Что если Земля и Луна вращаются вокруг друг друга, как Плутон и Харон?

Что было бы для нас иначе, если бы Земля и Луна вращались вокруг друг друга, как это делают Плутон и Харон?

Они делают , но из-за того, что соотношение масс сильно отличается, они, кажется, не будут этого делать, так как луна вращается вокруг (центра) Земли.

Соотношение масс Земли и Луны равно тогда как для Плутона и Харона такое же соотношение равно .$\frac{M_{Earth}}{M_{Moon}} = 81.3$$\frac{M_{Pluto}}{M_{Charon}} = 8.09$

Поскольку отношение Плутона и Харона относительно невелико, центр системы - барицентр, вокруг которого вращаются два тела, находится где-то на линии, проведенной между центрами масс двух небесных тел. Но для Земли и Луны, поскольку Земля пропорционально намного тяжелее, барицентр системы не выходит за пределы Земли, а находится примерно в 4500 километрах от центра Земли (см. Также фото ниже):

В тех случаях, когда один из двух объектов значительно массивнее другого (и относительно близко), барицентр обычно располагается внутри более массивного объекта. Вместо того, чтобы появляться на орбите общего центра масс с меньшим телом, больший будет просто «слегка колебаться». Это относится к системе Земля-Луна, где барицентр расположен в среднем в 4671 км от центра Земли , в радиусе 6 378 км. Источник: Википедия - Барицентр

Основной эффект этой системы совместного вращения заключается в том, что Земля, кажется, «колеблется» на своей орбите, как упоминалось в цитате из Википедии выше.

@JeppeStigNielsen хорошо описывает различия в приливной блокировке в комментариях ниже. В системе Земля-Луна только Луна приливно замкнута (что заставляет нас видеть только одно ее лицо, то есть только примерно половину ее, с Земли), тогда как в Плутон-Хароне оба тела приливно замкнуты. Земля не заблокирована приливно из-за более высокого отношения масс между ней и Луной, но более низкое отношение масс системы Плутона и Харона таково, поскольку Харон с более низкой массой медленно изменял вращение Плутона, чтобы соответствовать его орбитальному движению.

На барицентры

Пара Плутон-Харон качественно не отличается от пары Земля-Луна в отношении орбит. Как указывалось в других ответах, в обоих случаях два тела вращаются вокруг друг друга, то есть их лучше всего описывать как вращающиеся вокруг своего барицентра.

Говоря более физически, референциальный центр с центром в барицентре системы Земля-Луна "более галилеев", чем референциальный центр с геометрическим центром Земли: если вы выполните высокоточные измерения физических систем на Земле, вы увидите некоторые " джиттер ", который показывает, что Земля на самом деле не галилеева. Большая часть из которых происходит из-за вращения Земли (джиттер наиболее ярко демонстрируется маятником Фуко) но даже если вы учитываете вращение, вы все равно получаете некоторые остаточные возмущения, возникающие при вращении Земли вокруг барицентра Земля-Луна. (И если вы исправите их, вы все равно получите некоторые из-за вращения Земли вокруг Солнца - на самом деле, из-за вращения Земли вокруг барицентра Солнечной системы - и затем из-за вращения Галактики и т. Д. , но их все труднее обнаружить.)

О приливах

Когда два круглых тела вращаются вокруг друг друга, они имеют тенденцию переходить в «приливную блокировку»: их индивидуальная скорость вращения будет синхронизироваться с оборотом, так что, в общем , два тела всегда сохраняют одно и то же полушарие по отношению друг к другу. Плутон и Харон на этом этапе. Луна также находится на прицеле с Землей: мы всегда видим одно и то же полушарие (фактически мы видим чуть-чуть больше половины Луны, потому что она немного колеблется). Земля еще не заблокирована ... пока. Но это в конечном итоге будет.

Действительно, Земля и Луна оказывают приливные силы друг на друга. Это легче всего объяснить с учетом орбитальной скорости: когда очень маленький спутник вращается вокруг большой планеты, он должен двигаться со скоростью, которая зависит от высоты спутника: чем дальше спутник, тем медленнее он движется (например, спутники на низкой орбите). приблизить 8 км / с, в то время как Луна движется со скоростью 1 км / с или около того). Но Луна довольно громоздкая: ее радиус чуть больше 1700 км. Это означает, что если центр Луны движется с правильной скоростью для своей орбиты, то камни на противоположной стороне Луны будут на 1700 км дальше от Земли и, следовательно, будут слишком быстрыми для этой орбиты, поэтому они хотят уйти , Точно так же камни на ближней стороне Луны находятся на 1700 км ближе к Земле и поэтому движутся слишком медленно: они имеют тенденцию «падать» к Земле.

Феномен симметричный: Земля также испытывает приливные силы от Луны. На самом деле, и Земля, и Луна испытывают приливные силы от гравитационной пары Земля-Луна. Это порождает приливы, где вода движется в ответ на силы; камни не потому, что они являются камнями, то есть не очень текучими в нормальных условиях - они хотели бы двигаться, но слишком жесткие, чтобы это делать.

Приливные силы каким-то образом противодействуют вращению Земли быстрее, чем 27 дней для революции Земля-Луна, и энергия вращения медленно рассеивается: некоторые из них оказываются впрыснутыми в гравитационную связь Земля-Луна, которая отделяет их друг от друга. друг друга (это было измерено благодаря отражателям от космических зондов и миссий Аполлона: Луна бежит от нас со скоростью около 38 мм в год); остальное теряется при трении от движущейся воды, что в конечном итоге превращается в тепло, излучаемое в космос.

Итог: вращение Земли замедляется. Например, день длился бы около 22 часов во время динозавров (большие, а не птицы). Замедление известно по временным кругам как ΔT .

Тем не мение...

Даже когда Земля будет полностью привязана к Луне, все равно будут происходить приливы (по крайней мере, если в это время еще есть жидкая вода, что не является данностью, поскольку прогнозируется, что выход энергии Солнца резко сократится на 5 миллиардов лет) отныне). Действительно, пара Солнце-Земля также производит приливные силы. Приливные силы Земля-Луна примерно вдвое сильнее, поэтому приливы, вызванные Луной, больше, но в ситуации приливов и отливов мы все равно должны наблюдать приливы, вызванные Солнцем - но в меньшем масштабе.

(Без Луны Земля в конечном итоге была бы на месте прицельно с Солнцем и 365-дневным вращением - конечно, используя сегодняшнюю длину в течение дня. Я не совсем понимаю, что должно произойти с системой Солнце-Земля-Луна в очень длительный срок, но, похоже, это все еще широко открытое исследование, особенно потому, что в этой смеси есть и другие планеты, что приводит к очень сложной ситуации.)

Ответ TLDr:

Оба ответа очень хороши. Есть еще несколько деталей для рассмотрения, если мы хотим посмотреть на все, что, если в этом забавном, но дурацком сценарии.

Как уже упоминалось, соотношение размеров составляет 8 к 1, а не 81 к 1, поэтому для начала Харон, подобный Луне, будет намного больше в небе. Луна, примерно в 10 раз превышающая массу и имеющая немного большую плотность из-за небольшого уплотнения, будет по-прежнему иметь в 2,1 раза большую ширину, при условии того же расстояния, что сделает ее в 4 раза ярче на ночном небе. Полная луна была бы весьма впечатляющей. Возможно (едва) достаточно яркий, чтобы читать, если это был большой учебник. (некоторые люди утверждают, что теперь могут читать при лунном свете, большинство не могут, но в 4 раза ярче, полная луна может быть достаточно яркой).

Солнечные затмения станут более частыми и будут длиться примерно вдвое дольше, и вы можете подумать, что Земля будет немного холоднее из-за того, что Луна блокирует солнечный свет, но Луна, верьте этому или нет, излучает на Землю больше тепла, чем блокирует, потому что освещенная луна, которая стоит перед нами, имеет почти 400 градусов по Фаренгейту в пиковое время дня, и нетрудно увидеть, что поверхность с такой температурой излучает тепло. Не много, но немного. Вопрос об этом здесьТаким образом, чуть более чем в 4 раза больше энергии (без учета потерь от солнечного затмения), примерно на 1/2500 солнечного тепла, может сработать до 1/10 градуса ночью в полнолуние. Не много, конечно, но измеримо для любого с достаточно чувствительными инструментами. Яркость и размер Луны, очевидно, были бы более заметными, чем около 1/10 градуса (температура не F).

Луна этой массы значительно замедлила бы вращение Земли, как уже упоминалось, но об этом мы должны подумать. Когда образовалась Луна, она была намного ближе к Земле, примерно в 3-5 раз дальше радиуса Земли. Источник, Это за пределами Сферы Холма, и формирование Луны заставило Землю вращаться очень быстро, так что эффекты (быстро вращающаяся Земля, очень мощные лунные приливы) все еще будут присутствовать, но приливы Лунных будут в 10 раз больше, поэтому мы ищем на уровне землетрясения, когда луна, в 10 раз превышающая массу, находилась на расстоянии 3-5 земных радиусов. Луна, потому что во время формирования у нее не было бы большого углового момента, быстро установилась бы в приливно-откидном вращении вокруг Земли. Приливное воздействие на Землю, будучи в 10 раз больше, вызовет (примерно) 10-кратное увеличение приливной выпуклости на Земле, что отодвинет Луну от Земли примерно в 10 раз быстрее, но в то же время приливное торможение замедлится. Земля тоже будет в 10 раз больше (я полагаю, это примерно в 10 раз быстрее).

Таким образом, в основном, Луна и Земля следовали бы системе, в которой они находятся сейчас, но это будет происходить примерно в 10 раз быстрее с Луной с 10-кратной массой. Оценка (здесь) состоит в том, что Луне потребуется около 50 миллиардов лет, чтобы замедлить Землю настолько, чтобы войти в приливную блокировку, поэтому разделите ее на 10, и сегодня мы будем очень близки к приливной блокировке. Земля будет вращаться очень медленно. Луна также (вероятно) будет немного дальше от Земли и, вероятно, будет иметь более шаткую орбиту из-за солнечных возмущений и, возможно, полностью вылетела. Это сложный фрагмент математики, который я предпочел бы не пытаться (при текущей массе Луны Солнце станет Красным Гигантом задолго до того, как Луна сбежит или Земля станет прицельно замкнутой, но с Луной в 10 раз массивнее, что ' Скорее всего, это уже не так, и либо Луна исчезла, либо Луна удалена, имеет более вытянутую орбиту, а Земля находится на уровне или близка к приливному затвору. Если бы Луна ускользнула, у нас был бы объект околоземной орбиты огромного размера, который мог бы позже врезаться в нас или пролететь мимо Земли и сдвинуть нашу орбиту - либо эффект, либо просто эффект отсутствия луны, был бы огромным.

Дискуссия о побеге Луны / Земли против приливной блокировки здесь

Если мы предположим полную приливную блокировку, 29,5 дня (синодическая, а не сидреальная) и луну немного дальше, так что мы могли бы смотреть от 30 до 40 дней на 1 оборот Земли, то есть 20 солнечных дней, 20 дней ночи. Это нанесло бы абсолютный ущерб погодным системам и временам года. День к ночи будет иметь больший эффект, чем Лето против зимы, а летние дни будут жгучими, хотя в некоторых регионах из-за осадков может быть просто замечательно. Эволюция, вероятно, могла бы приспособиться к этому, но мне это не кажется забавным. Дальнейшее расстояние может сделать Луну только в 3 раза ярче на ночном небе вместо 4, хотя все еще довольно яркой. Вы все еще получили бы 6 месяцев солнца и 6 месяцев ночи на полюсах, но для большей части Земли это было бы радикальным изменением, если бы дни и ночи были такими длинными.

Другие возможные эффекты, Obliquity (без луны, возможно, больше, с большим драйвером ледникового периода), смотрите здесь . Кроме того, если бы у Земли все еще была Луна, но Луна была на более вытянутой орбите, у нас все еще были бы приливы, поскольку Луна входила и выходила, чтобы назначить и perogee. посмотреть картинку

Источник

Суть в том, что, хотя мы и не думаем об этом, луна разных размеров на самом деле сильно изменится. Меньшая луна удалялась бы от Земли медленнее, и Земля могла бы иметь 2-ые спутники, возможно, путем захвата, если бы луна была меньше, у нас также могли бы быть более агрессивные ледниковые периоды и изменения климата из-за большей вариации наклонности если предположить, что гигантское воздействие все еще происходит аналогичным образом, но с меньшим количеством мусора (что не имеет смысла, но позволяет притворяться), то меньшая луна не смогла бы так сильно замедлить вращение Земли, и Земля могла бы вращаться совсем немного быстрее, 10 или 15 часовых дней вместо 24. Эффекты были бы довольно значительными.