Если бы у Земли были кольца?

Отличный вопрос.

Если бы у Земли были кольца, а они существовали столько же, сколько и Луна, они, скорее всего, были бы параллельны земному экватору и были бы видны в небе с востока на запад.

Так как же Земля могла получить кольцо? Наша Луна в действительности медленно удаляется от Земли, но если бы она вместо этого двигалась внутрь, в конце концов она развалилась бы на части из-за дифференциальных гравитационных сил между ближайшей к нам стороной и дальней стороной, удаленной на 3000 км. Очевидно, что большое количество Луны будет бомбардировать Землю, но этот ответ предполагает, что мы выживем.

Как правило, предел Роша применяется к разрушению спутника из-за приливных сил, вызванных его основным телом, вокруг которого он вращается. Части спутника, расположенные ближе к первичному элементу, сильнее притягиваются под действием гравитации первичного элемента, чем части, находящиеся дальше; это несоответствие эффективно оттягивает ближнюю и дальнюю части спутника друг от друга, и если несоответствие (в сочетании с любыми центробежными эффектами из-за вращения объекта) больше, чем сила гравитации, удерживающая спутник вместе, оно может притянуть спутник отдельно.

Вид на кольцо из Вашингтона.

Поскольку в пределах предела Роша приливные силы преобладают над гравитационными силами, которые в противном случае могли бы удерживать спутник вместе, ни один спутник не может гравитационно слиться из более мелких частиц в этом пределе. Действительно, почти все известные планетарные кольца расположены в пределах их предела Роша, за исключением кольца E Сатурна и кольца Фебы. Они могли быть либо остатками протопланетного аккреционного диска планеты, которые не смогли слиться в лунки, либо, наоборот, образовались, когда луна прошла в пределах своего предела Роша и распалась.

Предел Роша можно рассматривать как воображаемую «границу» в форме Земли, в среднем на расстоянии 9 492 км от центра Земли, что в 1,49 раза больше радиуса Земли для твердых тел. Так что вокруг экватора он немного «смещается» наружу. Он повторяет форму сплюснутого сфероида Земли. 

У Земли могло быть кольцо сразу после ее образования. Вид на эти кольца с Земли будет другим. Все будет зависеть от вашей широты и направления, в котором вы смотрите. Вблизи экватора кольцо будет похоже на тонкие полоски света, которые вырываются из далеких земных горизонтов и простираются в небо, насколько может видеть глаз.

Спасибо Эмилио Писанти за правильное указание на то, что изображение колец из средних и высоких широт не совсем точное. Плоскость земли не ортогональна плоскости колец, поэтому они будут казаться под углом. Все, что я могу сделать, это попросить о некоторой личной свободе в представлении этого сценария «что, если».

Изображения предполагают, что кольцо вокруг Земли будет иметь такое же соотношение, как кольцо вокруг Сатурна к этой планете.

Вид на кольцо с экватора.

Почему кольцо формируется вокруг экватора, а не вокруг другой оси ? Это происходит из-за действия закона центральной силы , той же основной причины, по которой планеты расположены в плоскости вокруг Солнца. Солнце имеет сферическую форму, поэтому такие объекты, как Плутон, могут «сойти с рук», отклонившись от линии на 8 градусов. Если бы Земля и Сатурн были идеальными сферами, то ось кольца могла бы располагаться под любым углом. Поскольку обе планеты представляют собой сплющенный сфероид с приливной выпуклостью, со временем частицы, составляющие кольцо, будут собираться там. Кольца Сатурна имеют оценочную локальную толщину всего от 10 метров до 1 километра, поэтому они чрезвычайно «тонкие».  

Вид на кольца из средних широт.

Вид колец на 23° южной широты, панорама 180° дает представление о том, каким великолепным зрелищем будут кольца. Сама Земля отбрасывает тень.

Источник изображения: Если бы у Земли было кольцо, подобное Сатурну

Да, кольца в конечном итоге зависнут над экватором (что определяется вращением планеты). Механизмом, ведущим к этому устойчивому состоянию, является гравитационная асимметрия, возникающая из-за экваториальной выпуклости планеты. Однако переходные неэкваториальные орбиты, конечно, возможны (как и при запуске искусственных спутников).

Этот вопрос был изучен с помощью моделирования НАСА при исследовании Катастрофы Кесслера , когда бесконечно сталкивающиеся куски космического мусора измельчают друг друга еще более мелко. Обнаружено, что пыль в конечной точке собирается вокруг экватора.

Со времен Исаака Ньютона, Жозефа-Луи Лагранжа, Пьера Симона Лапласа, Карла Фридриха Гаусса и других великих математиков эпохи Возрождения в научном сообществе существовала неотъемлемая вера в то, что Земля способна сохранять стабильную систему колец в вращаются вокруг него миллионы лет.

В статье, опубликованной бывшим астрономом НАСА доктором Джоном А. О'Кифом в журнале Nature еще в 1980 году, он выдвинул гипотезу о том, что у Земли когда-то было кольцо, подобное Сатурну, которое могло объяснить многие события прошлых эпох Земли. (Доктор О'Киф известен открытием небольшой грушевидной формы Земли в 1950-х годах).

Датский астроном заявил в Science Frontiers (выпуск № 76, июль-август 1991 г.), что «в прошлом у Земли была система колец, такая же, как у Сатурна, Урана и Нептуна». Он дошел до того, что сказал, что наша планета могла похвастаться кольцами в 16 отдельных случаях в прошлом.

Совсем недавно, в сентябре 2002 г., Sandia National Laboratories опубликовала статью двух исследователей из Университета Нью-Мексико, которые еще раз подтвердили представление о прошлых земных кольцах. В этом исследовании авторы предположили, что существование тонкой системы колец, возможно, такой же непрозрачности, как B-кольцо Сатурна, могло быть причиной прошлых климатических изменений на Земле. Все они согласны с тем, что если кольцо не рассеивается и не выпадает в осадок, прежде чем попасть в центр, то именно в этом центре они и окажутся.

Любые кольца, которых достигнет Земля, скорее всего, не будут такими же хорошими, как у Сатурна. Скорее всего, он будет менее «впечатляющим», чем Сатурн. Однако это не значит, что это не будет круто. Еще одно важное различие между кольцами Земли и кольцами Сатурна заключается в их составе. Состав колец Земли будет более каменистым. Для Сатурна это в основном лед с разбросанными тут и там камнями. Любые кольца Земли, состоящие из льда (а также любая другая планета внутри Солнечной системы) испарятся из-за солнечного ультрафиолетового излучения. Тогда его солнечные ветры отправят испарившийся лед в вакуум самого космоса. Кольца будут центрироваться, как на Сатурне, потому что кольцам нравится находиться в той же плоскости, что и сама планета. В противном случае вращение Земли будет использоваться для того, чтобы кольца встали на свои места. Это может замедлить или ускорить вращение Земли, поскольку она использует собственный угловой момент Земли, чтобы вернуться в исходное положение. Даже каменистая часть колец Земли через несколько миллионов лет упадет на Землю или разлетится от ее гравитационного притяжения.