Warum dreht sich die Erde um ihre eigene Achse?

Die vorherrschende Hypothese zur Entstehung des Mondes ist, dass vor 4,5 Milliarden Jahren ein marsgroßes Objekt mit der Urerde kollidierte. Die Erde dreht sich jetzt wegen dieser Kollision vor 4,5 Milliarden Jahren.

Wie die verknüpfte Frage zeigt, ist der Drehimpuls eine Erhaltungsgröße. So wie etwas passieren muss, damit ein sich bewegendes Objekt seinen linearen Impuls ändert, muss etwas passieren, damit ein rotierendes Objekt seinen Drehimpuls ändert. Dieses „Etwas“ heißt Kraft beim Impuls, Drehmoment beim Drehimpuls.

Auf die Erde wirken äußere Drehmomente. Gezeitenkräfte übertragen Drehimpuls von der Erdrotation auf die Umlaufbahn des Mondes. Der Mond entstand kurz nach diesem gewaltigen Einschlag vor 4,5 Milliarden Jahren ziemlich nahe an der Erde, und ein Tag dauerte damals wahrscheinlich nur vier bis sechs Stunden. Vor einer Milliarde Jahren hatte sich der Mond deutlich zurückgezogen und die Erde verlangsamt, sodass ein Tag 18 bis 21 Stunden lang war. Die Erde hat sich weiter verlangsamt und wird dies auch weiterhin tun.

Wenn diese externen Drehmomente nicht existieren würden, hätten wir immer noch eine sich schnell drehende Erde.

Wie David Hammen betont, sind individuelle Wechselwirkungen und Kollisionen äußerst wichtig bei der Bestimmung der individuellen Drehungen von Planeten, und die Erklärung, die eine sehr große mondbildende Kollision beinhaltet, ist mit ziemlicher Sicherheit ein Hauptfaktor bei der Bestimmung der ursprünglichen Drehung der Erde. Es gibt jedoch grundlegendere Gründe, warum sich alle Planeten drehen sollten und dass sich der Spinvektor in Ermangelung katastrophaler Kollisionen oder anderer späterer Wechselwirkungen ungefähr mit dem Bahndrehimpuls ausrichten sollte.

Das Sonnensystem entstand durch den Gravitationskollaps eines instabilen Kerns, der sich selbst in einer turbulenten Gaswolke im interstellaren Medium gebildet hätte. Wenn man einfach ein Volumen aus einem turbulenten Gas nimmt, hat es unweigerlich einen bestimmten Drehimpuls, selbst wenn die gesamte Wolke einen Nettodrehimpuls von Null hat.

Wenn der Kern zusammenbricht, dreht er sich, aber die Erhaltung des Drehimpulses führt zu einer abgeflachten Materialscheibe, die die Protosonne umkreist. Aufgrund seines Drehimpulses kann es nicht direkt auf die Protosonne akkretieren.

Nach einigen Millionen Jahren beginnt sich die Scheibe zu klären. Die Einzelheiten dieses Prozesses sind kaum verstanden, aber es scheint, dass ein Teil des Gases angesammelt, ein Teil davon weggeblasen und ein Teil davon zu Staub und kleinen "Planetensimalen" koaguliert wird. Diese Planetesimale umkreisen die Sonne und kleben schließlich zusammen oder bilden in den äußeren Teilen des Sonnensystems Gas, um die Planeten zu bilden.

Stellen Sie sich eine rotierende Scheibe aus Gas und Planetesimalen vor. Keplers 3. Gesetz sagt uns diese Umlaufzeit$P$hängt mit der Entfernung von der Sonne zusammen$a$als$P^2 \propto a^3$. Daher Umlaufgeschwindigkeit$v \propto a^{-1/2}$und spezifischer Bahndrehimpuls$L \propto a^{1/2}$.

Stellen Sie sich nun einen Protoplaneten vor, der Material von der ihn umgebenden Scheibe ansammelt. Material wird sowohl innerhalb als auch außerhalb seiner aktuellen Umlaufbahn angesaugt. Das Material innen und außen hat einen unterschiedlichen spezifischen Bahndrehimpuls, aber die Dichte der Scheibe nimmt auch mit dem Radius ab. Die Akkretion wird ein Drehmoment auf den Protoplaneten ausüben. Die Details sind knifflig - ich habe versucht, mir eine Methode für die Berechnung auf der Rückseite des Umschlags auszudenken, bin aber gescheitert. Für die inneren terrestrischen Planeten wird es viel Stochastik geben, da die letzten Kollisionen den größten Drehimpuls verleihen und die Dinge vollständig verändern könnten. Die Gasriesen sind vorhersehbarer, die Gasströmungen neigen dazu, einen Spindrehimpuls in die gleiche Richtung wie den Bahndrehimpuls zu übertragen, obwohl selbst hier Turbulenzen innerhalb der Scheibe auftreten. Magnetfelder und Migration nach innen oder außen durch die Scheibe führt zu mehr (schwer zu modellierender) Komplexität. Das Bild unten ist eine Momentaufnahme (der Gasdichte) aus einer Simulation, die von Richard Nelson am Queen Mary College in London durchgeführt wurde. Sie können sich wahrscheinlich anhand dieses Bildes davon überzeugen, dass der Protoplanet Drehimpuls mit einer Vektorrichtung in das Bild hinein akkretiert, die die gleiche Richtung wie der Bahndrehimpuls in der Simulation ist.

Der Punkt ist, dass immer ein gewisser Drehimpuls von der protoplanetaren Scheibe akkretiert wird, selbst wenn keine größeren Kollisionsereignisse vorliegen.

Nachdem die Scheibe das gebildete Planetensystem verlassen hat, sind die Gezeitenkräfte das wichtigste Problem im Erde-Mond-System. Gezeitendrehmomente übertragen allmählich Drehimpuls von der Erddrehung auf die Erde-Mond-Umlaufbahn.

Mir sind keine detaillierten Messungen bekannt, die den Spin-Down der anderen Planeten im Sonnensystem offenbaren.