Поверхностная гравитация

Поверхностная гравитация — действительно самая важная величина, когда речь идет об определении многих свойств вашей планеты. Его можно использовать для ограничения состава атмосферы, массы и радиуса планеты, состава и многого другого.

Планета с массой$M$и радиус$R$имеет поверхностную гравитацию$g\equiv GM/R^2$. Следовательно, все планеты с гравитацией на поверхности Земли подчиняются следующему соотношению масса-радиус:

$$\frac{M}{M_{\oplus}}=\left(\frac{R}{R_{\oplus}}\right)^2\tag{1}$$ куда$_{\oplus}$обозначает параметр Земли.

Теоретики придумали дополнительные соотношения массы и радиуса, которые зависят от состава планеты. Сигер и др. В 2008 году были получены соотношения массы и радиуса для ряда композиций скалистых планет. Я нанес их результаты для нескольких различных типов планет (железо, вода, силикат и графит), а также для критерия из$(1)$:

Предполагая, что железо является наиболее плотным вероятным составом, мы видим нижний предел радиуса$R\approx0.5R_{\oplus}$, соответствующий$M\approx0.2M_{\oplus}$. Кажется, мы нашли экзопланеты с более высокой плотностью (например , Kepler-36b ), но это может быть связано с ошибками измерений; они кажутся нефизическими.

В настоящее время часто считается, что железные планеты образовались в результате гигантских столкновений — столкновений между протопланетами ( Маркус и др., 2010 ); Считается, что Меркурий пострадал от таких столкновений. Мы можем вычислить массу наибольшего остатка такого столкновения по формуле

$$M_{\text{rem}}=\left[-1.2(f_{\text{Fe}}-0.33)^{1/1.65}+1\right]M_0(1+\gamma)$$ куда$f_{\text{Fe}}$– конечная массовая доля железа,$M_0$- начальная масса протопланеты, а$\gamma$- отношение масс ударника к массе протопланеты. Как правило, верхний предел$f_{\text{Fe}}\sim0.8$считается теоретическим пределом. Если мы проигнорируем это и установим$f_{\text{Fe}}=1$а также$M_{\text{rem}}=0.2M_{\oplus}$, мы находим, что$M_0(1+\gamma)=3.41$, которое может быть удовлетворено, скажем,$2M_{\oplus}$протопланета и$1.4M_{\oplus}$снаряд - небезосновательно. За$f_{\text{Fe}}=0.8$, мы можем позволить себе иметь тела меньшего размера. В любом случае, создать железную планету желаемой массы довольно просто.

Тектоника плит

Тектоника плит зависит от ряда факторов, включая размер и состав планеты. Чем меньше планета, тем быстрее скорость охлаждения, а это означает, что это тело, вероятно, быстро остынет, что сделает тектонику плит невозможной. Возможно, однако, что у нашей железной планеты с обнаженной мантией нет ни мантии, ни коры, и поэтому тектоника плит в том виде, в каком мы ее знаем, не может существовать ни в какой момент времени.

Температура

Предполагая твердую железную поверхность, а вода составляет жидкую часть, я не вижу причин, по которым температура не может быть такой же, как на Земле, при условии аналогичной атмосферы. Альбедо должно быть одинаковым, и если планета находится так же далеко от солнечной звезды, как и Земля, ее эффективная температура должна быть такой же. В зависимости от атмосферы, которую вы получите, вы можете варьировать орбитальные и звездные параметры по своему усмотрению.

Атмосфера

Выход из атмосферы будет проблемой ; так Земля потеряла свою раннюю водородно-гелиевую оболочку. Я рассмотрел это более подробно в ответе на Physics Stack Exchange , но здесь важно уравнение для потока Джинса для частицы массы$m$,$\phi_J(m)$, который описывает, сколько частиц массы$m$выйдет из атмосферы тепловыми методами:

$$\phi_J(m)\propto n_c\sqrt{\frac{2kT}{m}}\left(1+\frac{GMm}{kTr}\right)\exp\left(-\frac{GMm}{kTr}\right)$$ Важным термином здесь является $$\frac{GMm}{kTr}\approx\frac{gR}{kT}$$ куда$r$– расстояние до нижнего края экзосферы. При условии$g$такой же как$g$на Земле и$R=0.2R_{\oplus}$, то при температурах поверхности, подобных земным, мы должны увидеть значительно более высокие потоки Джинса.

Поток джинсов в первую очередь воздействует на водород, гелий и другие легкие газы, поэтому эти газы могут быть полностью потеряны. Также возможно, что кислород, азот и родственные им газы будут потеряны, хотя основные механизмы их потери не тепловые. Тем не менее, у вас, вероятно, будет атмосфера, отличная от земной.

Вращение и революция

Они по существу произвольны. Вы можете поместить планету так близко или далеко от звезды, как хотите (хотя я бы рекомендовал держать ее в обитаемой зоне, если вам нужна жизнь), поэтому вы можете выбрать любые значения, соответствующие вашим целям. Размер, масса и гравитация на поверхности здесь не важны для низких скоростей вращения; как указал Бен, при больших угловых скоростях центробежная сила действительно становится важной.

Вероятно, мы сможем создать действительно маленькую планету, если предположим, что она состоит из очень плотного материала, такого как иридий, платина или что-то в этом роде — по крайней мере, в ядре.

Однако есть еще один фактор, который нам нужен — размер биома. Чем меньше биом, тем медленнее он будет развиваться. Достаточно малый может даже оказаться в эволюционном тупике — любые достижения, требующие нескольких менее выгодных мутаций, невозможны, потому что биом слишком мал, чтобы они могли достаточно долго выживать в немутировавшей конкуренции.

Если вам нужна действительно маленькая планета и высокая скорость эволюции, я предлагаю водную планету с замерзшими полярными шапками. Вроде как Европа, но в обитаемой зоне. Пусть у него много энергии, скажем, из-за того, что он является частью двойной системы планет и находится близко к не слишком яркому солнцу, чтобы приливные силы нагревали ядро ​​​​и создавали множество подводных вулканов.

Эта планета имеет гораздо более низкую гравитацию, но в остальном она может быть очень похожа на Землю.

Растения могут начать формироваться как водоросли, превращаясь в кувшинки в небольших водяных озерах, окруженных льдом, затем распространяться по остальной части океана и в конечном итоге конкурировать за высоту, образуя траву или даже бамбук, такие как плавающие растения, связанные корнями, поэтому более мелкие животные по ним можно ходить - как по болоту.

Поскольку реальной земли нет, мы должны развить наших гуманоидов из животных ближе к океану — может быть, похожих на пингвинов, но в конечном итоге покоряющих лед в манере, близкой к инуитской, и брать с собой растения, используя теплицы или плавучие фермы, как только они иметь технологии.