lauantai 30. tammikuuta 2016

Kysmyksiä Kuusta

Vuorovesivoima kohdistuu
eri suurina Maa–Kuu-akselin
jakamaan puoliskoihin. Kuuta
lähempänä oleva vuoksiaaltoon
Maassa ja vastaavasti Maata
lähimpänä olevaan vuoksiaaltoon
Kuussa kohdistuu suurempi
gravitaatiovoima (F
1) kuin
niiden vastakkaisiin puoliskoihin (F
2).
Tästä aiheutuu pyörimistä
hidastavat vääntömomentit (M
v)
sekä Kuun radan tangentin
suuntainen nettovoima (F
3),
joka pyrkii kiihdyttämään Kuun
ratanopeutta. Liikeratojen
dynamiikasta johtuen voimasta (F
3)
 on seurauksena Kuun ratasäteen
kasvaminen, eli Kuu etääntyy
maapallosta. Piirros 
© Kari A. Kuure.

K: Miksi Kuu ei pyöri?

V: Kuu pyörii itsensä ympäri aivan samalla tavalla kuin kaikki muutkin aurinkokunnan kappaleet. Kuun pyöriminen on vain hieman erikoista, vaikkakaan ei mitenkään ainutlaatuista. Kuu pyörähtää itsensä ympäri samassa ajassa kuin mitä sen yksi kierros maapallon ympäri kestää. Toisin sanoen, Kuun pyörähdysaika on lukkiutunut samaksi kuin mitä sen kiertoaika on. Tästä syystä Kuusta näkyy meille maapallolla aina sama puolisko eikä se näytä pyörivan.

Näin on tapahtunut myös muualla aurinkokunnassamme. Esimerkiksi Jupiterin suuret kuut ovat lukkiutuneet pyörimään itsensä ympäri samassa ajassa kuin mitä ne kiertävät Jupiterin ympäri.

K: Mistä lukkiutuminen johtuu?

V: Kuun syntymisen jälkeen se kiersi maapalloa hyvin lähellä. Yhteen kierrokseen kului aikaa noin 20 tuntia. Maapallon gravitaatio sai aikaan Kuun muodon muuttumisen soikeaksi, samoin Kuu aiheutti maapalloon pienen muodon muutoksen, mutta ei läheskään yhtä suurta kuin mitä Kuuhun syntyi.  Ilmiötä kutsutaan vuorovesivoimaksi, koska maapallolla esiintyvä vuorovesi johtuu juuri tästä samasta syystä.

Koska Kuu pyöri itsensä ympäri nopeammin kuin mitä yhteen kierrokseen maapallon ympäri kului aikaa, soikeus ei kohdistunut suoraan maapalloa kohti, vaan oli hieman vinossa. Tämä puolestaan, johti siihen massajakauman epäsymmetrisyyteen Maa–Kuu-linjalta. Epäsymmetrisyys puolestaan synnytti Kuun pyörimistä hidastava vääntömomentin. Aikojen kuluessa tämä vääntömomentti kulutti lähes kokonaan Kuun pyörimismomentin. Siitä jäi jäljelle vain sen verran, että nykyisin pyörimisaika on sama kuin kiertoaika.

Vuorovesivoima johti toiseen samanaikaiseen tapahtumaan – maapallon pyöriminen hidastuu! Kuu sai aikaan maapallolla samanlaisen vuoksiaallon kuin maapallo Kuuhun. Koska maapallon pyöriminen oli nopeampaa kuin Kuun kiertoliike, vuoksiaalto oli Maa–Kuun linjaa edellä. Jälleen epäsymmetrisestä massajakaumasta johtuen maapallon pyörimisliikettä vastaan syntyi vähäinen sitä vastustava vääntömomentti, jonka seurauksena maapallon pyöriminen itsensä ympäri hidastui ja hidastuu edelleen.

On olemassa vielä kolmaskin seuraus maapallon massajakauman vähäisestä epäsymmetrisyydestä. Se aiheuttaa Kuulle sen ratanopeutta kiihdyttävän voiman. Nykyisin tuo voima on suhteellisen vähäinen, mutta heti Kuun synnyn jälkeen se oli huomattavasti voimakkaampi. Vuorovesivoiman seurauksena Kuun ratanopeus pyrki kiihtymään, josta puolestaan seurasi Kuun radan etääntyminen maapallosta. Näin maapallon menettämä pyörimisenergia siirtyi Kuun potentiaalienergiaksi ilman, että se olisi hävinnyt mihinkään.

Näin jatkui vuosimiljardeja aina nykypäivään asti ja näin tulee tapahtumaan myös tulevaisuudessa. Nykyisin Kuu etääntyy maapallosta noin 3,8 cm vuodessa ja maapallon pyörimisliike hidastuu noin 1,7 ms vuorokautta kohti sadan vuoden aikana.

Koska Kuun pyörimisliike on jo lukkiutunut kiertoaikaan, siinä ei tule tapahtumaan muutosta kuin että Kuun etääntyessä Maasta, sen kiertoaika ja pyörähdysaika pitenevät edelleen.  Maapallon pyörähdysaika hidastuu niin kauan kunnes sekin lukkiutuu Kuun kiertoaikaan. Näin on jo tapahtunut Pluto–Charonin järjestelmässä. Aikaa Maan ja Kuun järjestelmän täydelliseen lukkiutumiseen kuitenkin kuluu useita vuosimiljardeja. On mahdollista, että täydellistä lukkiutumista ei ehdi koskaan tapahtua ennen kuin Aurinko laajenee punaiseksi jättiläiseksi tuhoten Kuun ja mahdollisesti myös Maan.