Как засеянная земная жизнь приспособится к заблокированной приливами Луне размером с Землю?

Один день продолжительностью в несколько земных месяцев

Земные дни не имеют большого значения на этой землеподобной планете/луне, потому что она не вращается. На самом деле он вращается один раз за орбиту, но это вращение такое же медленное, как и сама орбита, из-за приливного замка. От восхода до заката требуется половина времени обращения по орбите. Один оборот вокруг газового гиганта может занять несколько наших земных месяцев. В результате «годовой день» состоит из темного сезона, утреннего сезона, светлого сезона и вечернего сезона.

Постоянный прилив с одной стороны

Приливный замок диктует, что приливы воды привязаны к месту и постоянны. Вода будет распространяться меньше, у вас, вероятно, будет один гигантский океан, где прилив (в сторону газового гиганта), постоянно на одном месте, с обитаемым массивом суши в нем или вокруг него. Обитаемая область на этой землеподобной планете/луне может значительно сократиться, потому что только прибрежные районы гигантского континента будут взаимодействовать с большим океаном, вода внутри суши будет легко испаряться в течение длинных световых периодов. Скорее всего, может образоваться пустыня, и обитаемыми будут только прибрежные районы.

Экстремальная зима/ночь

На Земле мы рассматриваем «сезоны» как длительные периоды с низкими и высокими средними температурами в течение дня. Разница между летом и зимой составляет около 20-50 градусов по Цельсию, в зависимости от местоположения на нашей планете.

Для этой Земли, подобной планете/луне, вращающейся вокруг газового гиганта, разница температур может достигать 200-300 градусов по Цельсию. Времена года будут равны дню и ночи, зимняя тьма будет «вечной» и очень холодной.

Чтобы сделать его пригодным для жизни, требуется правильное проектирование атмосферных условий! вам понадобится плотная атмосфера с большим количеством CO2, чтобы удерживать тепло, мало энергии будет достигать поверхности в течение очень длительного периода времени. Теплосбережение лучше сделать хорошо.. иначе жители не выживут.

Тщательно выбирайте расстояние газового гиганта до звезды. В периоды постоянного освещения температура снаружи может быть приятной, скажем, от -20 до 40. Когда на планете с водой наступит зима, океан замерзнет. Тщательно выбирайте количество воды, иначе в умеренное время года дождя не будет. Неплохо было бы несколько крупных внутренних озер..

Полярные районы лучше всего подходят для заселения

Заселиться на одном месте будет довольно сложно и желательно в полярных краях, где вечный вечер. В других местах в зимние ночные периоды люди должны безопасно находиться в помещении или под землей.

Канарейка станет перелетной птицей

Начальный вопрос: «Приспособятся ли засеянные земные виды к этим радикальным различиям?» . Да, с некоторыми корректировками и ограничениями. Семена могут прорастать, когда температура и влажность находятся в хорошем балансе. Этот момент может длиться несколько земных недель в любом месте прибрежных районов. Задача будет состоять в том, чтобы защитить жизнь и природу на поверхности, когда наступит зима. Жизнь растений на поверхности будет односезонной или потребует генетической модификации для защиты на месте. Животные будут либо двигаться, либо жить под землей. Ваша канарейка станет перелетной птицей, которая будет искать убежища в другом месте, когда наступит зима, как это делают гуси. Он может быть в движении все сезоны, вокруг побережья.

Короткий ответ:

Вы ошибаетесь в том, что луна, привязанная к своей планете приливом, имеет вечный день с одной стороны.

Если планета приливно привязана к своей звезде, одна сторона планеты всегда будет обращена к звезде и будет иметь вечный день и сильную жару, а другая сторона всегда будет обращена в сторону от звезды и будет иметь вечную ночь и ужасный холод.

Некоторые пожилые люди могут вспомнить, когда астрономы считали, что так было с Меркурием и, возможно, с Венерой.

Если луна приливно привязана к своей планете, одна сторона луны всегда будет обращена к планете, а одна сторона луны всегда будет обращена в сторону от планеты. И, конечно же, на обеих сторонах планеты будет чередоваться день и ночь, как и на Земле, потому что каждая сторона Луны будет попеременно обращена к звезде и от нее.

Так обстоит дело со всеми лунами в нашей Солнечной системе, которые находятся достаточно близко к своим планетам.

ДЛИННЫЙ ответ:

Вероятность того, что гипотетическая обитаемая экзолуна, вращающаяся вокруг гигантской экзопланеты, будет иметь продолжительность дня, достаточно близкую к продолжительности дня Земли для процветания земной жизни, довольно высока.

Звездные сутки планеты или луны — это период времени, в течение которого она поворачивается на 360 градусов относительно далеких звезд. Для приливно-запертой Луны звездные сутки будут равны периоду ее обращения вокруг планеты.

Синодический день планеты или луны — это период времени, в течение которого она поворачивается на 360 градусов относительно направления на звезду, вокруг которой она вращается, источник ее света и тепла. Поскольку планета или луна будут вращаться вокруг звезды и менять направление на звезду во время своего вращения, синодический день будет отличаться от сидерического дня.

Тот, кто хочет иметь хорошее представление о климате и погоде на вымышленной планете или луне, захочет точно рассчитать сидеральные и синодические дни.

Сколько звездных и синодических дней может иметь гигантская экзолуна, пригодная для жизни людей и других земных форм жизни с аналогичными требованиями?

Обратите внимание, что существуют несколько разные нижние и верхние пределы продолжительности звездных дней и синодических дней для обитаемых миров.

В книге «Обитаемые планеты для человека » (1964) Стивен Х. Доул рассчитал и/или угадал свойства планет, пригодных для жизни людей.

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf

Доул нашел минимальную продолжительность сидеральных суток обитаемого мира и максимальную продолжительность синодических суток обитаемого мира.

Чем быстрее вращается планета, тем более сплющенной она становится, поскольку камень на ее экваторе отталкивается все дальше и дальше от центра планеты. Если планета вращается слишком быстро, она станет нестабильной, и материя с ее экватора будет потеряна.

Если на планете слишком длинный синодический день, дневной период будет слишком жарким, а ночной слишком холодным. Растения могут погибнуть от недостатка солнечного света в течение долгих темных ночей.

На странице 60 Доул написал:

Трудно сказать, какие предельные значения скорости вращения совместимы с обитаемостью. Эти крайности, однако, могут быть оценены, скажем, в 96 часов (4 земных дня) за оборот в нижней части шкалы и от 2 до 3 часов за оборот в верхней части, или при угловых скоростях, когда форма становится неустойчивой, потому что высокая угловая скорость вращения.

Таким образом, существуют ограничения для сидерального дня и синодического дня.

В случае с Сериной, экзолуной размером с Землю, вращающейся вокруг планеты-гиганта в другой звездной системе, существуют другие ограничения на продолжительность звездного дня луны, которая будет равна периоду ее обращения вокруг планеты.

Вот ссылка на научное обсуждение потенциальной обитаемости гипотетических экзолун, вращающихся вокруг гигантских экзопланет:

https://faculty.washington.edu/rkb9/publications/hb13.pdf

На странице 20 пишут:

Синхронизированные периоды вращения предполагаемых экзолун земной массы вокруг планет-гигантов могут находиться в том же диапазоне, что и периоды обращения галилеевых спутников вокруг Юпитера (1,7–16,7 дня) и период обращения Титана вокруг Сатурна (&16 дней) (планетарный спутник НАСА/Лаборатории реактивного движения). эфемериды)4

Таким образом, они считают, что гипотетическая обитаемая экзопланета гигантской экзопланеты может иметь орбитальный пейрод и звездные сутки продолжительностью от 1,7 до 16,7 земных дней.

Они также пишут:

Было показано, что максимально возможная продолжительность дня спутника, совместимая с устойчивостью Хилла, составляет около P)p/9, где P)p — это период обращения планеты вокруг звезды (Kipping, 2009a).

Таким образом, если период обращения планеты вокруг звезды не превышает по крайней мере в 9 раз периода обращения Луны вокруг планеты, орбита Луны не будет стабильной в долгосрочной перспективе.

В другой статье показано, что у планет-гигантов есть обитаемый край, минимальное расстояние от планеты, на котором должна вращаться потенциально обитаемая луна, чтобы избежать перегрева своей планетой и не страдать от неконтролируемого парникового эффекта (как луна Ио и планета Венера страдала). Это минимальное расстояние в 5 раз больше радиуса планеты.

Экзомуны размером с Марс, вероятно, не будут генерировать свои собственные магнитные поля, чтобы защитить свою атмосферу от разрушения звездным ветром их звезд. Таким образом, они должны были бы вращаться в пределах 20 радиусов от планеты, чтобы быть защищенными магнитным полем планеты-гиганта.

https://www.universetoday.com/105030/magnet-fields-are-crucial-to-exomoon-habitability/

https://arxiv.org/abs/1309.0811

Конечно, даже более крупные экзолуны размером с Землю могут генерировать собственные магнитные поля для защиты своей атмосферы. Но они должны были бы вращаться достаточно быстро, чтобы генерировать сильные магнитные поля, и если бы они были заблокированы приливом, им пришлось бы двигаться по орбите достаточно близко, чтобы период обращения и, следовательно, период вращения были достаточно быстрыми.

Таким образом, вероятно, существует зона от 5 планетарных радиусов до 20 планетарных радиусов вокруг планеты-гиганта, где достаточно большая и в остальном подходящая луна может быть обитаемой.

Моделирование показало, что единственные орбиты вокруг планет размером с Нептун и размером с Сатурн, которые были достаточно близки, чтобы стать защищенными магнитными полями своей панели, находились бы внутри обитаемого края, и, таким образом, парниковый эффект взлетно-посадочной полосы сделал бы эти луны непригодными для жизни.

Но у планет размером с Юпитер будет зона от 5 до 20 планетарных радиусов, где обитаемые спутники смогут вращаться вокруг них.

Конечно, планеты могут стать намного массивнее Юпитера. Граница между самыми массивными планетами и наименее массивными коричневыми карликами примерно в 13 раз превышает массу Юпитера. А писатель может захотеть отправить пригодный для жизни мир на орбиту коричневого карлика. Граница между самыми массивными коричневыми карликами и наименее массивными звездами примерно в 75-80 раз превышает массу Юпитера. Таким образом, мы могли бы установить верхний предел массы коричневого карлика, чтобы потенциально пригодные для жизни луны (или планеты, или как бы они там ни назывались) вращались вокруг него примерно в 70 масс Юпитера, чтобы быть в безопасности.

Итак, каковы будут радиусы объектов в этих диапазонах масс? Я не знаю, как их вычислить.

Но я читал, что планеты и коричневые карлики, более массивные, чем Юпитер, могут иметь только немного больший радиус, чем Юпитер, и тогда их увеличенная масса и гравитация делают их все более и более плотными и сжатыми, а не большими. Я читал, что на самом деле разница в радиусах объектов более массивных, чем Юпитер, составляет всего около 15 процентов, в диапазоне масс от более массивных планет до коричневых карликов и наименее массивных звезд.

Поэтому я предполагаю, что все планеты и коричневые карлики, более массивные, чем Юпитер, имеют радиус от 0,8 до 1,2 радиуса Юпитера.

Экваториальный радиус Юпитера составляет около 71 492 километров или 44 423 мили.

Таким образом, внутренний обитаемый край вокруг любой планеты или коричневого карлика, более массивного, чем Юпитер, должен быть где-то между 285 968 и 428 952 километрами. Хотя (у коричневого карлика все может быть по-другому). Это дает длину окружности орбиты от 1 796 789,935924 до 2 695 184,903885 километров.

Внешняя граница обитаемости на двадцати радиусах вокруг любой планеты или коричневого карлика, массивнее Юпитера, должна быть где-то между 1 143 872 и 1 715 808 км. (Хотя вокруг коричневого карлика все может быть иначе). Это дает длину окружности орбиты от 7 187 159,743694 до 10 780 739,615541 километров.

Таким образом, используя формулу для расчета орбитальной скорости на определенном расстоянии от тела с определенной массой, можно получить грубые нижние и более длинные пределы для периодов обращения и, следовательно, звездных дней для лун, находящихся в приливно-отливной зоне в обитаемых зонах планет-гигантов и коричневых карликов. можно вычислить.

Если планета имеет массу в один юпитер, луна, вращающаяся вокруг 5 радиусов Юпитера или 357 460 километров, будет иметь период обращения и день 1,37807 земных дней или 33,0736 часов. Луна, вращающаяся вокруг 20 радиусов Юпитера или 1 429 840 километров, будет иметь период обращения и день 11,0245 земных дней или 264,589 часов.

Если планета или коричневый карлик имеет массу 13 масс Юпитера или 0,004163 массы Солнца:

Луна, вращающаяся на высоте 285 968 километров, будет иметь период 0,273882 дня или 6,57316 часа.

Луна, вращающаяся на высоте 428 952 км, будет иметь период 0,503153 дня или 12,0757 часа.

Луна, вращающаяся на высоте 1 143 872 км, будет иметь период 2,19105 дней или 52,5853 часа.

Луна, вращающаяся на высоте 1 715 808 километров, будет иметь период 4,02522 дня или 96,6056 часа.

Если коричневый карлик имеет массу 70 масс Юпитера или 0,066857 массы Солнца:

Мир, вращающийся на высоте 285 968 километров, будет иметь период 0,118040 дней или 2,83296 часов.

Мир, вращающийся на высоте 428 952 км, будет иметь период 0,216853 дня или 5,20447 часа.

Мир, вращающийся на высоте 1 143 872 км, будет иметь период 0,944319 дней или 22,6636 часов.

Мир, вращающийся на высоте 1 715 808 километров, будет иметь период 1,73482 дня или 41,6358 часа.

Таким образом, луна, вращающаяся вокруг планеты-гиганта с массой от одной массы Юпитера до 13 масс Юпитера на расстоянии от 5 до 20 радиусов, должна иметь период обращения и звездные сутки между 0,273882 днями или 6,57316 часами. и 11,0245 земных суток или 264,589 часов.

Таким образом, луна мира, вращающаяся вокруг коричневого карлика с массой от 13 масс Юпитера до 70 масс Юпитера на расстоянии от 5 до 20 радиусов, должна иметь период обращения и звездные сутки между 0,118040 днями или 2,83296 часами. и 4,02522 дня или 96,6056 часа.

Таким образом, большинство возможных орбитальных периодов между 5 и 20 радиусами родительского тела вокруг Юпитера или более крупных планет или вокруг коричневых карликов должны находиться в пределах возможного диапазона для обитаемого мира, предложенного Доулом, от 2 или 3 часов, самое короткое до 96 часов (четыре часа). земных дней) в самом длинном. И каждый юпитер с массой или более массивный палнет или коричневый карлик должен иметь орбиту, на которой у луны был бы сидерический день, равный первому земному дню.

Но важен синодический день луны. Синодический день всегда должен быть немного длиннее сидерического лунного дня. Это не будет большой проблемой, если разница в продолжительности между звездным и синодическим сутками достаточно мала.

Чем больше разница между периодом обращения Луны вокруг своей планеты и периодом обращения планеты вокруг своей звезды, тем короче будут синодические сутки. Таким образом, чем дольше период обращения планеты по сравнению с периодом обращения Луны, тем легче Луне будет иметь период обращения и звездные сутки, равные 0,75, или 0,81, или 0,92 и т. д. земных суток, и иметь синодический день длится ровно один земной день.

И чем ближе синодический день Луны к синодическому дню Земли, тем меньше проблем будет у перевезенных с Земли растений и животных с приспособлением и адаптацией к жизни на Луне.

Что ж, одна из первых вещей, о которых я могу подумать, это то, что график сна должен быть скорректирован. Организм с циркадным циклом, не привязанный к уровню освещенности, будет иметь преимущество, так как он может быстро заснуть в течение долгого дня и быстро проснуться и чисто работать в течение долгой ночи. Хотя я подозреваю, что многие животные разовьют способность впадать в спячку, так как длинные дни и ночи будут вызывать более резкие перепады температуры. Таким образом, многие животные впадают в спячку холодными ночами. Посмотрите, как животные приспосабливаются к пустыням, где нехватка воды означает резкие перепады температур.

Растения также должны иметь свои собственные приспособления. Из-за долгого дня, в течение которого происходит фотосинтез, и длинной ночи, когда растения должны полагаться на накопленную энергию для поддержания своего метаболизма, у растений будет больше запасов энергии, чем на Земле. Это будет потенциальный источник пищи для животных, так что будет эволюционная гонка вооружений за них, как и за листья.

Ночные животные часто имеют меньшую остроту зрения в пользу слуха или обоняния, поэтому вполне вероятно, что они разовьются у видов, не впадающих в спячку. Трихроматическое зрение человека бесполезно ночью без искусственного освещения, поэтому оно менее полезно для видов, активных ночью.

Приливная блокировка, что означает, что одна сторона всегда обращена к родителю, поэтому нет циклов день-ночь, только половина вечного света и половина вечной тьмы.

Хотя это может быть верно для планеты, вращающейся вокруг звезды, не существует долгосрочного стабильного способа заставить луну демонстрировать эти характеристики. Приливная фиксация спутников вокруг газовых гигантов происходит быстро и на ранних этапах их эволюции и приводит к тому, что одно полушарие всегда обращено к родительскому газовому гиганту, а другое полушарие всегда обращено от него.

Я предполагаю, что спутники вращаются более или менее в той же орбитальной плоскости, что и их родитель. Имейте в виду, что некоторые ситуации с сильно наклоненными лунными орбитами (например, Тритон ) будут иметь разные циклы дня и ночи, но все равно не будут вести себя так, как вы описали.

Эти два полушария, обращенные вовнутрь и обращенные наружу, будут очень разными: на стороне, обращенной к газовому гиганту, никогда не бывает настоящей ночи, вместо этого здесь долгие сумерки, которые, вероятно, намного ярче, чем даже самая яркая лунная ночь на Земле. У него будет период затмения каждый «день», продолжительность которого будет зависеть от его орбиты, которой вы не поделились с нами. Внешняя сторона будет иметь надлежащую ночь, и при этом длинную. Он также никогда не испытает никаких затмений.

Год длится дни, а не месяцы

Примечание по терминологии: есть еще «год», который повлияет на Луну, и этот год связан с обращением ее родительской планеты вокруг главной звезды. Это означает, что все еще могут быть сезонные изменения, которые требуют длительных периодов развития. Таким образом, «год» — плохой термин для его собственной орбиты. Если вам не нравится термин «день» для его орбитального периода, подумайте о «месяце», учитывая, что его происхождение на нашем родном языке связано с периодом обращения Луны.

Какие именно последствия долгой ночи окажутся на Луне, будет зависеть от того, будет ли она внутренней или внешней стороной, а также от природы атмосферы. Плотная, плотная атмосфера может помочь изолировать мир от потери тепла в течение долгих темных периодов. Атмосфера может подвергнуться супервращению , как это происходит на Титане , чтобы выровнять температуру.

В любом случае, ночи будут длинными и, вероятно, холодными, поэтому дневные виды должны будут иметь возможность входить в состояние, похожее на оцепенение , для сохранения энергии... что-то вроде короткой периодической полуспячки. Ночные виды также могут делать то же самое, хотя они больше подвержены риску перегрева и обезвоживания, чем замерзания.

Способность строить, находить или выкапывать убежище, вероятно, важна, и это не то, что я бы обязательно назвал простой «адаптацией». Виды, менее приспособленные к этому, могут просто не выжить в новой среде.

Диета может быть настоящей проблемой. Я подозреваю, что адаптация мелких млекопитающих к окружающей среде может быть относительно простой задачей, но адаптация растений и беспозвоночных, которыми они питаются, вероятно, будет намного сложнее. Все растения, вероятно, должны быть морозостойкими, а фрукты, если они вообще существуют, вероятно, будут сильно отличаться от всего, что можно найти на Земле, если они предназначены для защиты от замерзания в течение ночи. По крайней мере, цветы и опылители все еще могут существовать, а орехи и семена должны функционировать достаточно хорошо. Многие виды насекомых, которые полагаются на незамерзающие надземные температуры, скорее всего, никогда не адаптируются, хотя существа, которые живут в основном под землей и лишь ненадолго всплывают на поверхность, чтобы спариться и умереть, будут в порядке.

Возможно, стоит сначала спросить о растениях, а потом о беспозвоночных, и тогда можно будет дать более точный ответ о позвоночных. В любом случае, я подозреваю, что мелкие грызуны, а также маленькие куньи и кошачьи, которые охотятся на них, будут в этой ситуации победителями, независимо от других переменных, потому что большинство желательных черт уже есть.