조석 가열
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1. 개요
조석 가열은 천체의 조석력으로 인해 발생하는 열 에너지 현상이다. 이는 주로 거대 행성의 위성에서 나타나며, 특히 목성의 위성 이오와 유로파, 토성의 위성 엔켈라두스에서 활발한 지질 활동을 유발한다. 이오의 경우 라플라스 공명으로 인해 조석 가열이 지속되며, 유로파는 이오보다 약하지만 조석 가열로 얼음 하층이 녹는 현상이 나타난다. 엔켈라두스는 디오네와의 공명으로 액체 물의 바다가 존재할 것으로 추정된다. 지구에서도 조석 가열이 발생하며, 달과의 상호 작용이 가장 큰 영향을 미친다. 조석 가열은 달의 핵-맨틀 경계에서 용융층을 생성할 수도 있으며, 조석 가열의 양은 특정 공식을 통해 계산될 수 있다.
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- 조석 - 조석 가속
조석 가속은 지구와 달의 중력 상호작용으로 달이 지구에서 멀어지고 지구 자전 속도가 느려지는 현상으로, 지구 자전 에너지가 달 궤도 에너지로 전환되어 달의 공전 궤도를 확장시키고 지구의 자전 주기를 늘린다. - 조석 - 힐 권
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| 조석 가열 | |
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| 조석 가열 | |
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| 관련 항목 | 지구물리학 조석력 행성 과학 화산 엔셀라두스 이오 유로파 명왕성 트리톤 |
2. 거대 행성의 위성
조석 가열은 태양계에서 가장 화산 활동이 활발한 천체인 목성의 위성 이오의 지질 활동을 일으키는 원인이다.[1] 이와 같은 메커니즘으로 목성에서 두 번째로 가까운 큰 위성인 유로파는 암석 맨틀을 둘러싼 얼음 하층이 녹는 데 필요한 에너지를 공급받는다. 토성의 위성 엔켈라두스는 디오네와의 공명과 관련된 조석 가열로 인해 얼음 지각 아래에 액체 상태의 물로 구성된 바다가 있는 것으로 추정된다. 엔켈라두스에서 물질을 분출하는 극저온 화산인 수증기 간헐천은 내부에서 발생하는 마찰에 의해 동력을 얻는 것으로 보인다.[2]
2. 1. 이오 (위성)
목성의 위성 이오는 태양계에서 가장 화산 활동이 활발한 천체인데, 이오의 지질 활동은 조석 가열로 인해 발생한다. 이오의 이심률은 라플라스 공명과 갈릴레이 위성인 유로파, 가니메데와의 궤도 공명으로 인해 지속된다.[1]2. 2. 유로파 (위성)
목성의 위성 유로파는 이오와 동일한 조석 가열 메커니즘으로 암석 맨틀을 둘러싼 얼음 하층이 녹는 데 필요한 에너지를 제공받는다. 하지만 유로파의 가열은 굴곡 감소로 인해 약하다. 유로파는 이오 궤도 주파수의 절반이고 반경이 14% 더 작기 때문이다.[1] 또한 유로파의 궤도는 이오보다 약 두 배 더 이심률이 크지만, 조석력은 거리의 세제곱에 따라 감소하여 유로파에서는 4분의 1밖에 강하지 않다. 목성은 위성이 자신에게 일으키는 조석을 통해 위성의 궤도를 유지하며, 따라서 회전 에너지가 궁극적으로 시스템의 동력을 제공한다.[1]2. 3. 엔켈라두스 (위성)
토성의 위성 엔켈라두스는 디오네와의 공명과 관련된 조석 가열로 인해 얼음 지각 아래에 액체 물의 바다가 있는 것으로 여겨진다. 엔켈라두스에서 물질을 분출하는 극저온 화산인 수증기 간헐천은 내부에서 발생하는 마찰에 의해 동력을 얻는 것으로 생각된다.[2]3. 지구
뭉크(Munk)와 분쉬(Wunsch) (1998)는 지구의 조석 가열을 연구하면서 해양 조석, 지구 조석, 달과 태양과의 상호작용 등을 분석했다.[3] 에그버트(Egbert)와 레이(Ray) (2001)는 우주 측지학 방법으로 뭉크와 분쉬의 연구를 확인했다.[4] 헬러(Heller) 등 (2021)은 달 형성 초기 지구 조석 가열과 온도 상승을 연구했다.[5][6]
3. 1. 지구의 조석 가열량
뭉크(Munk)와 분쉬(Wunsch) (1998)는 지구에서 3.7TW (0.0073W/m2)의 조석 가열이 발생하며, 이 중 95% (3.5TW 또는 0.0069W/m2)는 해양 조석과 관련이 있고 5% (0.2TW 또는 0.0004W/m2)는 지구 조석과 관련이 있으며, 3.2TW는 달과의 조석 상호 작용에 기인하고 0.5TW는 태양과의 조석 상호 작용에 기인한다고 추정했다.[3] 에그버트(Egbert)와 레이(Ray) (2001)는 "지구-달-태양 시스템에서 소산되는 총 조석 에너지의 양은 이제 잘 결정되었다. 우주 측지학 방법—고도 측정, 위성 레이저 거리 측정, 달 레이저 거리 측정—은 3.7TW로 수렴했다..."라고 쓰면서 전반적인 추정치를 확인했다.[4]헬러(Heller) 등 (2021)은 달이 형성된 직후, 달이 현재보다 10~15배 더 지구에 가까이 공전했을 때, 조석 가열이 약 1억 년 동안 ~10W/m2의 가열을 기여했을 수 있으며, 이는 초기 지구에서 최대 5°C의 온도 상승을 설명할 수 있다고 추정했다.[5][6]
3. 2. 초기 지구의 조석 가열
Heller 등(2021)은 달이 형성된 직후, 달이 현재보다 10~15배 더 지구에 가까이 공전했을 때, 조석 가열이 약 1억 년 동안 ~10W/m2의 가열을 기여했을 수 있으며, 이는 초기 지구에서 최대 5°C의 온도 상승을 설명할 수 있다고 추정했다.[5][6]4. 달
5. 조석 가열 공식
조석 고정되어 있고, 궤도 경사가 공면()이며, 궤도 이심률을 가진 위성의 경우 조석 가열은 공식으로 표현할 수 있다. 공식에 사용된 각 문자의 기호에 대한 설명은 하위 섹션에 상술되어있다.[8][9][10][11]
비동기식 회전체에서 조석으로 소산되는 전력은 더 복잡한 식으로 표현된다.[12]
5. 1. 조석 가열률 공식
조석 고정되어 있고, 궤도 경사가 공면()이며, 궤도 이심률을 가진 위성의 경우 조석 가열률()은 다음과 같이 표현된다.[8]:
여기서 은 위성의 평균 반경, 은 평균 운동, 는 궤도 거리, 는 이심률이다.[8] 는 모천체(중심)의 질량을 나타내며, 는 위성이 조석 에너지를 마찰열로 소산하는 효율을 측정하는 2차 러브 수의 허수 부분이다. 이 허수 부분은 천체의 유변학과 자체 중력의 상호 작용에 의해 정의된다. 따라서 천체의 반경, 밀도, 유변학적 매개변수(전단 탄성 계수, 점성, 그리고 기타 유변학적 모델에 따라 달라짐)의 함수이다.[9][10] 유변학적 매개변수의 값은 다시 천체 내부의 온도와 부분 용융 농도에 따라 달라진다.[11]
비동기식 회전체에서 조석으로 소산되는 전력은 더 복잡한 식으로 표현된다.[12]
5. 2. 비동기식 회전체의 조석 가열
조석 고정되어 있고, 궤도 경사가 공면()이며, 궤도 이심률을 가진 위성의 경우 조석 가열률()은 다음과 같이 표현된다.[8]:
여기서 , , , 는 각각 위성의 평균 반경, 평균 운동, 궤도 거리, 그리고 이심률이다.[8] 는 모천체(중심)의 질량을 나타내며, 는 위성이 조석 에너지를 마찰열로 소산하는 효율을 측정하는 2차 러브 수의 허수 부분을 나타낸다. 이 허수 부분은 천체의 유변학과 자체 중력의 상호 작용에 의해 정의된다. 따라서 천체의 반경, 밀도, 유변학적 매개변수(전단 탄성 계수, 점성, 그리고 기타 유변학적 모델에 따라 달라짐)의 함수이다.[9][10] 유변학적 매개변수의 값은 다시 천체 내부의 온도와 부분 용융 농도에 따라 달라진다.[11]
비동기식 회전체에서 조석으로 소산되는 전력은 더 복잡한 식으로 표현된다.[12]
참조
[1]
학술지
Melting of Io by Tidal Dissipation
[2]
간행물
Tidally induced volcanism
[3]
학술지
Abyssal recipes II: energetics of tidal and wind mixing
https://www.whoi.edu[...]
2023-03-26
[4]
학술지
Estimatesof tidal energy dissipationfrom TOPEX/Poseidon altimeter data
2001-10-15
[5]
학술지
Habitability of the early Earth: liquid water under a faint young Sun facilitated by strong tidal heating due to a closer Moon
https://link.springe[...]
2021
[6]
학술지
How Much Did the Moon Heat Young Earth?
https://eos.org/arti[...]
2023-03-26
[7]
학술지
Strong tidal heating in an ultralow-viscosity zone at the core–mantle boundary of the Moon
https://www.research[...]
2014-07-27
[8]
학술지
Tidal dissipation, surface heat flow, and figure of viscoelastic models of Io
1988-08
[9]
학술지
Tidally Heated Terrestrial Exoplanets: Viscoelastic Response Models
[10]
학술지
Increased Tidal Dissipation Using Advanced Rheological Models: Implications for Io and Tidally Active Exoplanets
[11]
학술지
Tidal Dissipation Compared to Seismic Dissipation: In Small Bodies, in Earths, and in Superearths
[12]
학술지
Tidal Dissipation in a Homogeneous Spherical Body. I. Methods
[13]
학술지
Melting of Io by Tidal Dissipation
http://links.jstor.o[...]
2010-10-12
[14]
간행물
Tidally induced volcanism
[15]
문서
Parameterized model of convection driven by tidal and radiogenic heating, Adv. Space Res, 38, 4, 788-793
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