ปรากฏการณ์ Tidal Locking ของดวงจันทร์ของโลก และ Tidal Heating ในดวงจันทร์ไอโอ (Io)
หลายๆ คนอาจจะคุ้นเคยอยู่แล้ว กับ "แรงไทดัล" หรือแรงน้ำขึ้นน้ำลง (สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่ [1]) ที่ไม่เพียงแต่จะช่วยชาวประมงในการออกเรือ สามารถนำไปผลิตกระแสไฟฟ้า[3] เป็นส่วนสำคัญอย่างหนึ่งของระบบนิเวศริมทะเลแล้ว แต่ในยามวิกฤตเรายังสามารถนำไปใช้ในการช่วยกู้เรือเดินสมุทรที่ติดคลองสุเอซ ทำให้การขนส่งทางเรือเป็นอัมพาตได้อีกด้วย[2]
ในวันนี้เราจะมาทำความรู้จักกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากแรงไทดัลอีกสองอย่าง นั่นก็คือ Tidal Locking และ Tidal Heating
- Tidal Locking
เชื่อว่าทุกคนน่าจะรู้จักคุ้นเคยกับภาพดวงจันทร์ทางด้านซ้ายมือในภาพบนกันเป็นอย่างดี แต่มีใครเคยเห็นหน้าตาดวงจันทร์อย่างภาพขวามือบ้าง? ในประวัติศาสตร์ของมนุษย์โลกนั้นเคยมีมนุษย์เพียง 24 คน ภายใต้โครงการอพอลโลเพียงเท่านั้นที่เคยเห็นพื้นผิวเหล่านี้ด้วยตาของพวกเขาเอง เพราะนี่คือพื้นผิวด้านไกลของดวงจันทร์ซึ่งไม่เคยเผยโฉมให้กับผู้สังเกตบนโลก
ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องมาจากว่า ดวงจันทร์ของโลกนั้น มีคาบการโคจรรอบโลก และคาบการหมุนรอบตัวเองเท่ากันพอดี จึงหันด้านเดิมมาหาโลกเสมอ เราจึงสามารถแบ่งด้านของดวงจันทร์ออกเป็นด้านใกล้ และด้านไกล หรือบางทีเราอาจจะเรียกว่า "ด้านมืด" ในลักษณะที่เป็นด้านที่เราไม่รู้จัก (แต่ไม่ควรสับสนกับด้านที่อยู่ในเงามืด เพราะด้านที่อยู่ในเงามืดนั้นเปลี่ยนได้ตามเฟสของดวงจันทร์)
แล้วเพราะเหตุใดดวงจันทร์จึงหันด้านเดียวมาหาโลกเสมอ? เพราะเหตุใดคาบการโคจรและหมุนรอบตัวเองของดวงจันทร์จึงเท่ากันพอดิบพอดี? นี่เป็นความบังเอิญหรือไม่? วัตถุอื่นในระบบสุริยะมีการ sync คาบการโคจรกับคาบกันหมุนรอบตัวเองเช่นดวงจันทร์ของโลกหรือไม่?
คำตอบทั้งหมดนี้ ตอบได้ด้วยปรากฏการณ์ Tidal Locking
ปรากฏการณ์ Tidal Locking เกิดขึ้นเมื่อวัตถุมีวงโคจรที่ใกล้เพียงพอกับศูนย์กลางการโคจร ก่อนที่มันจะเย็นตัวลง จากความรู้เรื่องแรงไทดัล[1] เราจะพบว่าแรงไทดัลจะมีมาก เมื่ออยู่ใกล้แหล่งที่ทำให้เกิดแรงโน้มถ่วง และนอกจากนี้แรงไทดัลจะมีผลมากกว่ากับสสารที่เป็นของเหลว ดังนั้นแรงไทดัลจึงมีผลมากกว่า กับวัตถุที่เป็นของเหลวที่โคจรอยู่ใกล้ ซึ่งนั่นคือสภาพที่เกิดขึ้นกับดวงจันทร์ของโลกในช่วงที่เพิ่งจะก่อกำเนิดขึ้นมา
ในช่วงแรกนั้น ดวงจันทร์ของโลกประกอบไปด้วยแมกม่าเหลวที่ยังไม่เย็นตัวพอ และมีวงโคจรที่ใกล้กว่านี้เป็นอย่างมาก มนุษย์โลกเราอาจจะมองว่าแรงไทดัลนั้นเป็นแรงที่ดวงจันทร์กระทำกับโลก แต่ในขณะเดียวกันโลกก็มีแรงไทดัลส่งไปยังดวงจันทร์เช่นกัน และด้วยมวลของโลกที่มากกว่าดวงจันทร์กว่า 81 เท่า จึงทำให้แรงไทดัลที่โลกกระทำต่อดวงจันทร์มีมากกว่าถึง 81 เท่าเช่นกัน (เนื่องจากระยะห่างเท่ากันทั้งสองกรณี) แรงไทดัลอันมหาศาลที่โลกกระทำต่อดวงจันทร์ในยุคโบราณนี้ จึงทำให้แมกม่าเหลวภายในดวงจันทร์มีการถ่ายโอนไป มากองอยู่ในด้านที่อยู่ใกล้กับโลก ทุกวันนี้เรายังสามารถเห็นหลักฐานของปรากฏการณ์นี้ได้จากบริเวณของ Mare (มาเร่) บนดวงจันทร์ ที่เป็นบริเวณผิวเรียบสีเข้มที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นทะเลลาวาที่ผุดขึ้นมาเต็มไปทั่วหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกันหากเราสังเกตเห็นด้านไกลของดวงจันทร์เราจะพบว่าแทบไม่มี Mare ปรากฏให้เห็นเลย
เมื่อลาวาเหลวบนดวงจันทร์เย็นตัวลง ดวงจันทร์ที่มีมวลโย้มาฝั่งเดียวนี้ จึงเปรียบได้กับตุ๊กตาล้มลุก ที่มีด้านที่หนักอยู่ด้านหนึ่ง และเมื่อแรงไทดัลกระทำกับดวงจันทร์นี้ จึงมีการส่ายไปมา คล้ายกับตุ๊กตาล้มลุกที่พยายามจะชี้ด้านที่เบาออกห่างจากโลกอยู่เสมอ
กระบวนการน้ำขึ้นน้ำลงนั้น เป็นกระบวนการที่สูญเสียพลังงาน เมื่อคลื่นที่เกิดจากน้ำขึ้นน้ำลงเสียดสีกับพื้นมหาสมุทร จะทำให้โลกหมุนช้าลง (ซึ่งเป็นเหตุผลที่เราต้องปรับนาฬิกาให้ช้าลงกันเป็นประจำ อ่านเพิ่มได้ที่[4]) หลักฐานทางฟอสซิลบ่งชี้ว่า เมื่อนานมาแล้วหนึ่งปีบนโลกมีได้ถึง 400 กว่าวัน และแรงไทดัลนั่นเองที่ทำให้โลกค่อยๆ หมุนช้าลง และในขณะเดียวกัน ด้วยกฏอนุรักษ์โมเมนตัม การหมุนช้าลงของโลกนี้ก็จะทำให้วงโคจรของดวงจันทร์ ค่อยๆ ถอยห่างออกไป พร้อมกับทำให้วงโคจรของดวงจันทร์มีความรีที่น้อยลง จนดวงจันทร์เกิดการ "ล๊อค" หันด้านที่หนักกว่ามาหาโลก กลายมาเป็นดวงจันทร์ที่หันด้านเดิมมาหาดวงอาทิตย์เสมอ เช่นที่เรารู้จักกันทุกวันนี้ เราจึงเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "Tidal Locking"
ซึ่งปรากฏการณ์ Tidal Locking นี้ไม่ได้เฉพาะเจาะจงเฉพาะดวงจันทร์ของโลกเพียงเท่านั้น แต่เราพบว่าดวงจันทร์หลายๆ ดวงของดาวเสาร์และดาวพฤหัสบดีที่อยู่ใกล้ดาวแม่พอ ก็มีการหันด้านเดียวหาดาวเคราะห์เช่นกัน ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดก็คือดวงจันทร์ Iapetus ที่มีครึ่งหนึ่งเป็นสีขาว อีกครึ่งหนึ่งเป็นสีดำ โดย Iapetus จะหันด้านสีดำ ไปในทิศทางการโคจรเสมอ นอกจากนี้ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะบางดวงที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์เพียงพอ ก็อาจจะเกิดกระบวนการ Tidal Locking ได้เช่นกัน ทำให้ดาวเคราะห์นอกระบบบางดวงอาจจะมีอุณหภูมิพื้นผิว หรือ "ฤดูกาล" ที่แตกต่างกันตามด้านที่หันออกจากดาวฤกษ์ และหนึ่งในด้านเหล่านั้นอาจจะเอื้ออำนวยต่อการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตก็เป็นได้
- Tidal Heating
ผลอีกอย่างหนึ่งที่ตามมาจากแรงไทดัล และกระบวนการ Tidal Locking ก็คือปรากฏการณ์ Tidal Heating ซึ่งจะเห็นได้ชัดที่สุดในดวงจันทร์ไอโอ (Io) ของดาวพฤหัสบดี (ภาพซ้ายล่าง)
นอกจากโลกของเราแล้ว ดวงจันทร์ไอโอเป็นเพียงวัตถุเดียวในระบบสุริยะที่มีภูเขาไฟที่พ่นลาวาออกมาได้ แต่ในขณะที่แมกม่าในโลกของเรานั้นได้รับแหล่งพลังงานความร้อนหลักมาจากการแผ่รังสีของสารกัมมันตรังสีภายในโลก แหล่งกำเนิดพลังงานหลักที่ทำให้ดวงจันทร์ไอโอนั้นคุกกรุ่นไปด้วยภูเขาไฟทั่วทั้งดวงนั้น กลับมาจากแรงไทดัล
เราอธิบายความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ได้ง่ายๆ โดยเปรียบเทียบกับการ "นวดดินน้ำมัน"
ลองจินตนาการดูว่าเราเพิ่งแกะดินน้ำมันห่อใหม่ออกมาจากห่อ ก่อนที่เราจะเอาไปปั้นเป็นรูปอะไรได้นั้น เราจะต้องนวดดินน้ำมันให้ "อุ่น" เสียก่อน เราจะทำให้ดินอุ่นโดยการ "นวด" ได้อย่างไร เราจะพบว่าสิ่งที่เราต้องทำนั้น มีเพียงแค่การ "บีบ" ดินน้ำมัน ในทิศทางที่ต่างๆ กันออกไป ในที่สุดดินก็จะอุ่นขึ้นมาเอง
จากในบทความที่อธิบายเรื่องแรงไทดัล เราสามารถเปรียบแรงไทดัลได้กับการ "บีบ" ของเหลวภายในดาวให้โป่งออก ดังนั้นเราจึงได้ปัจจัยแรกในการเปรียบเปรยการนวดดินน้ำมันของเราไปแล้ว อย่างไรก็ตาม นอกจากแรงบีบแล้วนั้น เราต้องการแรงบีบที่สามารถเปลี่ยนทิศทางไปได้ จึงจะทำให้เกิดความร้อนขึ้น แต่เนื่องจากดวงจันทร์ไอโอนั้นเกิด Tidal Lock ไปแล้ว จึงหันด้านเดิมมาหาดาวพฤหัสบดีเสมอ แรงไทดัลจึงกระทำต่อดวงจันทร์ในทิศทางเดิมเสมอ กลไกนี้เพียงกลไกเดียวจึงไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดความร้อนขึ้น เช่นเดียวกับการยืนบีบดินน้ำมันเอาไว้นิ่งๆ ย่อมจะไม่ทำให้ดินน้ำมันนั้นเกิดความอุ่นขึ้นมาได้แต่อย่างใด
แต่ในขณะเดียวกันนั้น ดวงจันทร์ไอโอนั้นกลับมีสิ่งที่เรียกว่า Orbital Resonance กับดวงจันทร์กาลิเลียนอีกสองดวง นั่นก็คือ Europa และ Ganymede โดยมีอัตราส่วนคาบเป็น 1:2:4 กล่าวคือ ทุกๆ หนึ่งรอบการโคจรของดวงจันทร์แกนิมีด ดวงจันทร์ยูโรปาจะโคจรไปสองรอบ และดวงจันทร์ไอโอจะโคจรไปสี่รอบ Orbital Resonance ในลักษณะนี้ จะทำให้ตำแหน่งที่ดวงจันทร์ตรงกัน จะเกิดขึ้นในตำแหน่งเดิมของวงโคจรเสมอ (เช่น ซ้าย-ขวา ดังภาพประกอบด้านขวาล่าง) แม้ว่าแรงดึงดูดระหว่างดวงจันทร์สองดวงนั้นจะมีน้อยมาก เมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วงจากดาวพฤหัส แต่แรงโน้มถ่วงที่ดึงในทิศทางเดิมเสมอ เมื่อเวลาผ่านไปนานเข้า จะค่อยๆ ยืดวงโคจรของดวงจันทร์ไอโอออกจนกลายเป็นวงรีในที่สุด (ในแนวซ้าย-ขวา ในกรณีตามภาพนี้)
โดยปรกติแล้วแรงไทดัลนั้นจะค่อยๆ ทำให้วงโคจรใดๆ ที่มีความรี ค่อยๆ กลายเป็นวงกลมไปในที่สุด แต่ในกรณีของดวงจันทร์ไอโอที่อยู่ใน Orbital Resonance กับดวงจันทร์อีกสองดวงนี้นั้น แรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ทั้งสองจะทำให้วงโคจรของดวงจันทร์ไอโอยังสามารถคงความรีเอาไว้ได้ไปตลอดไป ซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญมากในกระบวนการเกิด Tidal Heating
เนื่องจากถึงแม้ว่า Tidal Locking จะบังคับให้คาบการโคจรของไอโอ มีค่าเท่ากับคาบในการหมุนพอดิบพอดี แต่ Tidal Locking นั้นไม่สามารถควบคุมอัตราเร็วในการโคจรได้ เมื่อไอโอมีวงโคจรเป็นวงรี นั่นหมายความว่าในบางช่วงไอโอจะมีอัตราเร็วในการโคจรที่เร็วกว่าปรกติ และในบางช่วงก็ช้ากว่าปรกติ ในขณะที่อัตราหมุนของวัตถุใดๆ นั้นจะคงที่เสมอ ทำให้ในบางครั้งไอโอก็มีอัตราหมุน "แซง" อัตราเร็วโคจรไป และในช่วงที่เหลือก็มีอัตราหมุน "ช้ากว่า" สลับกันไป
ผลของอันตรกิริยาอันซับซ้อนเหล่านี้ ก็ทำให้ดวงจันทร์ไอโอมีการ "ส่าย" ไปมา คล้ายกับตุ๊กตาล้มลุกที่ไม่มีวันหยุดนิ่ง แต่เนื่องจากแรงไทดัลนั้นออกแรง "บีบ" ในทิศทางที่ชี้ไปหาดาวพฤหัสบดีเสมอ ทำให้แรงบีบที่เกิดจากแรงไทดัลนั้นมีการเปลี่ยนตำแหน่งอยู่เสมอในรอบการโคจร เมื่อเรามีทั้งแรงบีบ และกลไกในการเปลี่ยนทิศทางของแรงบีบ แรงไทดัลอันมหาศาลจากดาวพฤหัสจึงส่งแรง "นวด" ภายในของดาวไอโออย่างไม่หยุดหย่อน พลังงานที่เกิดขึ้นนี้จึงสะสมอยู่ในรูปของความร้อน ทำให้ภายในดาวไอโอกลายเป็นแมกม่าเหลวที่ร้อนระอุ และพร้อมที่จะปุออกมาอยู่ตลอดเวลา กลายมาเป็นดวงจันทร์ภูเขาไฟเพียงดวงเดียวในระบบสุริยะที่เรารู้จัก
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1561313990745468/
[2] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1560520504158150/
[3] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/1238742689669268
[4] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/364803483729864
มาเร่ 在 Mera Mare Pattaya - Home | Facebook 的推薦與評價
ที่พักสุดเก๋ ติดทะเล แค่เดินข้ามถนนถึงทะเลเลย เมร่ามาเร่ที่พักที่อยากให้ทุกคนลองมาพักสักครั้ง มีห้องพักหลาย Type… More ... ... <看更多>