Що робити, якщо Земля і Місяць обертаються навколо себе, як Плутон і Харон?

Що було б для нас іншим, якби Земля і Місяць оберталися навколо себе, як це роблять Плутон і Харон?

Вони так роблять , але через те, що співвідношення мас сильно відрізняється, схоже, вони цього не зробили б, як Місяць, здається, обертається просто навколо (центру) Землі.

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

Оскільки співвідношення для Плутона та Харона відносно невелике, центр системи - барицентр, навколо якого орбіта двох тіл - десь на лінії, проведеній між масовими центрами двох небесних тіл. Але для Землі та Місяця, оскільки Земля пропорційно набагато важча, барицентр системи не доходить до Землі, а натомість знаходиться близько 4500 кілометрів від центру Землі (див. Також фото нижче):

У випадках, коли один з двох об'єктів значно масивніший, ніж інший (і відносно близький), барицентр, як правило, розташовується в межах більш масивного об'єкта. Замість того, щоб на орбіті з'явився загальний центр маси з меншим тілом, більший буде просто помітний, щоб він трохи «коливався». Це стосується системи Земля - ​​Місяць, де барицентр розташований в середньому в 4671 км від центру Землі , що знаходиться в радіусі планети 6 378 км. Джерело: Вікіпедія - Барицентр

Основним ефектом цієї спільно-обертальної системи є те, що Земля, здається, "коливається" на своїй орбіті, про що йдеться у цитаті з Вікіпедії вище.

@JeppeStigNielsen робить хороший пункт про відмінності блокування припливів у коментарях нижче. У системі Земля-Місяць лише Місяць є примкнено замкненим (через що ми бачимо лише одне його обличчя, тож приблизно приблизно половину його - від Землі), тоді як у Плутон-Харона обидва тіла охайно замкнені. Земля не замикається внаслідок більш високого співвідношення маси між нею і Місяцем, але нижче співвідношення маси Плутон-Харона є тим, що нижня маса Харона повільно змінювала обертання Плутона, щоб відповідати його орбітальному руху.

На барицентри

Пара Плутон-Харон якісно не відрізняється від пари Земля-Місяць щодо орбіт. Як було зазначено в інших відповідях, в обох випадках обидва тіла обертаються навколо один одного, тобто їх найкраще описати як орбіту навколо баріцентру.

Якщо говорити більш фізично, то орієнтир, орієнтований на барицентр системи Земля-Місяць, є "більш галілейським", ніж референсцентрований на геометричному центрі Землі: якщо робити високоточні заходи фізичних систем на Землі, ви побачите деякі " тремтіння ", що показує, що Земля насправді не є Галілейською. Більшість з них обумовлена ​​обертанням Землі (тремтіння, що найбільш добре показано маятником Фуко), але навіть якщо ви враховуєте обертання, ви все одно отримуєте деякі залишкові збурення, що виникають внаслідок революції Землі навколо баріцентру Земля-Місяць. (І якщо ви виправите ці, ви все одно отримаєте деякі завдяки революції Землі навколо Сонця - справді, революції Землі навколо барицентру Сонячної системи - а потім деякі через обертання Галактики тощо. , але їх все важче виявити.)

Про припливи

Коли два круглі тіла орбітують одне з одним, вони мають тенденцію переходити до «припливного замикання»: їхня індивідуальна швидкість обертання синхронізується з обертом, так що, прекрасно , два тіла завжди утримують однакове півкулі один до одного. Плутон і Харон знаходяться на цьому кроці. Місяць також охайно замкнений із Землею: ми завжди бачимо ту саму півкулю (насправді ми бачимо крихітну трохи більше половини Місяця, бо вона трохи хитається). Земля ще не замикається ... поки що. Але в кінцевому підсумку це буде.

Дійсно, Земля і Місяць чинять один на одного приливні сили. Це найлегше пояснити, враховуючи орбітальну швидкість: коли дуже маленький супутник орбітує навколо великої планети, він повинен рухатися зі швидкістю, що залежить від висоти супутника: чим далі супутник, тим повільніше він йде (наприклад, супутники низької орбіти масштабування близько 8 км / с, а Місяць неквапливо 1 км / с або близько того). Але Місяць досить об’ємний: радіус його трохи більше 1700 км. Це означає, що якщо центр Місяця рухається з потрібною швидкістю для своєї орбіти, скелі на далекій стороні Місяця знаходяться на відстані 1700 км від Землі, і, таким чином, є надто швидким для цієї орбіти, тому вони хочуть піти . Так само скелі на найближчій стороні Місяця знаходяться на відстані 1700 км ближче до Землі і, таким чином, йдуть занадто повільно: вони, як правило, «падають» на Землю.

Явище симетричне: Земля також відчуває приливні сили з Місяця. Насправді і Земля, і Місяць відчувають сили припливу від гравітаційної пари Земля-Місяць. Це спричиняє припливи, де вода рухається навколо у відповідь на сили; гірські породи не тому, що вони скелі, тобто не дуже рідкі при нормальних умовах - вони хотіли б рухатися, але занадто жорсткі, щоб зробити це.

Сили припливу якимось чином протистоюють тому, що Земля обертається швидше, ніж за 27 днів для революції Земля-Місяць, і енергія обертання повільно розсіюється: частина цього трапляється впорскуватися в гравітаційне з’єднання Земля-Місяць, що розганяє їх один одного (це було виміряно завдяки відбивачам космічних зондів та місій Аполлона: Місяць рятується від нас зі швидкістю близько 38 мм на рік); решта втрачається при терті від рухомої води, таким чином, в кінцевому рахунку перетворюється на тепло, випромінюване в космос.

Підсумок: обертання Землі сповільнюється. Наприклад, день би тривав близько 22 годин за часів динозаврів (великих, а не птахів). Уповільнення відоме навколо зберігаючих кругів як ΔT .

Однак ...

Навіть коли Земля буде окуповано замкнута з Місяцем, все одно будуть припливи (принаймні, якщо в цей час ще є рідка вода, що не є даною, оскільки прогнозується, що вихід енергії Сонця різко знизиться за 5 мільярдів років від тепер). Дійсно, пара Сонце-Земля також виробляє припливні сили. Сили приливів Земля і Місяць приблизно вдвічі сильніші, тому припливи, спричинені Місяцем, більше, але в ситуації, що знаходиться в замкнутому положенні, ми все ще повинні бути свідками припливів, викликаних Сонцем - але в меншому масштабі.

(Без Місяця Земля в кінцевому підсумку була б прихованою фіксацією із Сонцем та обертанням 365 днів - звичайно, використовуючи сьогоднішню довжину на день. Я не зовсім зрозуміла, що має стати системою Сонце-Земля-Місяць у дуже довгостроково, але, здається, це все ще широко відкриті дослідження, тим більше, що в суміші є інші планети, що призводить до дуже складної ситуації.)

TLDr відповідь:

Обидві відповіді дуже хороші. Є ще кілька деталей, які слід розглянути, якщо ми хочемо подивитися на все, що таке у цьому кумедному, але сміливому сценарії.

Вже згадувалося, співвідношення розмірів становить 8 до 1, а не 81 до 1, тож для початківців Харон, як Місяць, був би набагато більшим у небі. Місяць з приблизно 10-кратною масою, фіксуючи дещо більшу щільність через незначне ущільнення, все-таки був би в 2,1 рази більшим поперек, якщо вважати однакову відстань, що зробило б його в 4 рази яскравішим на нічному небі. Повний місяць був би досить вражаючим. Можливо (ледь-ледь) досить яскравий для читання, якби це була велика книжка з текстами. (Деякі люди стверджують, що читати місячним світлом зараз не вдається, більшість людей не може, але в 4 рази яскравіше, повний місяць може бути просто досить яскравим.

Сонячні затемнення почастішали б і тривали б приблизно вдвічі довше, і ви можете подумати, що Земля буде трохи холоднішою через Місяць, що блокує сонячне світло, але Місяць, вірите чи ні, випромінює більше тепла на землі, ніж блокує, тому що Місячний місяць, що стикається з нами, становить майже 400 градусів F в пік удень, і не важко помітити, що поверхня, яка переносить температуру, випромінює певну спеку. Не багато, але деякі. Питання про це тут, так що трохи більше 4 разів перевищує енергію (ігноруючи втрати сонячного затемнення), приблизно 1/25 частки тепла від сонця, може виходити до 1/10 градуса вночі під час повного місяця. Не багато, звичайно, але піддається вимірюванню будь-кому з досить чутливими інструментами. Яскравість і розмір Місяця, очевидно, були б помітнішими, ніж приблизно 1/10 температури 1 градуса (C не F).

Місяць цієї маси уповільнив би обертання Землі значно швидше, про що вже говорилося, але це, ми мусимо трохи подумати. Коли Місяць утворився, він знаходився набагато ближче до Землі, приблизно в 3–5 разів більший за радіус Землі. Джерело. Це поза сферою пагорба, і утворення Місяця дозволило Землі обертатися дуже швидко, тому наслідки (швидко обертається земля, дуже потужні місячні припливи) все ще будуть, але місячні припливи були б у 10 разів більшими, тому ми шукаємо при припливах рівня землетрусу, коли Місяць, в 10 разів більший за масу, був на відстані 3-5 радіусів Землі. Місяць, оскільки під час утворення він не мав би великого кутового імпульсу, швидко осідає в обертається навколо Землі порядок замкненого обертання. Ефект від Припливу на Землі в 10 разів більший би спричинив (приблизно) в 10 разів припливний вилив на Землі відштовхне Місяць від Землі приблизно в 10 разів швидше, але, в той же час, притягнення припливу сповільнить Земля, була б і в 10 разів більшою (я припускаю, що відповідає приблизно в 10 разів швидше).

Так, в основному Місяць і Земля слідували б за системою, в якій вони є зараз, але це буде тривати приблизно в 10 разів швидше, ніж Місяць з 10-кратною масою. Оцінка (тут) полягає в тому, що Місяцю буде потрібно приблизно 50 мільярдів років, щоб Земля сповільнила Землю достатньо, щоб вступити в припливне замикання, тому розділіть це на 10, ми сьогодні були б дуже близькими до припливного замку. Земля оберталася б дуже повільно. Місяць також (ймовірно) буде трохи далі від Землі і, ймовірно, матимуть більш орбітну орбіту через сонячні збурення і, можливо, повністю вирвався. Це складний біт математики, який я вважаю за краще не намагатися (при поточній масі Місяця Сонце перейде до Червоного гіганта задовго до того, як або Місяць втече, або Земля буде впорядковано замкненою, але з Місяцем у 10 разів масивнішим, ' s, мабуть, більше не так, і або Місяць пішов, або Місяць віддаленіший, має більш витягнуту орбіту, і Земля знаходиться на або близько до підвісно замкненої. Якщо Місяць втече, у нас був би навколоземний орбіта величезного розміру, який згодом може врізатися в нас або перекинутися повз Землю і перемістити нашу орбіту - і ефект, і просто ефект відсутності Місяця був би величезним.

Дискусія про втечу Місяця / Землі проти припливного блокування тут

Якщо ми припустимо повне блокування припливів, 29,5 днів (синодичний, а не сидреальний) і місяць трохи далі, тож ми можемо дивитись на 30 щось, можливо, на 40 днів за 1 обертання землі, це 20 сонячних днів, 20 днів ночі. Це зіграло б абсолютний хаос для погодних систем та сезонів. День на ніч матиме більший ефект, ніж літо проти зими, а літні дні будуть палючими, хоча деякі регіони можуть спричинити чудово через опадів. Напевно, еволюція могла б адаптуватися до цього, але це мені не здається цікавим. Подальша відстань може зробити Місяць лише в 3 рази яскравішим на нічному небі, а не 4. але все-таки досить яскравим. Ви все одно отримаєте 6 місяців сонця та 6 місяців ночі на полюсах, але для більшої частини землі це було б докорінною зміною, коли дні та ночі так довгі.

Інші можливі ефекти, Косоокість (немає місяця, можливо, більший, більший водій льодовикового періоду), дивіться тут . Крім того, якби на Землі ще був Місяць, але Місяць знаходився на більш витягнутій орбіті, ми все одно мали б припливи, коли Місяць переміщався і виходив на аппогеї та перогеї. див. малюнок

Джерело

Підсумок, хоча ми можемо не задумуватися над цим, але Місяць різного розміру насправді зміниться досить сильно. Менший Місяць буде повільніше відходити від Землі, і Земля могла б мати другу луну, можливо, захопленням, якби Місяць був меншим, також ми могли б мати більш агресивні крижані епохи та зміни клімату через більшу мінливість косоокості, якщо припустити, що гігантський удар все ще відбувається аналогічним чином, але менша кількість сміття (що не має сенсу, але дозволяє робити вигляд), то менший Місяць не пригальмував би обертання Землі настільки сильно, і Земля може обертатися цілком трохи швидше, 10 або 15 годинних днів замість 24. Ефекти були б досить значними.