Каковы дневные и ночные колебания луны, вращающейся вокруг планеты размером с Юпитер?

Это превращается в очень длинный ответ.

Любая планета или обитаемая луна, скорее всего, будут иметь довольно постоянную среднюю температуру.

Например, в любой момент половина Земли находится в дневном свете и нагревается Солнцем, а другая половина Земли находится в ночи и остывает.

В любой данный момент — кроме равноденствий два раза в году — в одном полушарии Земли дни будут длиннее, а ночи короче, и оно будет нагреваться день ото дня, а в другом полушарии дни будут короче, а ночи длиннее. охлаждаться от ночи к ночи. Конечно, вы говорите, что у вашей Луны нет наклона оси и, следовательно, нет времен года, поэтому будет гораздо меньше различий для усреднения.

Каждая разница в конце концов усредняется, поэтому средняя температура Земли остается неизменной с течением времени, за исключением тех случаев, когда долгосрочные тенденции вызывают постепенное потепление или похолодание.

Астрономическое тело будет нагреваться за счет энергии своей звезды до тех пор, пока его тепловое излучение в космос не увеличится до уровня, равного количеству излучения, которое оно получает от звезды, плюс еще немного.

Дополнительным теплом будет внутреннее тепло, оставшееся от образования планеты, плюс внутреннее тепло от радиоактивных материалов, плюс приливное нагревание, которое будет сильным на спутнике планеты-гиганта с, возможно, другими спутниками. Астрономическое тело будет нагреваться до тех пор, пока его тепловое излучение в космос в секунду не сравняется с его полным подводом тепла от всех источников в секунду, которое включает излучение от его звезды, внутреннее тепло, оставшееся от его образования, и внутреннее тепло от радиоактивности плюс плюс приливный нагрев. Тогда астрономическое тело будет находиться в тепловом равновесии и его средняя суммарная температура, усредненная по всей его поверхности, гидросфере и атмосфере, останется постоянной, за исключением случаев, когда его источники тепла увеличиваются или уменьшаются с течением времени.

Таким образом, продолжительность дня и ночи не повлияет на среднюю температуру Луны в какой-либо конкретный момент времени или на усредненную по времени. Но это повлияет на то, насколько жарко будет в определенном месте на планете в дневное время и насколько холодно в этом месте на планете в ночное время.

Чем длиннее день в каком-либо месте, тем жарче будет в этом месте в течение дня. Чем длиннее ночь в каком-либо месте, тем холоднее в этом месте будет ночью. Таким образом, чем длиннее дни и ночи на вашей Луне, тем больше будет перепад температур между днем ​​и ночью.

На Земле из-за наклона оси и времен года наблюдаются большие колебания продолжительности дня и ночи в зависимости от времени, а также от широты. Не давая вашей Луне наклона оси, вы устранили основную причину колебаний продолжительности дня и ночи на Земле. День и ночь всегда будут одинаковой длины в любой точке планеты и в любое время.

Но поскольку луна в вашей истории представляет собой сфероид, свет от звезды будет иметь разную интенсивность на разных широтах. На экваторе звезда появится прямо под углом 90 градусов, а на пути к полюсам звезда появится под углом 45 градусов (таким образом рассеивая световые лучи менее плотно на кубическую площадь поверхности), а на полюсах звезда будет появляются под углом ноль градусов к горизонту.

Таким образом, чем выше широта, тем холоднее будет поверхность, вода и воздух днем ​​и ночью. Таким образом, должны быть постоянные горячие сильные ветры, дующие с севера и юга от экватора к полюсам, и постоянные холодные слабые ветры, дующие от полюсов к экватору.

Если у луны в вашей истории есть что-то, что делает ее интересной для большинства типов историй, например, продвинутые многоклеточные формы жизни, такие как растения и животные, разумные туземцы или обитаемость для людей (помимо прочего, требующая кислорода в атмосфере), она должна иметь существовала с довольно стабильными температурами в течение миллиардов лет, поскольку Земле потребовались миллиарды лет, чтобы достичь любого из этих условий, и любые большие изменения температуры в течение этого периода убили бы всю жизнь на планете.

Так что звезда в вашей системе должна иметь такой спектральный тип, который позволяет ей довольно стабильно светить в течение миллиардов лет, прежде чем превратиться в красного гиганта, а затем в белого карлика, уничтожившего все живое на своих планетах.

Итак, если бы ваш мир был планетой, вращающейся вокруг звезды, она должна была бы иметь стабильную эллиптическую орбиту с низким эксцентриситетом, близко приближающуюся к окружности, вокруг своей звезды в течение миллиардов лет.

Но если ваш мир — это луна, вращающаяся вокруг планеты, то это планета должна иметь стабильную эллиптическую орбиту с малым эксцентриситетом — близко приближающуюся к окружности — вокруг своей звезды в течение миллиардов лет.

Если газовая планета-гигант формирует луну или захватывает блуждающее тело и превращает его в луну, приливные взаимодействия между газовой планетой-гигантом и луной быстро - всего за миллионы лет - превратят лунную орбиту в почти круговую вокруг экватора. планеты, а также отрегулировать осевой наклон Луны так, чтобы он совпадал с наклоном планеты.

Таким образом, чтобы осевой наклон Луны был равен нулю, осевой наклон планеты-гиганта также должен быть равен нулю.

Осевые наклоны планет Солнечной системы составляют 82,23 градуса (Уран), 28,32 градуса (Нептун), 26,73 градуса (Сатурн), 25,19 градуса (Марс) - все выше земного - 23,44 градуса (Земля), 3,13 градуса (Юпитер), 2,64 градуса. градусов (Венера) и 0,03 градуса (Меркурий) - все ниже земного.

Таким образом, кажется вполне возможным, что планета-гигант, вокруг которой вращается ваша луна, имеет очень низкий осевой наклон, и, следовательно, ваша луна имеет очень низкий осевой наклон.

Но вы написали:

Чтобы получить неустойчивые дни, я работаю с обитаемой луной. Пригодной для жизни Луне требуется 3 полных земных дня (72 часа), чтобы совершить оборот вокруг планеты. 1,5 из этих дней (36 часов) проводятся на свету, а еще 1,5 (36 часов) — на теневой стороне планеты. Однако сама луна тоже вращается, правда, в данный момент я не уверен, с какой скоростью. Я думаю, что полный оборот будет между 20-36 часами, но я готов столько, сколько нужно, если это поможет решить проблему с теплом. Почти наверняка дневные и темные часы будут переменными, за исключением периодического более длительного темного времени за планетой.

Однако тот же самый процесс приливных действий, который сделал бы орбиту Луны круговой всего за несколько миллионов лет, должен также приливно заблокировать вращение Луны относительно планеты всего за несколько миллионов лет. Всего через несколько миллионов лет одна сторона Луны всегда будет обращена к планете, а другая сторона Луны всегда будет обращена от планеты. И это было за миллиарды лет до того, как естественный процесс сделал Луну достаточно интересной для вашей истории.

Таким образом, ваша идея иметь период обращения около 72 земных часов, а также период вращения от 23 до 36 часов не очень правдоподобна.

При заблокированной приливом Луне с периодом обращения и периодом вращения по 72 часа внешняя сторона Луны, обращенная в сторону от планеты, будет иметь солнечный свет в течение 36 часов, когда Луна находится на половине орбиты ближе к звезде, и находился бы в темноте в течение 36 часов, когда луна находилась бы на половине орбиты дальше от звезды.

При заблокированной приливом Луне с периодом обращения и периодом вращения по 72 часа внутренняя сторона Луны, обращенная к планете, будет освещаться солнечным светом в течение 36 часов, когда Луна находится на половине орбиты дальше от звезды, и будет находиться в темноте 36 часов, когда луна находилась на половине орбиты Ближе к звезде.

Но 36 часов светового дня, когда внутренняя сторона Луны была дальше от звезды, вероятно, были бы прерваны затмением, когда Луна вошла в тень планеты-гиганта. Это затмение должно быть сравнительно коротким. Я думаю, что, отвечая на какой-то другой вопрос, я понял из-за относительных размеров планеты и орбиты Луны, что затмение может длиться не более четверти или трети периода, в течение которого Луна находилась на дальней стороне планеты. от солнца, и легко гораздо меньше, чем это.

Внутренняя сторона вашей луны может иногда затмеваться одной или несколькими большими внутренними лунами, которые могут оказаться между вашей луной и звездой, когда ваша луна является отцом звезды, а не планеты.

Любая сторона вашей луны иногда может затмеваться одной или несколькими большими внешними лунами, которые могут оказаться между вашей луной и звездой, независимо от того, где ваша луна находится относительно звезды и планеты.

Если планета-гигант, вокруг которой вращается ваша луна, находится чуть дальше орбиты внутренней планеты-гиганта, причем эти две орбиты намного ближе друг к другу, чем орбиты любых планет в нашей Солнечной системе, то всякий раз, когда внутренняя планета, движущаяся немного быстрее, догоняет планету Луна вращается по орбите, она может отбрасывать достаточно большую и длинную тень, чтобы достичь внешней планеты и обитаемой Луны и затмить их. В зависимости от орбитальных факторов это может происходить от одного раза в земную неделю или около того до одного раза в несколько земных лет.

Если вы хотите, чтобы ваша обитаемая луна еще не была привязана к планете-гиганту приливами и не имела синхронного вращения, она должна быть очень молодой и еще не иметь естественно развитой биосферы, пригодной для жизни людей.

Так что, возможно, у него могла бы быть искусственно и неестественно развитая биосфера, пригодная для проживания людей, созданная суперпродвинутыми инопланетянами, которые терраформировали Луну и заселили ее продвинутыми формами жизни, такими как животные и растения.

Или, может быть, Луна изначально была независимой планетой, вращающейся вокруг своей звезды по почти круговой орбите в течение миллиардов лет, развивая биосферу, пригодную для жизни людей, пока не приблизилась слишком близко к планете-гиганту и не была захвачена планетой-гигантом.

Луна могла иметь период вращения от 23 до 36 земных часов, прежде чем была захвачена на 72-часовой орбите вокруг планеты-гиганта. Гигантская планета постепенно замедляла бы вращение своей молодой луны, чтобы соответствовать ее 72-часовому орбитальному периоду, но, возможно, пока замедлила его лишь незначительно.

Поскольку вы хотите, чтобы ваш мир был обитаемой луной более крупной планеты, вам следует просмотреть все вопросы о таких обитаемых лунах.

Мой ответ здесь содержит ссылки на другие вопросы о обитаемых спутниках и даже на научную статью.

Каково максимальное время обращения моей луны вокруг моей планеты? 1

Обратите внимание, что большая обитаемая луна газовой планеты-гиганта, вероятно, будет иметь период обращения в несколько земных дней. В нашей Солнечной системе большие спутники планет-гигантов имеют период обращения от 1,77 земных суток (Ио Юпитера) до 16,69 земных суток (Каллисто Юпитера) и 15,945 земных суток (Титан Сатурна).

Также обратите внимание, что рассчитано так, что год планеты должен быть как минимум в 9 раз длиннее месяца луны этой планеты, чтобы луна имела стабильную орбиту.

Таким образом, если год вашей лунной планеты ровно в 9 раз длиннее месяца вашей луны, он будет между 15,23 земных дня и 150,21 земного дня, и, конечно, год вашей лунной планеты может быть намного больше, чем в 9 раз. долго, как месяц вашей луны. Год вашей лунной планеты, вероятно, может длиться до нескольких земных лет, если эта планета и луна вращаются в обитаемой зоне своей звезды.

Для сравнения, у известных экзопланет, которые, вероятно, вращаются в обитаемых зонах своих звезд, продолжительность года варьируется от 4,05 земных суток до 384,8 земных суток.

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_potentially_habitable_exoplanets 2

PS Смотрите мой ответ на этот вопрос:

Самое продолжительное затмение в двойной звездной системе 3

Другим вариантом неустойчивых циклов дня и ночи может быть несфероидальное тело, такое как спутник Марса Фобос, которое вращается вокруг странной оси (а не на одной линии с плоскостью эклиптики). Я не проводил расчетов, но ваши дневные и ночные циклы в этом сценарии могут иметь непостоянную продолжительность, хотя я почти уверен, что они будут регулярно повторяться.

(Что бы это ни стоило, я представил истребитель СИД Дарта Вейдера, падающий в космос после того, как он был выброшен из траншеи Звезды Смерти в 1977 году.)

Начните со своей луны. Как уже упоминалось, весьма вероятно, что его орбитальный период и период вращения будут совмещены. Таким образом, с 72-часовым оборотом у него также есть 72-часовой оборот.

Однако это не приводит к скучному 72-часовому циклу дня и ночи для всей Луны. То, где вы находитесь на Луне, окажет сильное влияние на цикл свет/темнота.

Область планеты, которая ближе всего подходит к нормальному дню/ночи, будет задней стороной, которая всегда обращена от планеты. В течение половины оборота Луны, когда она находится на «дневной стороне» планеты, Солнце будет двигаться по небу в течение 36-часового «дня». На «ночной стороне» планеты на этой стороне Луны, вероятно, будет единственное истинное ночное небо. И на дневном, и на ночном небе иногда будет видна другая луна, точное расписание которой будет зависеть от того, какой резонанс имеют две луны (или больше!) друг с другом. Величина солнечного затмения будет зависеть от размера и расстояния до другой луны. Если предположить, что они находятся в одной плоскости, то можно гарантировать ежедневное затмение. В зависимости от того, как выровнены орбитальные плоскости, у вас может никогда не быть «Полнолуния».

«Фронт» вашей луны имеет гораздо более разнообразный световой цикл. Во-первых, планета всегда будет в небе. Она будет в 25 (или более) раз больше, чем Луна на земном небе. Находясь на «дневной стороне» планеты, технически это будет местная «ночь», поскольку солнце будет сиять на другой стороне Луны. Однако массивная «Полная» планета в небе будет довольно эффектно освещать ландшафт. На рассвете и в сумерках в небе будет солнце, но большую часть дня оно будет затмеваться, поскольку луна движется к «ночной стороне» планеты.

Решение

Чтобы получить колебания в схеме дня и ночи, вам нужна луна, которая не заблокирована приливами. Для этого вы можете использовать установку, подобную Плутону, где Харон (ближайший спутник Плутона) имеет чуть более 10% массы, которой обладает Плутон. Харон нарушает орбиты других спутников Плутона. Из-за чего они не связаны приливами с Плутоном.

Расчеты

Вы сказали, что вам нужна помощь с математикой, поэтому вот пример, который показывает вам возможную настройку. Для другой настройки я скажу вам, что нужно изменить.

(Необходимо) Формулы

• Сила гравитации:$F = G \cdot \frac {m}{r^2};$F = Сила, G =$6.673 \cdot 10^{-11}$(гравитационная постоянная), m1 = масса планеты, r = расстояние между планетой и Луной (обычно есть другое$m$для массы луны, но второе уравнение использует то же самое, так что мы можем сократить его)
• Центростремительная сила:$F = \frac {v^2}{r} = \frac {4 \pi^2}{T^2} \cdot r;$v = скорость Луны, T = время для совершения одного оборота (обычно$m$для луны, но мы вырезаем ее из другого уравнения, так что здесь мы должны сделать то же самое)
  • Длина орбиты в метрах:$d = 2\pi r$d = длина орбиты

Это все, что нам нужно для определения колебаний.

Пример

• Основная масса планеты:$1.899 \cdot 10^{27}$(Юпитер)

• Расстояние между планетой и луной 1 000 000 км / 1 000 000 000 м (если наша Солнечная система что-то делает, большинство лун с размером, позволяющим населить подобные формы жизни, находятся примерно на этом расстоянии )

Для Gravitational Forec мы получаем это:$F = 6.673 \cdot 10^{-11} \frac{1.899 \cdot 10^{27}kg}{1000000000^2m} = 0.1267N$

Это значение для F мы теперь будем использовать для определения нашей скорости:

Сначала возьмем уравнение из раздела Формула:$F = \frac {v^2}{r}$и переключите его, чтобы получить нашу скорость:$v^2 = F \cdot r$

А теперь подставляем наши числа:$v^2 = 0.1267N \cdot 1000000000m = 126 700 000$и поскольку нам нужна фактическая скорость, а не скорость в квадрате, мы извлекаем из нее корень и получаем 11 256,11 м/с.

Теперь нам нужна длина орбиты$2\pi 1000000000m = 2\pi \cdot 10^{9}$когда мы делим расстояние на скорость, мы получаем время, необходимое для одного оборота:$\frac {2\pi \cdot 10^{9}m}{11256m/s}= 558202.22s$что составляет 6,46 дня или довольно точные 155 часов. Чтобы увеличить или уменьшить время, просто измените расстояние r от планеты до Луны (меньше меньше 155 часов/больше больше 155 часов).

Заключение

Если мы предположим, что Луна вращается вокруг себя каждые 30 часов, это приведет к смещению времени дня/ночи на 5 часов каждые 5 дней (30*5 = 150, 5 часов меньше 155). И если предположить, что каждый раз, когда Луна находится за планетой, она будет блокировать солнце. Это означает, что шаблон будет повторяться каждые 30 дней (5 * 6 = 30 => смещение света/темноты на полный световой день).

Потому что Луна войдет в пятно за планетой на 5 часов позже, чем в дневное время Луны. А через 6 оборотов вокруг планеты будет так же, как и 30 дней назад.

Я надеюсь, что эта последняя часть понятна, но я не могу придумать лучшего объяснения. Также можно свободно выбирать время, необходимое Луне для обращения вокруг себя.

Если ваша обитаемая луна приливно привязана к планете-гиганту, то продолжительность дня и ночи будет определяться периодом вращения луны. Например, для земной Луны он длится 29,5 земных суток.

Если Луна вращается вокруг гиганта очень близко, то (только для ее планетарной стороны) звездные затмения будут обычным явлением, тогда как ночью небо будет красиво освещено отраженным светом гиганта. Для «темной стороны» Луны смена дня и ночи не пострадает.

Другие луны могут внести свой вклад в количество света в ночное время, но это было бы относительно незначительно, за исключением снимков ночного неба.

Если Луна НЕ привязана к гиганту приливами, ее собственное вращение сделает дни короче или длиннее, в зависимости от скорости вращения. Однако наличие незапертой луны в заявленных условиях с научной точки зрения сомнительно.

Также важно сказать, что дневные и ночные часы НЕ будут переменными, а будут очень регулярными. Только на планетарной стороне Луны звездные затмения могут быть весьма нерегулярными.