Co jeśli Ziemia i Księżyc obracałyby się wokół siebie jak Pluton i Charon?

Co byłoby dla nas inne, gdyby Ziemia i Księżyc obracały się wokół siebie, podobnie jak Pluton i Charon?

Tak , ale ze względu na to, że stosunek mas jest bardzo różny, wydaje się, że nie zrobiliby tego, ponieważ księżyc wydaje się obracać wokół (środka) Ziemi.

$\frac{M_{Earth}}{M_{Moon}} = 81.3$$\frac{M_{Pluto}}{M_{Charon}} = 8.09$

Ponieważ stosunek Plutona i Charona jest stosunkowo niewielki, środek układu - centrum barowe, wokół którego krążą oba ciała - znajduje się gdzieś na linii poprowadzonej między środkami masy obu ciał niebieskich. Ale w przypadku Ziemi i Księżyca, ponieważ Ziemia jest proporcjonalnie znacznie cięższa, barycentrum systemu nie wychodzi poza Ziemię, ale znajduje się około 4500 kilometrów od centrum Ziemi (patrz również zdjęcie poniżej):

W przypadkach, gdy jeden z dwóch obiektów jest znacznie bardziej masywny niż drugi (i względnie blisko), środek ciężkości zwykle znajduje się w obrębie obiektu bardziej masywnego. Zamiast wydawać się krążyć wokół wspólnego środka masy z mniejszym ciałem, większy będzie po prostu „lekko chybotał”. Jest tak w przypadku układu Ziemia-Księżyc, w którym środek ciężkości znajduje się średnio 4671 km od centrum Ziemi , w promieniu planety wynoszącym 6 378 km. Źródło: Wikipedia - Barycenter

Główny efekt tego współobrotowego układu polega na tym, że Ziemia wydaje się „chwiecić się” na swojej orbicie, jak wspomniano w cytacie z Wikipedii powyżej.

@JeppeStigNielsen ma dobry punkt na temat różnic w blokowaniu pływów w komentarzach poniżej. W systemie Ziemia-Księżyc tylko Księżyc jest zablokowany pod względem pływów (co powoduje, że widzimy tylko jedną jego powierzchnię, a więc tylko około połowy z Ziemi), podczas gdy w Plutonie-Charonie oba ciała są zablokowane pod względem pływów. Ziemia nie jest zablokowana pływowo z powodu wyższego stosunku masy między nią a Księżycem, ale niższy stosunek masy układu Plutona-Charona jest taki, ponieważ Charon o niższej masie powoli zmieniał obrót Plutona, aby dopasować się do jego ruchu orbitalnego.

W barycentrach

Para Plutona-Charona nie różni się jakościowo od pary Ziemia-Księżyc pod względem orbit. Jak wskazano w innych odpowiedziach, w obu przypadkach oba ciała obracają się wokół siebie, tzn. Najlepiej opisać je jako krążące wokół ich centrum.

Mówiąc bardziej fizycznie, odniesienie wyśrodkowane na środku galaktyki układu Ziemia-Księżyc jest „bardziej galilejskie” niż odniesienie wyśrodkowane na geometrycznym środku Ziemi: jeśli wykonasz bardzo precyzyjne pomiary układów fizycznych na Ziemi, zobaczysz trochę „ jitter ”, który pokazuje, że Ziemia nie jest tak naprawdę Galilejczykiem. Większość z nich wynika z rotacji Ziemi (drgania najsławniej demonstruje wahadło Foucaulta)), ale nawet jeśli uwzględni się rotację, nadal występują pewne zakłócenia pochodzące z rewolucji Ziemi wokół środka ciężkości Ziemia-Księżyc. (A jeśli je naprawicie, nadal otrzymacie trochę ze względu na rewolucję Ziemi wokół Słońca - naprawdę, rewolucję Ziemi wokół barycentrum Układu Słonecznego - a potem trochę z powodu obrotu Galaktyki i tak dalej , ale są coraz trudniejsze do wykrycia).

O pływach

Gdy dwa okrągłe ciała okrążają się nawzajem, mają tendencję, aby przejść do „obrót synchroniczny”: ich indywidualne prędkość obrotowa będzie synchronizować z rewolucją, tak, że w grzywny , dwa korpusy zawsze tę samą półkulę do siebie. Pluton i Charon są na tym etapie. Księżyc jest również przypieczętowany z Ziemią: zawsze widzimy tę samą półkulę (w rzeczywistości widzimy nieco więcej niż połowę Księżyca, ponieważ trochę się kołysze). Ziemia nie jest jeszcze uporządkowana ... jeszcze. Ale ostatecznie tak będzie.

Rzeczywiście, Ziemia i Księżyc wywierają na siebie siły pływowe. Najłatwiej to wytłumaczyć rozważając prędkość orbitalną: gdy bardzo mały satelita orbituje wokół dużej planety, musi lecieć z prędkością zależną od wysokości satelity: im dalej satelita, tym najwolniej jedzie (np. Satelity na niskiej orbicie zoom z prędkością około 8 km / s, podczas gdy Księżyc leci spokojnie około 1 km / s). Ale Księżyc jest dość nieporęczny: jego promień wynosi nieco ponad 1700 km. Oznacza to, że jeśli środek Księżyca porusza się z odpowiednią prędkością na swojej orbicie, skały po drugiej stronie Księżyca znajdują się 1700 km dalej od Ziemi, a zatem są nieco za szybkie na tę orbitę, więc chcą opuścić . Podobnie skały po bliższej stronie księżyca znajdują się 1700 km bliżej Ziemi, a zatem idą zbyt wolno: mają tendencję do „spadania” w kierunku Ziemi.

Zjawisko jest symetryczne: Ziemia doświadcza także sił pływowych z Księżyca. W rzeczywistości zarówno Ziemia, jak i Księżyc doświadczają sił pływowych z grawitacyjnej pary Ziemia-Księżyc. To powoduje przypływy, w których woda porusza się w odpowiedzi na siły; skały nie, ponieważ są kamieniami, tj. niezbyt płynnymi w normalnych warunkach - chcieliby się poruszać, ale są zbyt sztywne, aby to zrobić.

Siły pływowe są w pewien sposób przeciwne do obracania się Ziemi szybciej niż 27 dni dla rewolucji Ziemia-Księżyc, a energia obrotowa jest powoli rozpraszana: część z nich jest wstrzykiwana do sprzężenia grawitacyjnego Ziemia-Księżyc, który rozdziela je siebie nawzajem (zmierzono dzięki odbłyśnikom z sond kosmicznych i misji Apollo: Księżyc ucieka nam w tempie około 38 mm rocznie); reszta gubi się w tarciu powodowanym przez poruszającą się wodę, co ostatecznie przekształca się w ciepło promieniowane w przestrzeń kosmiczną.

Konkluzja: rotacja Ziemi zwalnia. Na przykład dzień trwałby około 22 godzin w czasie dinozaurów (tych dużych, a nie ptaków). Zwolnienie jest znane w kręgach utrzymujących czas jako ΔT .

Jednak...

Nawet gdy Ziemia zostanie przypieczętowana z Księżycem, nadal będą pływy (przynajmniej, jeśli w tym czasie będzie jeszcze płynna woda, co nie jest pewne, ponieważ przewiduje się, że produkcja energii słonecznej gwałtownie spadnie o 5 miliardów lat od teraz). Rzeczywiście, para Słońce-Ziemia wytwarza również siły pływowe. Siły pływowe Ziemia-Księżyc są około dwa razy silniejsze, więc pływy wywołane przez Księżyc są większe, ale w sytuacji zablokowanej pod względem pływów nadal powinniśmy być świadkami pływów indukowanych przez Słońce - ale na mniejszą skalę.

(Bez Księżyca Ziemia ostatecznie zablokowałaby się ze Słońcem i obracałaby się o 365 dni - oczywiście wykorzystując dzisiejszą długość dnia. Oczywiście nie jestem całkowicie pewien, co powinno się stać z układem Słońce-Ziemia-Księżyc w bardzo długookresowo, ale wydaje się, że są to nadal szeroko otwarte badania, zwłaszcza dlatego, że w mieszance znajdują się inne planety, co prowadzi do bardzo złożonej sytuacji).

Odpowiedź TLDr:

Obie odpowiedzi są bardzo dobre. Jest jeszcze kilka szczegółów do rozważenia, jeśli chcemy przyjrzeć się wszystkim tym, co jest, w tym zabawnym, ale zwariowanym scenariuszu.

Jak już wspomniano, stosunek wielkości wynosi 8 do 1, a nie 81 do 1, więc na początek Charon jak Księżyc byłby znacznie większy na niebie. Księżyc o masie około 10 razy większej, z powodu nieco mniejszego zagęszczenia, miałby nieco większą gęstość, przy średnicy tej samej odległości byłby 2,1 razy większy, co sprawiłoby, że byłby 4 razy jaśniejszy na nocnym niebie. Księżyc w pełni byłby imponujący. Być może (ledwo) wystarczająco jasny, by przeczytać, jeśli był to duży podręcznik. (niektórzy twierdzą, że są teraz w stanie czytać przez Moonlight, większość ludzi nie, ale 4 razy jaśniej, księżyc w pełni może być po prostu wystarczająco jasny.

Zaćmienia Słońca stałyby się częstsze i trwałyby około dwa razy dłużej i można by pomyśleć, że Ziemia byłaby nieco zimniejsza z powodu Księżyca blokującego pewne światło słoneczne, ale Księżyc, wierzcie lub nie, promieniuje więcej ciepła na Ziemi niż blokuje, ponieważ oświetlony księżyc, który stoi przed nami, ma prawie 400 stopni F w szczycie w ciągu dnia i nietrudno zauważyć, że powierzchnia o tej temperaturze promieniuje ciepło. Nie dużo, ale trochę. Pytanie o to tutaj, więc nieco ponad 4-krotność energii (ignorując straty zaćmienia Słońca), około 1/2500 ciepła słonecznego, może wynieść do 1/10 stopnia w nocy podczas pełni księżyca. Niewiele, z pewnością, ale wymierne dla każdego, kto ma wystarczająco czułe instrumenty. Jasność i rozmiar Księżyca byłyby oczywiście bardziej zauważalne niż temperatura wynosząca około 1/10 stopnia 1 stopnia (C nie F).

Księżyc o tej masie spowolniłby obroty Ziemi znacznie szybciej, jak już wspomniano, ale w tym przypadku musimy się nad tym zastanowić. Kiedy powstał Księżyc, znajdował się znacznie bliżej Ziemi, w odległości około 3-5 razy większej od promienia Ziemi. Źródło. To jest poza Kulą Wzgórza, a formacja Księżyca spowodowała, że ​​Ziemia obraca się bardzo szybko, więc efekty (gwałtownie obracająca się Ziemia, bardzo potężne fale księżycowe) nadal tam były, ale fale Księżycowe byłyby 10 razy większe, więc patrzymy na falach trzęsienia ziemi, gdy księżyc, 10 razy większy od masy, znajdował się w odległości 3-5 promień ziemi. Księżyc, ponieważ podczas formowania nie miałby dużego momentu pędu, szybko osiadłby w zablokowanym rotacji wokół Ziemi. 10-krotny większy wpływ pływów na Ziemię spowodowałby (z grubsza) 10-krotny wybrzuszenie pływowe na Ziemi odepchnęłoby Księżyc od Ziemi około 10 razy szybciej, ale jednocześnie spowolnienie oporów pływowych Ziemia też byłaby 10 razy większa (zakładam, że odpowiada to około 10 razy szybciej).

Zasadniczo Księżyc i Ziemia podążałyby za układem, w którym są teraz, ale działałby około 10 razy szybciej z Księżycem o masie 10 razy większej. Szacuje się (tutaj), że Księżyc zajmie około 50 miliardów lat, aby spowolnić Ziemię na tyle, aby wejść w blokadę pływową, więc podzielmy, że przez 10 będziemy dziś bardzo blisko blokady pływowej. Ziemia obracałaby się bardzo powoli. Księżyc również (prawdopodobnie) byłby nieco dalej od Ziemi i prawdopodobnie miałby bardziej chwiejną orbitę z powodu zaburzeń słonecznych i być może całkowicie uciekł. Jest to skomplikowana matematyka, której wolałbym nie próbować (przy obecnej masie Księżyca, Słońce przejdzie do Czerwonego Olbrzyma na długo przed ucieczką Księżyca lub Ziemią zablokowaną, ale z Księżycem 10 razy masywniejszym, że „ Prawdopodobnie nie ma już przypadku i albo Księżyc zniknął, albo Księżyc jest bardziej oddalony, ma bardziej wydłużoną orbitę, a Ziemia znajduje się w pobliżu pływu lub blisko niego. Gdyby Księżyc uciekł, mielibyśmy obiekt o orbicie bliskiej Ziemi o ogromnych rozmiarach, który mógłby później uderzyć w nas lub przelecieć obok Ziemi i przesunąć naszą orbitę - albo efekt, a po prostu efekt braku Księżyca, byłby ogromny.

Dyskusja na temat ucieczki Księżyca / Ziemi vs blokowanie pływów tutaj

Jeśli założymy pełne zablokowanie pływów, 29,5 dnia (synodyczny, nie sidrealistyczny) i księżyc nieco dalej, możemy być w stanie spojrzeć na 30 do 40 dni na 1 obrót ziemi, czyli 20 dni słonecznych, 20 dni nocnych. Spowodowałoby to całkowite spustoszenie w systemach pogodowych i porach roku. Dzień po nocy miałby większy efekt niż lato w porównaniu z zimą, a letnie dni byłyby upalne, choć niektóre regiony mogłyby być w porządku z powodu opadów deszczu. Ewolucja prawdopodobnie mogłaby się do tego dostosować, ale nie brzmi to dla mnie zabawnie. Dalsza odległość może sprawić, że Księżyc będzie tylko 3 razy jaśniejszy na nocnym niebie zamiast 4. nadal jednak dość jasny. Nadal masz 6 miesięcy słońca i 6 miesięcy nocy na biegunach, ale dla większości ziemi byłaby to radykalna zmiana, mając tak długie dni i noce.

Inne możliwe efekty, Obliquity (brak księżyca, być może większy, większy kierowca epoki lodowcowej), patrz tutaj . Ponadto, gdyby Ziemia nadal miała Księżyc, ale Księżyc znajdowałby się na bardziej wydłużonej orbicie, nadal mielibyśmy pływy, gdy Księżyc wchodził i wychodził do apogeum i perogee. widzieć zdjęcie

Źródło

Podsumowując, chociaż możemy nie zastanawiać się nad tym, księżyc różnej wielkości zmieniłby się całkiem sporo. Mniejszy księżyc oddalałby się od Ziemi wolniej, a Ziemia mogłaby być w stanie mieć drugi księżyc, być może przez uchwycenie, gdyby księżyc był mniejszy, moglibyśmy również mieć bardziej agresywne epoki lodowcowe i zmiany klimatu z powodu większej zmienności nachylenia i, zakładając, że gigantyczne uderzenie wciąż dzieje się w podobny sposób, ale z mniejszą ilością szczątków (co nie ma sensu, ale pozwala udawać), wówczas mniejszy księżyc nie spowolniłby tak bardzo obrotu Ziemi, a Ziemia mogłaby się obracać całkiem trochę szybciej, 10 lub 15 godzin zamiast 24. Efekty byłyby dość znaczące.