Орбита, вращение, масса и другие свойства, не имеющие прямого отношения к жизни.

Планета представляет собой вращающуюся массу (более ~ 500 км в диаметре), вращающуюся вокруг звезды из обычного материала, которая из-за гравитации становится сплюснутым сфероидом (никаких кубов или других форм). IAU также определяет планету как очистившую окрестности.

• Орбитальные характеристики:

  • Расстояние от главной звезды (звезд) будет влиять на температуру поверхности (жидкая вода) и продолжительность года. Для планет, нагреваемых исключительно за счет инсоляции, температуру планеты можно рассчитать по формуле эффективной температуры :

    $$T=\left( \frac{L(1-a)}{16 \pi \sigma D^2} \right)^{\frac{1}{4}}$$

    куда$L$- светимость звезды,$a$- альбедо планеты (мера того, сколько излучения звезд она отражает), и$D$это расстояние планеты от звезды.

    Вы можете рассчитать тангенциальную скорость планеты и ее период для идеально круговой орбиты:

    Приравняем силу тяжести к центростремительной силе:

    $$F_g=F_c$$ $$G \frac{Mm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}$$ $$v^2=\frac{GM}{r}$$ $$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}$$ Это скорость в метрах в секунду. Затем вы можете найти период (в секундах) с помощью $$T=\frac{2 \pi r}{v}$$ Используйте единицы СИ для всего.

  • Внутренний нагрев, хотя в большинстве случаев он ослабевает за миллиарды лет.
  • Приливные силы могут использоваться для получения тепла, если планета находится на орбите вокруг чего-то еще (множество сложностей).
  • (как мы рассчитываем альбедо?)
  • Обратите внимание, что планеты в многозвездных системах будут иметь очень необычные орбиты; но в некоторых случаях орбиты могут быть стабильными
  • Эксцентриситет:
    • Эксцентриситет орбиты зависит от расстояния между планетой и звездой в ближайшей точке ($r_p$) и самая дальняя точка ($r_a$): $$e=\frac{r_a-r_p}{r_a+r_p}$$
    • Примеры: Земля ($e=0.0034-~0.058$), Плутон ($e=0.248$), Меркурий ($e=0.2056$), комета Галлея ($e=0.967$), Звезда Смерти Перна.
    • Эксцентриситет будет влиять на изменение интенсивности получаемого звездного излучения. Чем эксцентричнее орбита, тем выше вариация.
  • Законы Кеплера:
    • Законы Кеплера очень важны при моделировании планетарных орбит.
    • Первый закон: Все вращающиеся тела движутся по эллипсам. $$r=\frac{p}{1+ \varepsilon \cos \theta}$$
    • Второй закон: воображаемая линия, соединяющая тело, вращающееся по орбите, и центральное тело заметает равные площади за равные промежутки времени. $$P \frac{1}{2}r^2 \frac{d \theta}{dt}= \pi ab$$
    • Третий закон: квадрат периода обращения тела пропорционален кубу большой полуоси тела. $$\frac{T^2}{r^3}=\frac{4 \pi}{GM}$$
    • Но подковообразные орбиты возможны с двумя или более телами на околоорбитальных путях.
• Осевой наклон (Земля =$23\text { deg}$) повлияет на существование и амплитуду сезонов. Планета с нулевым осевым наклоном будет иметь минимальное количество сезонов, а планета с$90\text { deg}$. наклон будет иметь только одну сторону, обращенную к звезде, даже без приливной блокировки. Осевой наклон определяет изменение продолжительности дня и ночи в периоды, когда нет равноденствия; длиннее летом каждого полушария.
• Циклы Миланковича : апсидальная прецессия и осевая прецессия.
• Приливно-приливная/орбитальный резонанс (Меркурий (не совсем приливно-приливная), (m) любая из красных карликовых звездных планет в обитаемом диапазоне)
• Период вращения
  • Продолжительность дней и ночей.
  • Дни длиннее ночей в день равноденствия из-за преломления атмосферы и размера вашего солнца (восход/закат происходит, когда солнце впервые видно/больше не видно). Чем длиннее день, тем больше будет солнечного нагрева и меньше охлаждения с ночной стороны, что приведет к экстремальным температурам - отсутствию атмосферного баланса. (Какая длина слишком длинная? Есть ли слишком короткая?)
  • Сумерки (достаточно светлые для занятий на свежем воздухе) наступают, когда солнце находится на 6 градусов ниже горизонта, и (на Земле) имеют длину 25-30 м.
  • Центробежная сила компенсирует гравитацию. На экваторе Земли (где она наиболее сильна) она на 0,35% слабее гравитации (или -0,0035 g). Увеличение скорости вращения до 84 минут в день полностью компенсирует земную гравитацию.
  • Сила Кориолиса прямо пропорциональна угловой скорости (земной$7.272 × 10^{-5} \text{rad/s}$)
  • Приливы уменьшают вращение: Земля теряет 20 миллионных секунды в год
• Размер:
  • Субземного размера: слишком маленький и нет долговременной атмосферы
    • (см. плотность)
  • Похожий на Землю: каменистая планета
  • Супертерраны/суперземли: в 2-10 раз массивнее Земли. Планета, превышающая радиус Земли в 2 раза, начинает двигаться на территорию газового гиганта / не формируется в результате обычной планетарной аккреции.
  • Хтониан: каменистая планета (у газового гиганта отсутствует атмосфера; его сдуло)
  • Газовые гиганты: содержат водород и гелий, слишком малы, чтобы стать белыми карликами/звездами.
• Плотность:
  • Соотношение металла и породы обычно отражается в разнице в размерах между ядром и мантией. Это будет иметь далеко идущие последствия для вулканической активности и различных природных циклов, таких как углеродный цикл.
    • Более плотная планета (с большим количеством металлов) также будет иметь более высокую массу и более высокую поверхностную гравитацию.
    • Солнечная система: Земля является самой плотной в$5.5\text{ gm/cm}^{3}$, а Сатурн по крайней мере в$0.7\text{ gm/cm}^{3}$
• Сила тяжести: $$g = \frac{G \times M}{r^{2}}$$
  • Где:
    • $g$сила тяжести, м/с ² .
    • $G$— гравитационная постоянная , равная 6,67408(31)×10-11 ^м 3 ^⋅кг - ¹ ⋅с- ² , другими словами, используйте 0,000000000066740831 .
    • $M$это масса планеты.
      Массу можно заменить:$M= \frac{4 \times \pi \times \rho \times r^{3}}{3}$Где$\rho$это плотность планеты.
      Полная замена:$G = \frac{4 \times \pi \times G \times \rho \times r}{3}$
    • $r$это радиус планеты. Если вы хотите рассчитать силу гравитации на определенном расстоянии от планеты, измените$r_{new} = r_{planet} + distance$
  • 4-8 перегрузок с головы до ног (т. е. разная частота ударов по сердцу и мозгу) вырубают человека из-за потери крови в мозгу. Это не ускорение Gs; мы обрабатываем ~ 45G в этом направлении (то есть: одинаковая сила для сердца и мозга).

• Возраст: Планете требуется много времени, чтобы достичь точки, на которой может развиваться гуманоидная жизнь. На Земле это заняло более 4,5 миллиардов лет, как показано здесь :

  

#Атмосфера, температура поверхности и другие свойства, непосредственно связанные с жизнью

• Магнитосфера:
  • Считается, что магнитосферы управляются динамо-процессом, вызванным внутренней циркуляцией в расплавленном ядре планеты, и очень полезны для защиты планеты от повреждающих ДНК ионных частиц в звездном ветре и космическом излучении, а также помогают предотвратить ускоренную потерю атмосферы. (например, Марс)
  • Магнитосфера действует как отсекающий фильтр, задерживая космические лучи ниже определенной энергии или «вертикальной жесткости отсекания». На экваторе ~17 ГэВ, на полюсах <1 ГэВ. Космические лучи составляют 0,39 мЗв/год на поверхности, но магнитосфера не сильно экранирует.
  • http://www.nasa.gov/centers/langley/science/polar-radiation.html
  • http://sol.spacenvironment.net/~nairas/Dose_Rates.html
  • Звезда (ы) определяет солнечное излучение.
• Пределы излучения человека
  • 5 и 6 зивертов (Зв) в течение нескольких минут уничтожат слишком много клеток, чтобы человеческий организм мог их восстановить за один раз.
  • Даже нормальное фоновое излучение Земли вызовет рак в течение 4000 лет.
  • Даже работа на большой высоте на Земле увеличивает катаракту .
• Атмосфера:

  • Атмосфера регулируется гравитацией; плотнее/больше гравитации, сохранена более оригинальная атмосфера.

  • Линия Кармана - это место, где скорость полета (плотность воздуха) равна орбитальной скорости (Земля == 100 км).

  • Текущий состав: _{(источник: harding.edu )}
    
    

    - (at standard pressure/temperature):
    - Too much Carbon Dioxide: CO2 displaces oxygen.  Earth has .0035%, OSHA limits 8hr work day to 5,000 ppm (.5%) - a 30-minute exposure to 50,000 ppm produces intoxication, and concentrations greater than that (7-10%) produce unconsciousness. [High concentrations produce acidosis][3]. Hypercapnia. Under concentrated conditions, plant roots can actually be suffocated by carbon dioxide.
    - Too little Carbon Dioxide: Trace amounts (parts per million) regulate blood pH, and perform a few other vital roles. [Autoregulation][4] of breathing (but perhaps this is compensated for by generation of CO2 in our lungs?)
    - Non-trivial amounts of Oxygen in the atmosphere are typically waste byproducts of photosynthesis with CO2 and solar energy.  Life is not *required* (but see improbable below) to produce oxygen in the atmosphere: eg: if titania covers .05 of the surface of an Earth-like planet (with a Sol-like star), in conjunction with water it can produce enough oxygen; 3% surface area with a dimmer star.
    - Too much oxygen: Oxygen toxicity is a condition resulting from the harmful effects of breathing molecular oxygen (O2) at elevated partial pressures.  Hyperoxia.  Increased free radicals.  Lung damage (inflammation; several days).  Fires burn better.  At 30% O2, humans (especially hair and fat) become about as combustible as a paraffin torch.  Static electricity = boom.  Wet vegetation will burn (at 30%) and lightning/falling rocks/wildfires will take out any available fuel.  Other environmental effects; animals, microorganisms, rust, ozone, bleaching, etc.  Once you hit the O2 compensation point, plants stop photosynthesizing.
    - Too little oxygen: breathing an oxygen deficient atmosphere can have serious and immediate effects, including unconsciousness after only one or two breaths. An exposed human has no warning and cannot sense that the [oxygen level is too low][5].  With an atmospheric oxygen level of 11-18%, it results in the reduction of physical and intellectual performance without the sufferer being aware.  At 8-11% the possibility of fainting within a few minutes without prior warning.  Risk of death below 11%.  At 6-8%, fainting occurs after a short time. Resuscitation possible if carried out immediately.  At 0-6%, fainting almost immediate; with brain damage, even if rescued.
    - Too new oxygen: If oxygen hasn't been around on the planet long enough, it will react with exposed iron and other elements (oxidation/rust) and reduce from the atmosphere/oceans forming banded ironstone formations - magnetite (Fe3O4) / hematite (Fe2O3), alternating with bands of iron-poor shales and cherts. This reduction took (300 million/1 billion?) years on Earth. Oxygen reacts with non-sequestered Carbon, forming CO2.  Reacts with loose Hydrogen = water.
    - Ozone layer, formed of Oxygen, protects life from solar radiation, without which it's difficult for life to gain a foothold.
    - Too much Xenon: It passes the blood/brain barrier and is used for anesthesia.
    - Too little Nitrogen: and there will be no nitrates formed in the soil (few/no Earth-style plants).
    - Physically Impossible Combinations: (i.e. 'Hindenburg' H2 O2 atmospheres - forms water when shocked, eg: static electricity from atmospheric movement like lightning)
    - Physically Improbable Combinations
        - O2 atmosphere without life (bacteria, most likely).
             - Pre-vascular plants operating on dry land change rock breakdown into clays, which sequesters carbon freed up by photosynthesis - raising the O2 percentage in the atmosphere, thus [allowing proliferation of higher multicellular lifeforms][6] (also [here](https://www.scientificamerican.com/article/origin-of-oxygen-in-atmosphere/))
        - Low Nitrogen atmosphere in comparison to atmospheric pressure. Need a *good* excuse to selectively remove/fixate the typically vast amount of Nitrogen available in accretion materials.  
    

• Слишком плотная атмосфера
  • Давление на поверхности Земли составляет 100 кПа, венерианское давление (9,2 МПа) почти в 100 раз выше (но масса Венеры меньше: 4,868 против земной 5,9736), а марсианское давление (600 Па) более чем в 100 раз ниже. Таким образом, вам понадобится причина, чтобы потерять часть атмосферы по умолчанию или столкнуться с безудержным парниковым эффектом, а также с физиологическими проблемами, описанными ниже.
• Потеря атмосферы
  • ударная потеря (Марс)
  • без магнитосферы: распыление, фотодиссоциация (Марс)
  • из-за магнитосферы: полярный ветер, перезарядка
  • Джинсовый побег
  • Скольжение по Луне удаляет часть атмосферы
• Обретение/сохранение атмосферы
  • Гравитация/размер/плотность регулируют удержание
  • Усиление от удара льдом; водород можно удалить после диссоциации, оставив кислород (сколько льда в вашей Солнечной системе?)
  • Выделение газа из исходного аккреционного материала из недр планеты.
• Атмосферное давление
  • Давление слишком низкое: на высоте 2100 м над уровнем моря на Земле начинает резко падать насыщение оксигемоглобина — краткосрочная и долгосрочная адаптация позволяет людям подниматься примерно до 8000 м [менее 356 миллибар атмосферного давления], где никакой адаптации нет. помощь (то есть: "Зона смерти"). Сон становится трудным, переваривание пищи становится невозможным, потенциально смертельный высотный отек легких (HAPE) и высотный отек мозга (HACE) становятся все более распространенными. Люди выживали в течение двух лет на высоте 5950 м [475 миллибар атмосферного давления], что является самой высокой зарегистрированной постоянно переносимой максимальной высотой; самое высокое известное постоянное поселение, Ла-Ринконада, находится на высоте 5100 м. Повышенный уровень самоубийств (причина неизвестна).
  • Предел Армстронга : (на Земле ~18 900 м) при 6,3 кПа, вода кипит при 37°C: слюна с языка, слезы/вода из глазных яблок, вода из альвеол. (*)
  • Без дополнительного кислорода для дыхания время полезного сознания на высоте 26 000 футов составляет 4–6 минут на высоте 30 000 футов; 1-2 м и на высоте 38 000 футов; За 30 секунд или меньше до того, как летчик скончался от гипобарической гипоксии. При <1 фунт/кв. дюйм потеря сознания наступает примерно через 14 с, за это время кровь идет от легких к мозгу.
  • Слишком высокое давление: асептический некроз кости (длительный). Респираторный ацидоз (и, в конечном счете, токсичность) (CO2), наркоз инертным газом (N2), окислительный стресс (O2), нервный синдром высокого давления (HPNS), который возникает при 10-15 ATA. Специально обученные и экипированные (читай: очень специфические, неестественные (гелиевые, неазотные) газовые смеси и т. д.) люди пережили 70 АТА в течение ограниченного периода времени.
  • Влияет на точки кипения и испарения всех видов химических веществ.
• Океанические приливы
  • Приливы пропорциональны массе / расстоянию ^ 3 (Земля: солнечные приливы составляют около 45% от лунных приливов (взаимодействуют как весенние или неапские приливы)). География влияет на жесткость этих базовых линий на фактических береговых линиях. Больше лун == больше проблем с приливами; отмена, преувеличение, очень сложные таблицы приливов.
  • Приливы и приливные бассейны могут быть причиной смешивания химических веществ (и среды для их процветания), что могло способствовать эволюции жизни.
• Летучие вещества: (вода) / Должна быть вода
  • Слишком много воды, и вы радикально измените атмосферу и химические петли обратной связи (*) .
  • Вода необходима для дыхания (альвеолы, воздухообмен). В покое скорость потерь только от дыхания колеблется не менее 7-20 мл/ч, при физической нагрузке при частоте сердечных сокращений 140 ударов в минуту 60-70 мл/ч (в зависимости от температуры и влажности). Если вы дышите, вы теряете воду.
  • Регуляция тепла: потоотделение происходит при перегреве по сравнению с температурой окружающей среды; люди могут потеть в холодных условиях, если тренируются. Если вы работаете (охота, сельское хозяйство, собирательство), вы почти всегда будете потеть.
  • Мочеиспускание: удаление телесных отходов использует воду. Постоянное отсутствие мочеиспускания приведет к накоплению токсинов, отказу печени и других органов.
• Диапазон температур поверхности:
  • Слишком жарко: гипертермия. Смерть через 10 м при чрезвычайно влажной (т.е. без потоотделения) жаре 60°C.
  • Слишком холодно: Гипотермия. Смерть после того, как температура ядра человека достигает 21°C, но акклиматизация и т. д. влияют на этот момент. Также; особый тип гибернации.
  • NASA (1958) говорит о неопределенном выживании при температуре 4-35°С и влажности 50%. С несколько более высокими температурами можно справиться, если влажность будет снижена, а потребление воды будет обильным.
  • Потеря внутренней температуры значительно усиливается за счет испарения ветра/пота.
• Должна быть еда
  • Основой пищевой цепи обычно являются «растения», преобразующие энергию (солнечную (хлорофилл), геотермальное тепло) в химическую энергию.
  • Питательные вещества/микроэлементы (необходимые из рациона: биотин, кальций, холин, хром, медь, клетчатка, флавоноиды, фолиевая кислота, йод, железо, магний, марганец, омега-3 жирные кислоты, пантотеновая кислота, фосфор, калий, белок, соль, селен , витамин А, витамин В1 - тиамин, витамин В12 - кобаламин, витамин В2 - рибофлавин, витамин В3 - ниацин, витамин В6 - пиридоксин, витамин С, витамин D (добавочный), витамин Е, витамин К, цинк) и другие различные расстройства.
  • Люди не производят все аминокислоты, необходимые им для жизни.
  • Потребление калорий зависит от образа жизни, возраста и пола/размера/безжировой массы тела (среди прочих факторов):
    • взрослые самцы: 2000-2600 оседлых, 2200-2800 умеренно активных, 2400-3000 активных.
    • взрослые самки: 1600-2000 сидячих, 1800-2200 умеренно активных, 2000-2400 активных.
• Обычно растения выращивают в почве.
  • Неправильная атмосфера приводит к негостеприимным почвенным условиям https://scienmag.com/researchers-explore-possibilities-of-growing-plants-on-mars/

Особые случаи

• Тектонически-замкнутый
• В основном замороженный
• Поверхность Безводная (Дюна)
  • Или нет/очень мало свободной воды.
• Вся вода (Европа)
  • В настоящее время, по определению вопроса, это непригодное для жизни место.

(Исходный источник этого изображения: http://i.livescience.com/images/i/000/049/907/i02/human-survival-limits-120809g-02.jpg?1344571431 )