Kodėl Atlanto vandenyne potvyniai vyksta, o Baltijos jūroje – ne? Kaip tai susiję su Mėnuliu ir kas vyksta danguje?
Gy­ven­da­mi Lie­tu­vo­je, mes ne­su­si­du­ria­me su reikš­min­gais pot­vy­niais (iš­sky­rus kar­tais, kai pa­va­sa­rį pa­tvins­ta Ne­mu­nas), bet di­de­lei da­liai Že­mės gy­ven­to­jų jie yra kas­die­ny­bės da­lis. Du kar­tus per par­ą van­duo pa­ky­la – kar­tais net dau­giau nei pen­kis me­trus – ir du kar­tus nu­si­lei­džia tiek pat. Pot­vy­niai yra la­bai re­gu­lia­rūs, jų aukš­tis be­veik ne­kin­ta, o aukš­čiau­sio ir že­miau­sio van­dens ly­gio lai­kas kin­ta prog­no­zuo­ja­mai. Tai ne­tu­rė­tų ste­bin­ti: pot­vy­nius dau­giau­siai nu­le­mia Mė­nu­lis, ku­rio ju­dė­ji­mą val­do tiks­liai prog­no­zuo­ja­ma gra­vi­ta­ci­jos jė­ga. Bet pot­vy­niai nė­ra tik Že­mės van­de­ny­nų rei­ka­las: to­kios pa­čios jė­gos val­do ir kai ku­rių pla­ne­tų ju­dė­ji­mą, ar­do žvaigž­des ir ga­lak­ti­kas ir gal­būt net su­ke­lia pe­rio­diš­kus gy­vy­bės iš­ny­ki­mus Že­mė­je.

Potvynius – tuos, kurie reguliarūs kasdieniniai, o ne sezoniniai – sukelia gravitacija. Tiksliau sakant, Mėnulio ir Saulės gravitacija. Mėnulio gravitacija šiuo atveju yra svarbesnė, todėl pradžiai Saulę palikime nuošalyje. Mėnulio gravitacija traukia Žemę, kaip ir Žemės – Mėnulį. Tačiau ne visą Žemę Mėnulis traukia vienodai: tą tašką, kuris arčiausiai Mėnulio, traukia stipriau, nei planetos centrą, o pastarąjį – stipriau, nei priešingame krašte esantį tašką. Tad visa planeta, jei tik galėtų, po truputį išsitemptų į pailgą siūlą, nutįsusį Mėnulio link. Laimei, uolienų cheminiai ryšiai ir pačios Žemės gravitacija neleidžia to padaryti, tačiau vanduo Mėnulio traukos skirtumams pasiduoda, ir Žemėje visą laiką egzistuoja dvi vandens bangos: viena pakilusi nuo paviršiaus Mėnulio link, kita pakilusi nuo paviršiaus priešingoje Žemės pusėje.

Potvynio bangų schema. Viršuje: Mėnulio trauka skirtingiems Žemės taškams yra ne visai vienoda. Apačioje: skirtumai tarp Žemės centrą ir skirtingus paviršiaus taškus veikiančių Mėnulio gravitacijos jėgų. Po Mėnuliu ir priešingoje Žemės pusėje susidaro vandens pakilimai – potvyniai.©Ohio State University

Šios bangos Mėnulio atžvilgiu išlieka toje pačioje padėtyje, tačiau Žemė sukasi, ir per parą apsisuka vieną ratą. Taigi planetos paviršiaus atžvilgiu bangos juda priešinga kryptimi, nei sukasi pati planeta. Stovėdami bet kuriame taške, matysime, kaip maždaug du kartus per parą aplink mus esantis vanduo pakyla, ir du kartus – nusileidžia. Truputį tiksliau – tarp dviejų potvynio maksimumų reikės laukti maždaug 12 valandų 25 minutes, nes Mėnulis, skriedamas aplink Žemę, nuolatos pasislenkia šiek tiek į priekį. Per parą jis pajuda apie 50 minučių į priekį, o per 28 su trupučiu paros – mėnesį – apsuka visą 24 valandų ratą.

Potvynių aukštis skirtingose Žemės vietose.

Štai tokia yra potvynių Žemėje esmė. Bet toks paaiškinimas neapima daugybės detalių. Kodėl Atlanto vandenyne potvyniai vyksta, o Baltijos jūroje – ne? Potvynio aukštį didele dalimi nulemia vandens telkinio plotis rytų-vakarų kryptimi. Gana neblogai tą galime įsivaizduoti tokiu būdu: Mėnulis kelia potvynio bangą tik tada, kai yra virš vandens telkinio. Kuo platesnis telkinys, tuo ilgiau Mėnulis skrieja virš jo, todėl ir bangą pakelia aukštesnę. Baltijos jūra yra palyginus siaura, taigi ir potvynio bangų aukštis siekia ne daugiau keliolikos centimetrų. Tuo tarpu vandenynuose gali pasiekti ir keletą metrų. Žinoma, įtakos turi ir vandens telkinio gylis (kontinentinis šelfas laužia bangas ir silpnina potvynius), pakrantė (stačios uolos ir nuožulnus paplūdimys bangas laužia skirtingai) ir įvairūs kiti reiškiniai.

Taip pat potvynio bangų aukštis kinta mėnesiui bėgant. Jaunaties ir pilnaties metu potvyniai yra aukštesni, o atoslūgiai – gilesni, nei priešpilnio ir delčios. Jie net pavadinimus skirtingus turi, bent jau anglų kalba: „šokantis“ potvynis (spring tide) ir „žemutinis“ (neap tide). Šiuos skirtumus sukelia Saulės gravitacija, mat ji irgi kuria potvynius. Tik Saulės keliami potvyniai yra maždaug dvigubai mažesni, nei Mėnulio, todėl atskirai apie juos nekalbame. Bet kai Mėnulis ir Saulė yra toje pačioje arba tiksliai priešingose dangaus pusėse, jų potvyniai susideda, ir banga tampa aukštesnė. Ir priešingai – kai atstumas danguje tarp jų yra ketvirtis apskritimo, potvynis būna mažesnis.

Šokantys (spring) ir žemutiniai (neap) potvyniai: kai Saulė, Mėnulis ir Žemė yra vienoje linijoje, Mėnulio ir Saulės keliami potvyniai susideda, todėl banga pakyla aukščiau; kai Mėnulis ir Saulė, žiūrint iš Žemės, yra nutolę ketvirčiu dangaus vienas nuo kito, potvyniai yra mažesni.

Kaip Mėnulis kelia potvynius Žemėje, taip ir Žemė tampo Mėnulį. Tik Mėnulyje nėra vandens, kuris judėtų potvynio bangomis. Tačiau tolimoje praeityje, kai Mėnulis dar sukosi aplink savo ašį greičiau, nei aplink Žemę, planetos trauka palydovą ištempė į šiek tiek pailgą formą – potvyninės jėgos užteko, kad ištemptų Mėnulio uolienas. Taip ištemptas Mėnulis patogiausiai jautėsi tada, kai ilgoji ašis nukreipta tiksliai Žemės link, tad suktis aplink savo ašį jam darėsi vis sunkiau. Galiausiai Mėnulis tokioje padėtyje ir nusistovėjo, ir liko visada nukreipęs vieną šoną į Žemę. Ir sukasi jis aplink savo ašį taip pat lėtai, kaip ir aplink Žemę – vieną kartą per 28 su trupučiu paros.

Mėnulis, šiek tiek išsitempęs Žemės link, sukasi aplink ją taip pat lėtai, kaip ir aplink savo ašį./University of Oregon nuotr.

Bet kaip Žemė Mėnuliui, taip ir Mėnulis Žemei. Mūsų palydovas stabdo mūsų planetos sukimąsi. Kad suprastume, kodėl tai vyksta, grįžkime prie potvynio bangos, kuri, kaip sakiau, yra po Mėnuliu ir priešingoje Žemės pusėje. Labai supaprastintai Žemę galime įsivaizduoti kaip rutulį ir dvi bangas. Rutulio dalies masės centras yra Žemės centre ir Mėnulio trauka, veikianti šią Žemės dalį, nukreipta Žemę ir Mėnulį jungiančios linijos kryptimi. Tuo tarpu abi bangos yra pasislinkusios šiek tiek į priekį – Žemės sukimosi kryptimi – nuo planetos ir palydovo centrus jungiančios linijos, nes Žemės sukimasis pakeltą potvynio bangą nutempia pirmyn. Taigi šie iškilimai, traukiami Mėnulio, priešinasi Žemės sukimuisi ir nori grįžti atgal. Atsiranda jėga, stabdanti planetos sukimąsi. Ir jis po truputį tikrai lėtėja – apie dvi tūkstantąsias sekundės dalis per šimtą metų. Lėtėjimas ne visada buvo vienodas – per pastaruosius 600 milijonų metų paros trukmė išaugo trim valandomis, o seniau, gali būti, milijardą ar net du milijardus metų buvo maždaug vienoda. Dar ankstesniais laikais sukimasis buvo dar greitesnis – netrukus po Mėnulio susiformavimo Žemė aplink ašį apsisukdavo per mažiau nei 10 valandų. Ateityje planetos sukimasis taip pat lėtės, kol galiausiai, po kelių dešimčių milijardų metų, ji ims suktis taip pat lėtai, kaip Mėnulis aplink ją, ir Žemė Mėnuliui atsuks vieną savo šoną. Tada paros ir mėnesio trukmė taps vienoda – maždaug po 47 šiandienines dienas. Ne 28, nes Mėnulis nuo Žemės nuolatos tolsta dėl tos pačios sąveikos su potvynio bangomis: Žemė, netekdama sukimosi energijos, atiduoda ją Mėnuliui. Tiesa, gali būti, kad šito mūsų planeta ir nesulauks – po penketo milijardų metų raudonąja milžine pavirtusi Saulė gali sudeginti ir mus, ir mūsų palydovą.

Tokie objektai, kaip Mėnulis, kurie gretimam kūnui visada atsukę vieną pusę, vadinami potvyniškai prirakintais. Saulės sistemoje pavyzdžių randame ir daugiau: Jupiterio palydovai Ijo, Ganimedas, Europa ir Kalista yra prirakinti prie Jupiterio, Plutonas ir Charonas susirakinę vienas su kitu. Nemažai egzoplanetų yra taip arti savo žvaigždžių, kad neabejotinai yra prirakintos prie jų – nors to patikrinti tiesioginiais stebėjimais negalime, skaičiavimai rodo, kad toks scenarijus labai tikėtinas. Be to, kažką panašaus turime ir Saulės sistemoje: artimiausia Saulei planeta Merkurijus yra dalinai prirakintas prie Saulės. Rašau „dalinai“ todėl, kad Merkurijus aplink savo ašį apsisuka tris kartus, kol aplink Saulę apskrieja du. Tokia būsena – vadinama rezonansu – yra labai stabili ir mažai tikėtina, kad planeta kada nors iš jos išsivaduos. Tačiau ją sukeliantis procesas yra toks pat, kaip potvyninio prirakinimo. Taigi jei Merkurijui, kuris egzoplanetų standartais yra ganėtinai toli nuo žvaigždės, užteko laiko prisirakinti prie Saulės, tai daugeliui egzoplanetų tikrai pakako laiko prisikabinti prie savo žvaigždžių.

Potvyniai gali ne tik prirakinti objektus prie kitų, bet ir juos išardyti į gabalus. Štai įsivaizduokime tą patį Mėnulį. Žemės gravitacija tempia jo kraštus į šalis, bet labai toli ištempti nepajėgia, nes potvyninei jėgai sėkmingai priešinasi paties Mėnulio gravitacija. Kiekvieną Mėnulio paviršiaus tašką daug stipriau traukia jo paties gravitacija, negu Žemės. Bet taip būna ne visada – kartais gretimo objekto gravitacija tampa stipresnė ir suplėšo kaimyną. Taip gali nutikti, pavyzdžiui, žvaigždei, jei ji pralekia gana arti juodosios skylės, arba nykštukinei galaktikai, krentančiai į didesnę. Proceso detalės priklauso nuo įvairių abiejų objektų savybių, bet apytikriai suskaičiuoti suardymo sąlygas nesunku: suardymas įvyksta, kai ardančio objekto masė, padalinta iš atstumo tarp kūnų kubo, viršija ardomo kūno tankį: M/R3>p.

Potvyninio žvaigždės suardymo schema. Žvaigždė (kairėje viršuje), priartėjusi prie juodosios skylės (apačioje centre), išsitempia (apačioje kairėje) ir subyra į gabalus; dalis ją sudariusios medžiagos nulekia tolyn nuo juodosios skylės, dalis lieka pririšta (rodyklės dešinėje). Pririšta medžiaga po truputį krenta į juodąją skylę ir sukelia žybsnį./S. Gezari, Physics Today

Potvyninis žvaigždės suardymas greta supermasyvios juodosios skylės galaktikos centre sukelia žybsnį, kurį galime stebėti keletą mėnesių ar net metų. Jo šviesis kinta labai specifiškai, pagal laipsninę priklausomybę L∝t-5/3. Tai reiškia, kad jei kažkuriuo laiko momentu po žybsnio pradžios išmatuojame šviesį, tai praėjus dvigubai daugiau laiko jis sumažės daugiau nei trigubai, o praėjus trigubai daugiau laiko – šešiagubai, ir taip toliau. Stebėdami šiuos įvykius geriau suprantame ir žvaigždžių, ir juodųjų skylių savybes.

Būna ir tokių situacijų, kai potvyninė jėga objekto visiškai nesuardo, bet po truputį „nuvalgo“ išorinius jo sluoksnius. Taip gali įvykti žvaigždei lekiant šalia, bet ne pernelyg arti, supermasyvios juodosios skylės, bet daug įdomesnis scenarijus nutinka kai kuriose dvinarėse žvaigždėse. Masyvesnė sistemos narė vystosi greičiau ir pirmesnė baigia gyvenimą. Jei jos masė viršija aštuonias Saulės mases, žvaigždė virsta neutronine žvaigžde arba juodąja skyle. Po kurio laiko ir antroji žvaigždė ima artėti prie gyvenimo pabaigos ir išsipučia į milžinę ar supermilžinę. Žvaigždė-milžinė yra didžiulė, jos spindulys laisvai viršija Žemės orbitos spindulį. Tokio objekto tankis – labai mažas, tad greta esančio kompaktiško objekto trauka gali nuplėšti išorinius žvaigždės sluoksnius ir prisitraukti juos prie savęs. Toks procesas vadinamas Rošė kevalo perviršiu; Rošė kevalas (angl. Roche lobe) yra kriaušės formos erdvė, kurioje žvaigždės gravitacija dominuoja, lyginant su greta esančiu kitu objektu – šiuo atveju neutronine žvaigžde arba juodąja skyle.

Dailininko vizualizacija, kaip galėtų atrodyti masės perdavimas iš vienos žvaigždės kitai dvinarėje sistemoje. Kairėje esanti žvaigždė-milžinė užpildė savo Rošė kevalą, todėl dalis jos medžiagos krenta į kompanionę.©John Foster/Science Library nuotr.

Dailininko vizualizacija, kaip galėtų atrodyti masės perdavimas iš vienos žvaigždės kitai dvinarėje sistemoje. Kairėje esanti žvaigždė-milžinė užpildė savo Rošė kevalą, todėl dalis jos medžiagos krenta į kompanionę.©John Foster/Science Library nuotr.

Gali pasirodyti keista, kad tas pats reiškinys, dėl kurio du kartus per dieną pakyla vanduo vandenynų pakrantėse, nulemia ir žvaigždžių subyrėjimą bei energingus žybsnius galaktikų centruose, laiko atsukęs Mėnulį viena puse į Žemę ir padeda aptikti juodąsias skyles. Bet dar nuo Niutono laikų žinome, kad tai, kas vyksta danguje, paklūsta tokiems pat dėsniams kaip ir procesai, vykstantys Žemėje. Taip ir čia – skirtingais masteliais, skirtingiems objektams, bet potvyniai vyksta.