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

Да , но из-за того, что соотношение масс сильно отличается, кажется, что они этого не сделают, поскольку луна, кажется, вращается вокруг (центра) Земли.

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

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, центр масс системы не выходит за пределы Земли, а вместо этого находится примерно в 4500 километрах от центра Земли (см. также фото ниже):

В случаях, когда один из двух объектов значительно массивнее другого (и относительно близко), барицентр обычно находится внутри более массивного объекта. Вместо того, чтобы казаться вращающимся вокруг общего центра масс с меньшим телом, большее будет просто слегка «раскачиваться». Это относится к системе Земля-Луна, где барицентр расположен в среднем на расстоянии 4 671 км от центра Земли , что находится в пределах радиуса планеты 6 378 км. Источник: Википедия - Барицентр

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

@JeppeStigNielsen делает хорошее замечание о различиях в приливных замках в комментариях ниже. В системе Земля-Луна только Луна заблокирована приливом (из-за чего мы видим с Земли только одну ее сторону, то есть только примерно половину ее), тогда как в системе Плутон-Харон оба тела заблокированы приливом. Земля не заблокирована приливом из-за более высокого отношения масс между ней и Луной, но система Плутон-Харон с более низким отношением масс заблокирована, поскольку Харон с меньшей массой медленно изменил вращение Плутона, чтобы соответствовать его орбитальному движению.

О барицентрах

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

В более физических терминах референциал с центром в барицентре системы Земля-Луна является «более галилеевым» , чем референт с центром в геометрическом центре Земли: если вы проведете высокоточные измерения физических систем на Земле, вы увидите некоторые « дрожание», которое показывает, что Земля на самом деле не Галилея. Большая часть из них связана с вращением Земли (дрожание наиболее ярко демонстрируется маятником Фуко).), но даже если вы учитываете вращение, вы все равно получите некоторые остаточные возмущения, связанные с вращением Земли вокруг барицентра Земля-Луна. (И если вы исправите эти, вы все равно получите некоторые из-за обращения Земли вокруг Солнца — действительно, вращения Земли вокруг барицентра Солнечной системы — и затем некоторые из-за вращения Галактики, и так далее. , но их становится все труднее обнаружить.)

О приливах

Когда два круглых тела вращаются вокруг друг друга, они имеют тенденцию вступать в «приливную блокировку»: их индивидуальная скорость вращения будет синхронизироваться с оборотом, так что, в конце концов , два тела всегда будут держать одно и то же полушарие по отношению друг к другу. Плутон и Харон находятся на этой ступени. Луна также находится в приливной связи с Землей: мы всегда видим одно и то же полушарие (на самом деле мы видим чуть больше половины Луны, потому что она немного качается). Земля не заблокирована приливом... пока. Но в итоге так и будет.

Действительно, Земля и Луна воздействуют друг на друга приливными силами. Это легче всего объяснить, если принять во внимание орбитальную скорость: когда очень маленький спутник обращается вокруг большой планеты, он должен двигаться со скоростью, зависящей от высоты спутника: чем дальше находится спутник, тем медленнее он движется (например, низкоорбитальные спутники приближаться со скоростью около 8 км/с, в то время как Луна движется неторопливо со скоростью 1 км/с или около того). Но Луна довольно громоздка: ее радиус чуть больше 1700 км. Это означает, что если центр Луны движется с правильной скоростью для своей орбиты, камни на обратной стороне Луны находятся на 1700 км дальше от Земли и, таким образом, слишком быстры 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.

Явление симметричное: Земля также испытывает приливные силы от Луны. Фактически, и Земля, и Луна испытывают приливные силы от гравитационной пары Земля-Луна. Это порождает приливы, когда вода движется в ответ на силы; камни не потому, что они камни, т.е. не очень текучие при нормальных условиях — они хотели бы двигаться, но слишком тверды для этого.

Приливные силы каким-то образом противостоят тому, что Земля вращается быстрее, чем за 27 дней оборота Земля-Луна, и вращательная энергия медленно рассеивается: часть ее попадает в гравитационное взаимодействие Земля-Луна, которое разъединяет их. друг от друга (измерено благодаря отражателям космических аппаратов и миссий Аполлон: Луна удаляется от нас со скоростью около 38 мм в год); остальное теряется при трении движущейся воды и, таким образом, в конечном итоге превращается в тепло, излучаемое в космос.

Итог: вращение Земли замедляется. Например, день длился около 22 часов во времена динозавров (крупных, а не птиц). Замедление известно в кругах хронометристов как ΔT .

Однако...

Даже когда Земля окажется в приливной связи с Луной, все равно будут приливы (по крайней мере, если в это время все еще будет жидкая вода, что не является данностью, поскольку, по прогнозам, выход энергии Солнца резко снизится через 5 миллиардов лет). отныне). Действительно, пара Солнце-Земля также производит приливные силы. Приливные силы Земля-Луна примерно в два раза сильнее, поэтому приливы, вызванные Луной, больше, но в ситуации с приливами мы все равно должны наблюдать приливы, вызванные Солнцем, но в меньшем масштабе.

(Без Луны Земля, в конечном счете, совпадала бы с Солнцем и совершала бы 365-дневное вращение — если использовать сегодняшнюю длину дня, конечно. Мне не совсем ясно, что должно было бы стать с системой Солнце-Земля-Луна в в очень долгосрочной перспективе; но похоже, что это все еще широко открытое исследование, особенно потому, что в этом миксе есть и другие планеты, что приводит к очень сложной ситуации.)

Ответ ДВУ:

Оба ответа очень хороши. Есть еще несколько деталей, которые следует учитывать, если мы хотим рассмотреть все возможные варианты в этом забавном, но дурацком сценарии.

Уже упоминалось, что соотношение размеров составляет 8 к 1, а не 81 к 1, поэтому для начала Харон, как и Луна, был бы намного больше в небе. Луна, масса которой примерно в 10 раз больше, а плотность немного выше из-за некоторого незначительного уплотнения, все равно будет в 2,1 раза больше в поперечнике, при том же расстоянии, что сделает ее в 4 раза ярче в ночном небе. Полная луна будет весьма впечатляющей. Возможно (чуть-чуть) достаточно яркий, чтобы читать, если это большой учебник. (Некоторые люди утверждают, что теперь могут читать при лунном свете, большинство людей не могут, но в 4 раза ярче, полная луна может быть достаточно яркой.

Солнечные затмения станут более частыми и будут длиться в два раза дольше, и вы можете подумать, что Земля будет немного холоднее из-за того, что Луна блокирует часть солнечного света, но Луна, верите вы в это или нет, излучает на Землю больше тепла, чем блокирует, потому что освещенная луна, обращенная к нам, имеет почти 400 градусов по Фаренгейту в пиковое дневное время, и нетрудно увидеть, что поверхность с такой температурой излучает тепло. Не много, а некоторые. Вопрос об этом здесь, так что чуть более чем в 4 раза больше энергии (без учета потерь солнечного затмения), примерно 1/2 500 тепла от солнца, может работать до 1/10 градуса ночью во время полнолуния. Конечно, немного, но измеримо для любого, у кого есть достаточно чувствительные инструменты. Яркость и размер Луны, очевидно, будут более заметными, чем около 1/10 от 1 градуса температуры (C, а не F).

Луна такой массы замедлила бы вращение Земли значительно быстрее, как уже упоминалось, но об этом надо подумать. Когда сформировалась Луна, она была намного ближе к Земле, примерно в 3-5 раз больше радиуса Земли. Источник. Это за пределами Сферы холмов, и формирование Луны заставило Землю вращаться очень быстро, поэтому эффекты (быстрое вращение Земли, очень мощные лунные приливы) все еще будут там, но лунные приливы будут в 10 раз сильнее, поэтому мы смотрим при приливах уровня землетрясений, когда Луна, в 10 раз превышающая массу, находилась на расстоянии 3-5 земных радиусов. Луна, поскольку во время формирования у нее не было бы большого углового момента, быстро вошла бы в заблокированное приливом вращение вокруг Земли. Приливное воздействие на Землю, будучи в 10 раз больше, вызвало бы (примерно) в 10 раз большую приливную выпуклость на Земле, оттолкнуло бы Луну от Земли примерно в 10 раз быстрее, но, в то же время, приливное сопротивление замедлилось бы. Земля тоже была бы в 10 раз больше (я предполагаю, что это примерно в 10 раз быстрее).

Таким образом, в основном Луна и Земля будут следовать той системе, в которой они находятся сейчас, но это будет происходить примерно в 10 раз быстрее с Луной, масса которой в 10 раз больше. Оценка (здесь) состоит в том, что Луне потребуется около 50 миллиардов лет, чтобы замедлить Землю настолько, чтобы войти в приливный замок, поэтому разделите это на 10, и сегодня мы были бы очень близки к приливному замку. 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 ускользнет. Это сложная часть математики, которую я бы предпочел не предпринимать (при нынешней массе Луны Солнце превратится в Красного гиганта задолго до того, как Луна уйдет или Земля окажется в приливной ловушке, но с Луной в 10 раз массивнее, что ' Вероятно, это уже не так, и либо Луна ушла, либо Луна находится дальше, имеет более вытянутую орбиту, а Земля находится в состоянии приливной блокировки или близка к этому. Если Луна улетит, у нас будет околоземный орбитальный объект огромных размеров, который позже может врезаться в нас или пролететь мимо Земли и сдвинуть нашу орбиту — любой эффект и просто эффект отсутствия Луны будут огромными.

Обсуждение побега с Луны/Земли против приливной блокировки здесь

Если мы предположим полную приливную блокировку, 29,5 дней (синодические, а не сидеральные) и Луну немного дальше, то мы можем ожидать от 30 с чем-то до 40 дней за 1 оборот Земли, это 20 дней солнечного света, 20 дней ночи. Это нанесло бы абсолютный ущерб погодным системам и временам года. День и ночь будут иметь больший эффект, чем лето и зима, а летние дни будут палящими, хотя в некоторых регионах может быть все в порядке из-за дождя. Эволюция, вероятно, могла бы приспособиться к этому, но мне это не кажется забавным. Чем дальше расстояние, тем ярче Луна на ночном небе будет всего в 3 раза, а не в 4. Тем не менее, она все еще довольно яркая. Вы по-прежнему получите 6 месяцев солнца и 6 месяцев ночи на полюсах, но для большей части Земли это будет радикальным изменением, когда дни и ночи будут такими длинными.

Другие возможные эффекты, Наклон (отсутствие луны, возможно, больше, более крупный драйвер ледникового периода), см . здесь . Кроме того, если бы у Земли все еще была Луна, но Луна находилась на более вытянутой орбите, у нас все еще были бы приливы, когда Луна приближалась и отходила в апогей и перогей. посмотреть картинку

Источник

Суть в том, что, хотя мы, возможно, и не задумываемся об этом, луна другого размера на самом деле изменила бы довольно многое. Меньшая луна будет удаляться от Земли медленнее, и Земля могла бы иметь вторую луну, возможно, путем захвата, если бы луна была меньше, у нас также могли бы быть более агрессивные ледниковые периоды и климатические изменения из-за большей вариации наклона и, предполагая, что гигантское столкновение все еще происходит аналогичным образом, но с меньшим количеством обломков (что не имеет смысла, но давайте притворимся), тогда меньшая луна не замедлила бы вращение Земли так сильно, и Земля могла бы вращаться довольно сильно. немного быстрее, 10 или 15 часов в день вместо 24. Эффекты будут довольно значительными.