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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.14.2022.tde-20062022-170909
Document
Author
Full name
Gabriel de Oliveira Gomes
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Mello, Sylvio Ferraz de (President)
Almeida, Amaury Augusto de
Bolmont, Emeline
Folonier, Hugo Alberto
Leister, Nelson Vani
Yokoyama, Tadashi
Title in English
Equilibrium Tides on Planets and Stars
Keywords in English
Creep
Equilibrium
Evolution
Orbit
Spin
Tides
Abstract in English
Most applications currently made using equilibrium tidal theories are based on the use of ad-hoc tidal lags. In the case of applications made with Darwin's classical theory, for example, the prediction for the final stage of rotational evolution is synchronism for the case of circular orbits and supersynchronism for eccentric orbits (where the excess of rotation in relation to the synchronism is given by 6ne2, where n is the mean orbital motion and is the orbital eccentricity). Recently, a formulation for equilibrium tides that considers a linearized solution of the Navier-Stokes equation was made at the IAG (see Ferraz-Mello 2013, 2015). The theory allows the description of equilibrium tides in both rigid bodies (such as super-Earths) and gaseous bodies (such as mini-Neptunes and hot Jupiters) by adjusting just one parameter, which is the uniform viscosity coefficient. The first version of the tidal creep theory (ie the version proposed in Ferraz-Mello 2013, 2015) was based on a series expansion of the so-called creep equation. In this structure, the rate of rotation of the tidal deformed body was considered constant when solving the creep equation. Then, the rotation rate was evolved considering the torque expression related to tidal interactions. This method is not consistent when it comes to the evolution of the rotation rate of the tidal deformed body. One of the consequences of considering the rotation rate constant for the body when solving the creep equation is that the rotation rate librations in the synchronous rotation regime are very small for rigid bodies. This result is inconsistent with the libration amplitude of the rotation rate and the tidal lag angle of the Solar System's planetary satellites. A new formulation of the tidal creep theory was proposed in Folonier et al. (2018). The new version of the theory leads to a consistent treatment of the rotational dynamics of the tidally deformed body, where forced librations around the synchronous solution (which are characteristic in the case of rigid bodies such as super-Earths and planetary satellites) are reproduced. Furthermore, the new version of the tidal creep theory allows a study of the equilibrium figure of the tidal deformed body in a much simpler way than the previous version of the theory. In this thesis, we present applications of the tidal creep theory to several cases, where both gas giant planets and Earth-like rigid planets are considered. We also discuss in detail the differences between the first version of the creep tide theory (see Ferraz-Mello 2013, 2015) and the new version (see Folonier et al. 2018).
Title in Portuguese
Marés de Equilíbrio em Planetas e Estrelas
Keywords in Portuguese
Creep
Equilíbrio
Evolucão
Marés
Órbita
Rotação
Abstract in Portuguese
A maioria das aplicações atualmente feitas usando teorias de marés de equilíbrio são baseadas no uso de defasagens de maré ad-hoc. Nos casos de aplicações feitas com a teoria clássica de Darwin, por exemplo, a previsão para o estágio final da evolução rotacional é o sincronismo para o caso de órbitas circulares e o supersincronismo para órbitas excêntricas (onde o excesso de rotação em relação ao sincronismo é dado por 6ne2, onde n é o movimento orbital médio e e a excentricidade orbital). Recentemente, uma formulação para marés de equilíbrio que considera uma solução linearizada da equação de Navier-Stokes foi feita no IAG (ver Ferraz-Mello 2013, 2015). A teoria permite a descrição de marés de equilíbrio tanto em corpos rígidos (como super-Terras) quanto em corpos gasosos (como mini-Netunos e Júpiteres quentes) ajustando apenas um parâmetro, que é o coeficiente de viscosidade uniforme. A primeira versão da teoria da maré de fluência (ou seja, a versão proposta em Ferraz-Mello 2013, 2015) foi baseada em uma expansão em série da chamada equação de fluência. Nessa estrutura, a taxa de rotação do corpo deformado por maré foi considerada constante ao resolver a equação de fluência. Em seguida, a taxa de rotação foi evoluída considerando a expressão de torque relacionada às interações de maré. Este método não é consistente quando se trata da evolução da taxa de rotação do corpo deformado por maré. Uma das consequências de considerar a taxa de rotação constante para o corpo ao resolver a equação da fluência é que as librações da taxa de rotação no regime de rotação síncrona são muito pequenas para corpos rígidos. Este resultado é inconsistente com a amplitude de libração da taxa de rotação e o ângulo de defasagem das marés dos satélites planetários do Sistema Solar. Uma nova formulação da teoria da maré de fluência foi proposta em Folonier et al. (2018). A nova versão da teoria leva a um tratamento consistente da dinâmica de rotação do corpo deformado por maré, onde librações forçadas em torno da solução síncrona (que são características no caso de corpos rígidos, como super-Terras e satélites planetários) são reproduzidas. Além disso, a nova versão da teoria da maré de fluência permite um estudo da figura de equilíbrio do corpo deformado por maré de uma maneira muito mais simples do que a versão anterior da teoria. Nesta tese, apresentamos aplicações da teoria das marés de fluência a vários casos, onde são considerados tanto planetas gigantes gasosos quanto planetas rígidos semelhantes à Terra. Também discutimos em detalhes as diferenças entre a primeira versão da teoria da maré de fluência (ver Ferraz-Mello 2013, 2015) e a nova versão (ver Folonier et al. 2018).
 
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Publishing Date
2022-06-21
 
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