 ms/siglo[15][16]

El correspondiente valor acumulado es una parábola teniendo un coeficiente dado de:

ΔT = +31 s/siglos²

Opuesto a la desaceleración terrestre encontramos un mecanismo por el cual se produce la aceleración terrestre. La tierra no es una esfera perfecta, en lugar de eso, es un elipsoide que se encuentra achatado por los polos. SLR ha mostrado que este achatamiento en los polos está en decrecimiento. La explicación a ello, es que en la edad de hielo, grandes masas de hielo acumuladas en los polos, comprimieron las rocas subyacentes. La masa de hielo comenzó a disminuir a lo largo de los siguientes 10000 años, pero entonces, la corteza terrestre no estaba en equilibrio hidrostático, y estaba en periodo de recuperación (Se estima que este periodo llegó a ser de unos 4000 años). Como consecuencia de esto, se incrementó el diámetro polar de la Tierra, y ya que la masa y la densidad siguen siendo los mismos, el volumen sigue siendo el mismo, por lo que el diámetro ecuatorial siguió disminuyendo. Como consecuencia de esto, la masa de hielo se acercó aún más al eje de rotación de la Tierra, lo cual quiere decir que su momento de inercia decreció manteniendo el mismo momento angular durante todo el proceso, y dando lugar a que el ritmo de rotación se incrementase. Puede ilustrarse con el ejemplo visual de los patinadores de hielo que empiezan a girar sobre sí mismos, para al final, conseguir la máxima velocidad posible a medida que repliegan los brazos. Para el cambio observado, en el momento de inercia la aceleración de la rotación puede ser calculado: el valor promedio sobre los períodos históricos deben haber estado en torno a -0.6 ms/siglo. Esto explica en gran medida las observaciones históricas.

Otros casos de aceleración de mareas

La mayoría de los satélites naturales de los planetas experimentan aceleración de marea en cierto grado (generalmente pequeño), excepto para dos clases de cuerpos con desaceleración de mareas. En la mayoría de los casos, sin embargo, el efecto es tan pequeño que, incluso después de miles de millones de años la mayoría de satélites no se pierden. Probablemente el efecto más pronunciado que conocemos lo encontramos en Deimos, segunda luna de Marte, la cual puede que se convierta en un asteroide que pase cerca de la Tierra después de que se escape de la atracción de Marte. El efecto también se presenta entre los diferentes componentes de una estrella binaria.[17]

Desaceleración de mareas

Existen dos variantes:

  1. Satélites rápidos: Algunas lunas interiores de planetas gaseosos gigantes y Fobos orbitan dentro del radio de órbita síncrona generando así que el periodo orbital sea más corto que la rotación de su planeta. En este caso, las protuberancias de marea creadas por la luna en su planeta quedan por detrás de la luna, y actúan para desacelerar su órbita. El efecto es un decaimiento de la órbita en esa luna que se mueve en espiral gradualmente hacia la órbita del planeta. La rotación del planeta también se acelera ligeramente en el proceso. En un futuro lejano, estas lunas colisionaran contra sus planetas o cruzarán su límite de Roche y serán despedazados en fragmentos. Sin embargo, todas estas lunas en el Sistema Solar son cuerpos muy pequeños y las protuberancias de marea creadas por estos en los planetas también son pequeños, por lo que el efecto suele ser débil y de la órbita decae lentamente. Las lunas afectadas son:
  2. Satélites retrógrados: Todos los satélites retrógrados experimentan desaceleración de marea hasta cierto punto porque el movimiento orbital de la Luna y la rotación del planeta se encuentran en direcciones opuestas, restaurando las fuerzas de sus abultamientos de marea. A diferencia del caso anterior (satélites rápidos) es que la rotación del planeta también se hace más lenta en lugar de acelerarse (el momento angular aún se conserva debido a que en este caso, los valores de la rotación del planeta y la órbita de la luna tienen signos contrarios). El único satélite del Sistema Solar para el que este efecto no es despreciable es la luna de Neptuno, Tritón. Todos los otros satélites retrógrados están en órbitas lejanas y las fuerzas de marea entre ellos y el planeta son insignificantes.

Se cree que el planeta Venus carece de satélites principalmente porque cualquier hipotético satélite habría sufrido desaceleración hace mucho tiempo, por esa razón también Venus tiene una rotación muy lenta y retrógrada.

Véase también

Referencias

  1. E Halley (1695), "Some Account of the Ancient State of the City of Palmyra, with Short Remarks upon the Inscriptions Found there" (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)., Phil. Trans., vol.19 (1695–1697), pages 160–175; esp. at pages 174–175.
  2. Richard Dunthorne (1749), "A Letter from the Rev. Mr. Richard Dunthorne to the Reverend Mr. Richard Mason F. R. S. and Keeper of the Wood-Wardian Museum at Cambridge, concerning the Acceleration of the Moon" el 23 de junio de 2020 en Wayback Machine., Philosophical Transactions (1683–1775), Vol. 46 (1749–1750) #492, pp.162–172; also given in Philosophical Transactions (abridgements) (1809), vol.9 (for 1744–49), p669–675 as "On the Acceleration of the Moon, by the Rev. Richard Dunthorne".
  3. J de Lalande (1786): , Memoires de l'Academie Royale des Sciences, pp.390–397, at page 395.
  4. Adams, J C (1853). «On the Secular Variation of the Moon's Mean Motion» (PDF). Phil. Trans. R. Soc. Lond. 143: 397-406. doi:10.1098/rstl.1853.0017. 
  5. D E Cartwright (2001), "Tides: a scientific history", (Cambridge University Press 2001), chapter 10, section: "Lunar acceleration, earth retardation and tidal friction" at pages 144–146.
  6. F R Stephenson (2002), "Harold Jeffreys Lecture 2002: Historical eclipses and Earth's rotation", in Astronomy & Geophysics, vol.44 (2002), pp. 2.22–2.27.
  7. Munk, Progress in Oceanography 40 (1997) 7; http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079661197000219
  8. Munk, Walter (1997). «Once again: once again—tidal friction». Progress in Oceanography 40 (1–4): 7-35. Bibcode:1997PrOce..40....7M. doi:10.1016/S0079-6611(97)00021-9. 
  9. Munk, W.; Wunsch, C (1998). «Abyssal recipes II: energetics of tidal and wind mixing». Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers 45 (12): 1977. Bibcode:1998DSRI...45.1977M. doi:10.1016/S0967-0637(98)00070-3. 
  10. Williams, George E. (2000). «Geological constraints on the Precambrian history of Earth's rotation and the Moon's orbit». Reviews of Geophysics 38 (1): 37-60. Bibcode:2000RvGeo..38...37W. doi:10.1029/1999RG900016. 
  11. Most laser pulses, 78%, are to the Apollo 15 site. See Williams, et al. (2008), p. 5.
  12. Another reflector emplaced by Lunokhod 1 in 1970 is no longer functioning. See Lunar Lost & Found: The Search for Old Spacecraft by Leonard David
  13. J. G. Williams, D. H. Boggs and W. M. Folkner (2008). p. 7. "These derived values depend on a theory which is not accurate to the number of digits given." See also: Chapront, Chapront-Touzé, Francou (2002). A new determination of lunar orbital parameters, precession constant and tidal acceleration from LLR measurements
  14. Dickey, Jean O.; Bender, PL; Faller, JE; Newhall, XX; Ricklefs, RL; Ries, JG; Shelus, PJ; Veillet, C et al. (1994). «Lunar Laser ranging: a continuing legacy of the Apollo program». Science 265 (5171): 482-90. Bibcode:1994Sci...265..482D. PMID 17781305. doi:10.1126/science.265.5171.482. 
  15. F.R. Stephenson (1997): Historical Eclipses and Earth's Rotation. Cambridge Univ.Press.
  16. Zahn, J.-P. (1977). «Tidal Friction in Close Binary Stars». Astron. Astrophys. 57: 383-394. Bibcode:1977A&A....57..383Z. 

Enlaces externos

  • Tidal Heating as Described by University of Washington Professor Toby Smith


  •   Datos: Q2477230

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La aceleracion de marea es un efecto originado por la fuerza de marea que es producida por un satelite natural en orbita en nuestro caso la Luna sobre un planeta primario que es orbitado en nuestro caso la Tierra Esta aceleracion es comunmente negativa a causa de la disminucion gradual de la velocidad de rotacion del objeto primario y al alejamiento progresivo del satelite El proceso finalmente conduce a la fijacion de marea o anclaje mareal la fijacion de marea es un termino astronomico que describe un cuerpo celeste que gira alrededor de otro cuerpo con una cara siempre hacia el cuerpo que esta orbitando del mas pequeno primero y mas tarde del cuerpo mas grande El sistema Tierra Luna es el caso mejor estudiado Imagen de la Tierra y la Luna tomada desde Marte La presencia de la Luna que es de alrededor de 1 81 de la masa de la tierra esta desacelerando la rotacion de la Tierra y la duracion del dia en torno a 2ms cada cien anos Existe un proceso similar a la aceleracion de marea se da en satelites cuyo periodo orbital es mas corto que el periodo orbital del objeto que orbitan o que orbitan en direccion antihoraria Indice 1 Sistema Tierra Luna 1 1 Historia del descubrimiento de la aceleracion secular 1 2 Efectos de la gravedad lunar 1 3 Momento angular y energia 1 4 Evidencia historica 1 5 Descripcion cuantitativa del caso Tierra Luna 2 Otros casos de aceleracion de mareas 3 Desaceleracion de mareas 4 Vease tambien 5 Referencias 6 Enlaces externosSistema Tierra Luna EditarVease tambien Sistema Tierra Luna Historia del descubrimiento de la aceleracion secular Editar Edmon Halley fue el primero en sugerir en 1695 1 la idea de que el movimiento medio de la Luna era aparentemente cada vez mas rapido en comparacion con antiguas observaciones de eclipses aunque no dio datos especificos En la epoca de Edmon Halley todavia no se conocia lo que en realidad estaba ocurriendo pues incluia una ralentizacion de la velocidad de rotacion de la Tierra Vea tambien Tiempo de efemerides Cuando se mide en funcion del tiempo solar medio en lugar de en tiempo uniforme el efecto aparenta ser una aceleracion positiva En 1749 Richard Dunthorne confirmo las sospechas de Edmon Halley despues de re examinar antiguos registros y produjo la primera estimacion cuantitativa de la magnitud de este efecto aparente 2 una tasa de 10 segundos de arco por siglo de longitud lunar un resultado sorprendentemente bueno para su epoca no muy diferente de los valores calculados mas tarde por ejemplo en el ano 1786 por de Lalande 3 y comparandolo con los valores desde 10 a casi 13 que se calcularon un siglo mas tarde Pierre Simon Laplace produjo en 1786 un analisis teorico que da una base sobre la cual el movimiento medio de la Luna deberia acelerarse sobre la base de los cambios perturbacionales en la excentricidad de la orbita de la Tierra alrededor del Sol El calculo inicial de Laplace represento todo el efecto por lo que parecia haber unido asi en su teoria tanto las observaciones modernas como las antiguas Sin embargo en 1854 J C Adams hizo una pregunta que volveria a abrir la teoria al encontrar un error en los calculos de Laplace resulto que solo la mitad de la aparente aceleracion de la Luna podria explicarse sobre la base de la teoria de Laplace por el cambio en la excentricidad de la orbita de la Tierra 4 La busqueda de Adams provoco una fuerte controversia astronomica que duro algunos anos pero la exactitud de su resultado acordado por otros astronomos matematicos incluyendo a C E Delaunay fue finalmente aceptada 5 La cuestion dependia del correcto analisis de los movimientos lunares pero se topo con una complicacion adicional con otro descubrimiento que se encontro al mismo tiempo otra perturbacion significativa a largo plazo que se habia calculado para la Luna supuestamente debido a la accion de Venus tambien fue erronea se encontro al re examinar dicha teoria y paso a ser casi insignificante por lo que practicamente tuvo que desaparecer de la teoria Parte de la respuesta se sugirio de manera independiente en la decada de 1860 por Delaunay y William Ferrel El retraso de la velocidad de rotacion de la Tierra causado por las mareas alargaba la unidad de tiempo causando una aceleracion lunar que era solo aparente La comunidad astronomica tardo un tiempo en aceptar esta realidad y la magnitud de los efectos de marea Pero con el tiempo se hizo evidente que influyen tres efectos cuando se mide en terminos de tiempo solar medio Ademas de los efectos de los cambios perturbacionales de la excentricidad orbital de la Tierra tal como se descubrio por Laplace y corregida por Adams hay dos efectos de marea una combinacion sugerida por Emmanuel Liais En primer lugar hay un retraso real de la velocidad angular del movimiento orbital de la Luna debido al intercambio del momento angular originado por las mareas entre la Tierra y la Luna Esto aumenta el momento angular de la Luna alrededor de la Tierra la Luna se mueve a una orbita mas alta con un periodo mas lento En segundo lugar existe un aparente aumento en la velocidad angular de movimiento orbital de la Luna cuando se mide en terminos de tiempo solar medio Esto surge de la perdida de momento angular de la Tierra y el consiguiente aumento de la longitud del dia 6 Un diagrama del sistema Tierra Luna mostrando como la protuberancia de marea es empujada por la rotacion de la Tierra Esta deformacion ejerce un torque neto sobre la luna acelerandola mientras se ralentiza la rotacion terrestre Efectos de la gravedad lunar Editar Debido a que la masa de la Luna resulta ser una fraccion muy considerable de la Tierra en torno a 81 veces menor relacion de tamano muchisimo mayor que la existentes entre otros planetas del sistema solar y sus satelites ambos cuerpos pueden ser considerados como un planeta doble en vez de un sistema simple de planeta con satelite El plano de la orbita de la Luna alrededor de la tierra es bastante parecida y casi paralela al de la orbita del Sol con la Tierra lo cual resulta una diferencia notable con otros satelites planetarios que orbitan perpendicularmente al citado plano En este caso particular ello influye en que la gravedad ejercida por la luna deforme la tierra y arrastre a su paso en el movimiento de translacion al agua de los oceanos de la Tierra Asi mismo tambien existe un abombamiento en el lado terrestre mas alejado de la luna y que es causado por la fuerza centrifuga ejercida en el baricentro gravitacional del sistema Tierra Luna El abultamiento producido por la marea esta sincronizado con la orbita lunar aunque visualmente el abultamiento de la marea se dispone algo mas adelantado con respecto a la posicion lunar debido al efecto de la rotacion terrestre en sentido antihorario Como consecuencia directa existe una sustancial cantidad de masa en forma de agua desplazada con respecto a la perpendicular formada por la linea directa entre la Tierra y la luna este desfase entendido como una porcion del empuje gravitacional entre la Tierra y la Luna obliga a este sistema planetario a autorregularse para mantenerse estable dando lugar con ello a dos consecuencias la rotacion terrestre se desacelera progresivamente y la Luna se aleja de la Tierra tambien progresivamente Este proceso produce consecuencias mas alla de las descritas Un dia solar cuyo tiempo nominal es de 86400 segundos de duracion esta continuamente alargandose con relacion a cuando fue establecido por primera vez en el Sistema Internacional de Unidades A traves de relojes atomicos La unidad del Segundo ya era algo mas corta en aquel entonces con relacion a su valor actual de tiempo astronomico Esta pequena diferencia acumulada dia tras dia nos lleva a incrementar la diferencia entre el tiempo universal coordinado o UTC y el tiempo atomico medido a traves de relojes atomicos de gran precision Estos desajustes hacen que cada cierto tiempo haya que realizar un eventual ajuste para resincronizar ambos tiempos Aparte del efecto de las mareas oceanicas tambien existe un componente en la desaceleracion terrestre causado por la flexion de la corteza terrestre aunque tiene un valor dentro del total de la desaceleracion producida poco significativo de solo un 4 diluido en parte por la disipacion de fuerzas en forma de calor 7 Si ignorasemos efectos secundarios de la aceleracion de marea esta aceleracion continuaria progresivamente hasta igualar los periodos rotacionales orbitales de la Tierra y la Luna Esto eventualmente haria que la Luna estuviese algo mas adelantada del lugar fijo que le corresponderia en la Tierra Una situacion similar a esta ya se da en el sistema de Pluton y su satelite Caronte La aceleracion de marea es uno de los ejemplos en la dinamica del Sistema Solar de la llamada perturbacion secular de una orbita O sea una perturbacion que crece de manera continuada en el tiempo pero que no es periodica ni regular Hasta un alto grado de aproximacion las perturbaciones gravitacionales mutuas entre los planetas mayores o menores solo causan variaciones periodicas en sus orbitas lo cual quiere decir que los parametros oscilan entre unos valores maximos y minimos determinados El efecto de las mareas da lugar a un termino cuadratico en las ecuaciones lo que conduce a un crecimiento ilimitado En las teorias matematicas de las orbitas de los planetas que forman la base de las efemerides terminos seculares de orden cuadratica y superior se dan pero la mayoria de ellas se pueden explicar a traves de las explicaciones de las series de Taylor en terminos de grandes periodos de tiempo La razon por la cual los efectos de marea son diferentes es que a pesar de las perturbaciones gravitacionales la friccion es un componente esencial en la aceleracion de marea lo que lleva a una permanente perdida de energia en forma de calor o en otras palabras no podemos hablar de un sistema Hamiltoniano en este caso Momento angular y energia Editar La torsion mecanica gravitacional entre la Luna y el abultamiento de la marea de la Tierra hace que la Luna sea atraida constantemente a una orbita ligeramente mas alta y que se desacelere la velocidad de rotacion de la Tierra Al igual que en cualquier proceso fisico en un sistema aislado la energia total y el momento angular se conserva Efectivamente la energia y el momento angular se transfieren de la rotacion de la Tierra al movimiento orbital de la Luna sin embargo la mayor parte de la energia que se pierde en la Tierra 3 321 TW se convierte en calor por la friccion entre los oceanos y la parte solida de la Tierra solamente transfiriendo alrededor de 0 121 TW a la Luna La Luna se aleja de la Tierra 38 247 0 004 mm ano por lo que aumenta su energia potencial asi como en la gravedad de la Tierra La luna se queda en orbita y gracias a la 3 ª ley de Kepler se deduce que su velocidad angular en realidad disminuye por lo que la accion de las mareas en realidad provoca una desaceleracion angular en la Luna es decir una aceleracion negativa 25 858 0 003 siglo de su rotacion alrededor de la Tierra Aunque su energia cinetica disminuya su energia potencial aumenta por una cantidad mas grande El momento angular de rotacion de la Tierra disminuye y como consecuencia aumenta la duracion de los dias El abultamiento total de marea generado en la Tierra es arrastrado por delante de la Luna dado que el giro de la Tierra es mas rapido Es necesaria la friccion de marea para arrastrar y mantener el abultamiento de la marea hacia la Luna esto disipa el exceso de energia generada por el intercambio de energia rotacional y orbital entre la Tierra y la Luna en forma de calor Si la friccion y disipacion de calor no estuviesen presentes la fuerza gravitatoria de la Luna sobre el abultamiento de la marea se sincronizaria rapidamente con la Luna en alrededor de dos dias y esta ya no se alejaria La mayor parte de la disipacion se produce en una turbulenta capa que limita con el fondo de mares poco profundos tales como los arrecifes europeos en torno a las Islas Britanicas los arrecifes de la patagonia en Argentina o el Mar de Bering 8 La disipacion de energia en la friccion de marea es de alrededor de los 3 75 TW de los cuales 2 5 TW son del principal componente M2 lunar y el restante de otros componentes tanto lunar como solar 9 Un abultamiento de la marea equilibrada no existe realmente en la Tierra debido a que los continentes no permiten que esta solucion matematica tenga lugar En realidad las mareas oceanicas giran alrededor de las cuencas de los oceanos como grandes giros oceanicos alrededor de varios puntos anfidromicos donde no existe la marea La Luna atrae a cada ondulacion individual mientras la Tierra gira algunas ondulaciones estan por delante de la Luna otros estan detras de ella mientras que otros estan a ambos lados Estas protuberancias que la Luna atrae y que atraen a la Luna son el resultado de la integracion de todas las ondulaciones de los oceanos del mundo Evidencia historica Editar Estos mecanismos han estado en funcionamiento desde hace mas de 4500 millones de anos desde el primer momento en el que se formaron los oceanos en la tierra Hay evidencias tanto geologicas como paleontologicas de que la tierra roto en el pasado a una velocidad mayor que en la actualidad y de que la Luna estuvo mas cerca de la tierra que ahora Los ritmos cambiantes de las mareas han ido alternando sucesivamente las capas de arena y limo establecidas en alta mar Esto es comprobable en sitios como estuarios en los que debido a su naturaleza son sometidos a grandes flujos de marea Esta acumulacion geologica es consistente con las condiciones de hace 620 millones de anos El dia tenia una duracion aproximada de 22 horas cada ano tenia en torno a 13 meses y habia unos 400 dias por ano La longitud del ano mantenida se ha mantenido virtualmente intacta durante este periodo lo cual es explicado a traves de la no evidencia en cambios sobre la constante gravitatoria El promedio de distanciamiento entre la Tierra y la Luna se encuentra en torno a 2 17 0 31 cm ano cifra que se estima en torno a la mitad del valor actual 10 Descripcion cuantitativa del caso Tierra Luna Editar Reflectores usados en las mediciones laser que fueron dejados en la Luna en una de las muchas misiones lunares El movimiento lunar puede ser seguido con gran precision gracias al sistema de seguimiento laser basado en reflectores que se dejaron en la Luna en las sucesivas misiones Apolo que se sucedieron entre 1969 a 1972 y por el Lunojod 2 en 1973 11 12 A traves de la medicion del tiempo de desplazamiento de un haz de laser es posible conseguir una medicion realmente precisa de la distancia entre la Tierra y la Luna Estas mediciones estan basadas en las ecuaciones del movimiento lo cual proporciona valores numericos para la desaceleracion secular de la Luna a saber aceleracion negativa en longitud y la tasa de cambio del semieje mayor de la elipse Tierra Luna Desde el periodo de 1970 2007 los resultados fueron 25 858 0 003 arcos de minuto siglo en longitud ecliptica 13 38 247 0 004 mm ano en la distancia media Tierra LunaEstas pruebas arrojaron un resultado consistente en conjunto con un sistema similar llamado Satelite Laser de Rango SLR Satellite Laser Ranging por sus siglas en ingles aplicado a los satelites artificiales que orbitan la tierra que proporciona un modelo solido para el campo gravitatorio terrestre incluyendo las anomalias causadas por las mareas Este modelo preve con precision cambios en el movimiento lunar Por ultimo observaciones realizadas en epocas remotas sobre eclipses solares ofrecen una posicion relativamente ajustada de la Luna en aquellos momentos Estudios posteriores han corroborado la correccion de estas informaciones La otra consecuencia de la aceleracion de marea es la desaceleracion de la rotacion terrestre Rotacion que es de alguna manera erratica a lo largo de la escala del tiempo desde horas hasta siglos debido a varias causas El pequeno efecto producido por las mareas no es observable en pequenos periodos de tiempo pero este efecto acumulativo en el tiempo es facilmente medible con relojes estables como por ejemplo los relojes atomicos un pequeno desajuste de varios milisegundos al dia es dificilmente detectable a corto plazo pero con el paso de los siglos este se hace mas evidente Desde un eventual momento pasado mas dias y horas han pasado entendiendolas desde una medicion basada en rotaciones terrestres de lo que podrian ser medidos un por un reloj atomico calibrado al dia de hoy con una mayor longitud del dia Tiempo de efemerides Esto es conocido como DT Pueden obtenerse valores recientes desde el Servicio Internacional de Rotacion de la Tierra y Sistemas de Referencia IERS por sus siglas en Ingles La tabla con los valores actuales de la longitud del dia en los siglos pasados esta tambien disponible 14 A partir de los cambios observados en la orbita lunar el cambio correspondiente a la longitud del dia terrestre puede ser calculada 2 3 ms sigloDesde que se tiene constancia de las mediciones unos 2700 anos el valor promedio hallado ha sido 1 70 0 05 ms siglo 15 16 El correspondiente valor acumulado es una parabola teniendo un coeficiente dado de DT 31 s siglos Opuesto a la desaceleracion terrestre encontramos un mecanismo por el cual se produce la aceleracion terrestre La tierra no es una esfera perfecta en lugar de eso es un elipsoide que se encuentra achatado por los polos SLR ha mostrado que este achatamiento en los polos esta en decrecimiento La explicacion a ello es que en la edad de hielo grandes masas de hielo acumuladas en los polos comprimieron las rocas subyacentes La masa de hielo comenzo a disminuir a lo largo de los siguientes 10000 anos pero entonces la corteza terrestre no estaba en equilibrio hidrostatico y estaba en periodo de recuperacion Se estima que este periodo llego a ser de unos 4000 anos Como consecuencia de esto se incremento el diametro polar de la Tierra y ya que la masa y la densidad siguen siendo los mismos el volumen sigue siendo el mismo por lo que el diametro ecuatorial siguio disminuyendo Como consecuencia de esto la masa de hielo se acerco aun mas al eje de rotacion de la Tierra lo cual quiere decir que su momento de inercia decrecio manteniendo el mismo momento angular durante todo el proceso y dando lugar a que el ritmo de rotacion se incrementase Puede ilustrarse con el ejemplo visual de los patinadores de hielo que empiezan a girar sobre si mismos para al final conseguir la maxima velocidad posible a medida que repliegan los brazos Para el cambio observado en el momento de inercia la aceleracion de la rotacion puede ser calculado el valor promedio sobre los periodos historicos deben haber estado en torno a 0 6 ms siglo Esto explica en gran medida las observaciones historicas Otros casos de aceleracion de mareas EditarLa mayoria de los satelites naturales de los planetas experimentan aceleracion de marea en cierto grado generalmente pequeno excepto para dos clases de cuerpos con desaceleracion de mareas En la mayoria de los casos sin embargo el efecto es tan pequeno que incluso despues de miles de millones de anos la mayoria de satelites no se pierden Probablemente el efecto mas pronunciado que conocemos lo encontramos en Deimos segunda luna de Marte la cual puede que se convierta en un asteroide que pase cerca de la Tierra despues de que se escape de la atraccion de Marte El efecto tambien se presenta entre los diferentes componentes de una estrella binaria 17 Desaceleracion de mareas EditarExisten dos variantes Satelites rapidos Algunas lunas interiores de planetas gaseosos gigantes y Fobos orbitan dentro del radio de orbita sincrona generando asi que el periodo orbital sea mas corto que la rotacion de su planeta En este caso las protuberancias de marea creadas por la luna en su planeta quedan por detras de la luna y actuan para desacelerar su orbita El efecto es un decaimiento de la orbita en esa luna que se mueve en espiral gradualmente hacia la orbita del planeta La rotacion del planeta tambien se acelera ligeramente en el proceso En un futuro lejano estas lunas colisionaran contra sus planetas o cruzaran su limite de Roche y seran despedazados en fragmentos Sin embargo todas estas lunas en el Sistema Solar son cuerpos muy pequenos y las protuberancias de marea creadas por estos en los planetas tambien son pequenos por lo que el efecto suele ser debil y de la orbita decae lentamente Las lunas afectadas son Alrededor de Marte Fobos Alrededor de Jupiter Metis y Adrastea Alrededor de Saturno ninguna a excepcion de las particulas de los anillos como Jupiter Saturno es un rapido rotador pero no tiene satelites lo suficientemente cerca Alrededor de Urano Cordelia Ofelia Bianca Cresida Desdemona Julieta Porcia Rosalinda Cupido Belinda y Perdita Alrededor de Neptuno Nayade Talasa Despina Galatea y Larisa Satelites retrogrados Todos los satelites retrogrados experimentan desaceleracion de marea hasta cierto punto porque el movimiento orbital de la Luna y la rotacion del planeta se encuentran en direcciones opuestas restaurando las fuerzas de sus abultamientos de marea A diferencia del caso anterior satelites rapidos es que la rotacion del planeta tambien se hace mas lenta en lugar de acelerarse el momento angular aun se conserva debido a que en este caso los valores de la rotacion del planeta y la orbita de la luna tienen signos contrarios El unico satelite del Sistema Solar para el que este efecto no es despreciable es la luna de Neptuno Triton Todos los otros satelites retrogrados estan en orbitas lejanas y las fuerzas de marea entre ellos y el planeta son insignificantes Se cree que el planeta Venus carece de satelites principalmente porque cualquier hipotetico satelite habria sufrido desaceleracion hace mucho tiempo por esa razon tambien Venus tiene una rotacion muy lenta y retrograda Vease tambien EditarFuerza de marea Luna Tierra Marea GravedadReferencias Editar E Halley 1695 Some Account of the Ancient State of the City of Palmyra with Short Remarks upon the Inscriptions Found there enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Phil Trans vol 19 1695 1697 pages 160 175 esp at pages 174 175 Richard Dunthorne 1749 A Letter from the Rev Mr Richard Dunthorne to the Reverend Mr Richard Mason F R S and Keeper of the Wood Wardian Museum at Cambridge concerning the Acceleration of the Moon Archivado el 23 de junio de 2020 en Wayback Machine Philosophical Transactions 1683 1775 Vol 46 1749 1750 492 pp 162 172 also given in Philosophical Transactions abridgements 1809 vol 9 for 1744 49 p669 675 as On the Acceleration of the Moon by the Rev Richard Dunthorne J de Lalande 1786 Sur les equations seculaires du soleil et de la lune Memoires de l Academie Royale des Sciences pp 390 397 at page 395 Adams J C 1853 On the Secular Variation of the Moon s Mean Motion PDF Phil Trans R Soc Lond 143 397 406 doi 10 1098 rstl 1853 0017 D E Cartwright 2001 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