Was wäre, wenn sich Erde und Mond wie Pluto und Charon umeinander drehen würden?

Sie tun es , aber aufgrund des sehr unterschiedlichen Massenverhältnisses scheinen sie dies nicht zu tun, da sich der Mond nur um (das Zentrum der) Erde zu drehen scheint.

Das Verhältnis der Massen von Erde und Mond ist$\frac{M_{Earth}}{M_{Moon}} = 81.3$während für Pluto und Charon das gleiche Verhältnis gilt$\frac{M_{Pluto}}{M_{Charon}} = 8.09$.

Da das Verhältnis von Pluto und Charon relativ klein ist, liegt das Zentrum des Systems – das Baryzentrum, um das die beiden Körper kreisen – irgendwo auf einer Linie, die zwischen den Massenzentren der beiden Himmelskörper gezogen wird. Aber für Erde und Mond, weil die Erde proportional viel schwerer ist, reicht der Schwerpunkt des Systems nicht außerhalb der Erde, sondern ist etwa 4.500 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernt (siehe auch das Foto unten):

In Fällen, in denen eines der beiden Objekte erheblich massiver als das andere ist (und relativ nahe beieinander liegt), befindet sich der Schwerpunkt typischerweise innerhalb des massiveren Objekts. Anstatt mit dem kleineren Körper einen gemeinsamen Massenmittelpunkt zu umkreisen, sieht man den größeren einfach leicht "wackeln". Dies ist der Fall für das Erde-Mond-System, wo das Baryzentrum im Durchschnitt 4.671 km vom Erdmittelpunkt entfernt liegt , gut innerhalb des Planetenradius von 6.378 km. Quelle: Wikipedia - Baryzentrum

Der Haupteffekt dieses Co-Rotationssystems besteht darin, dass die Erde auf ihrer Umlaufbahn zu "wackeln" scheint, wie im Zitat von Wikipedia oben erwähnt.

@JeppeStigNielsen macht in den Kommentaren unten einen guten Punkt zu den Unterschieden bei der Gezeitensperre. Im Erde-Mond-System ist nur der Mond gezeitengebunden (was dazu führt, dass wir nur eine Seite davon sehen, also nur etwa die Hälfte davon, von der Erde), während in Pluto-Charon beide Körper gezeitengebunden sind. Die Erde ist aufgrund des höheren Massenverhältnisses zwischen ihr und dem Mond nicht gezeitengesperrt, aber das Pluto-Charon-System mit dem geringeren Massenverhältnis ist es, da das Charon mit geringerer Masse Plutos Rotation langsam geändert hat, um sich seiner Umlaufbewegung anzupassen.

Auf Schwerpunkten

Das Pluto-Charon-Paar unterscheidet sich hinsichtlich der Umlaufbahnen qualitativ nicht vom Erde-Mond-Paar. Wie in anderen Antworten darauf hingewiesen wurde, drehen sich die beiden Körper in beiden Fällen umeinander, dh sie werden am besten so beschrieben, dass sie um ihr Baryzentrum kreisen.

Physikalisch gesehen ist die auf das Baryzentrum des Erde-Mond-Systems zentrierte Referenz "galileischer" als die auf das geometrische Zentrum der Erde zentrierte Referenz: Wenn Sie hochpräzise Messungen physikalischer Systeme auf der Erde durchführen, werden Sie einige " Jitter", der zeigt, dass die Erde nicht wirklich galiläisch ist. Das meiste davon ist auf die Erdrotation zurückzuführen (das Zittern wird am bekanntesten durch das Foucault-Pendel demonstriert), aber selbst wenn Sie die Rotation berücksichtigen, erhalten Sie immer noch einige Reststörungen, die von der Rotation der Erde um das Baryzentrum Erde-Mond herrühren. (Und wenn Sie diese reparieren, erhalten Sie immer noch einige aufgrund der Erdumdrehung um die Sonne – wirklich, der Umdrehung der Erde um das Baryzentrum des Sonnensystems – und dann einige aufgrund der Rotation der Galaxie und so weiter , aber sie sind immer schwieriger zu erkennen.)

Über Gezeiten

Wenn zwei runde Körper einander umkreisen, neigen sie dazu, in eine "Gezeitenverriegelung" zu gehen: Ihre individuelle Rotationsgeschwindigkeit synchronisiert sich mit der Umdrehung, so dass die beiden Körper im Endeffekt immer die gleiche Hemisphäre zueinander halten. Pluto und Charon sind auf diesem Schritt. Der Mond ist auch gezeitenabhängig mit der Erde verbunden: Wir sehen immer dieselbe Hemisphäre (tatsächlich sehen wir ein bisschen mehr als die Hälfte des Mondes, weil er ein bisschen wackelt). Die Erde ist nicht gezeitenabhängig ... noch nicht. Aber am Ende wird es so sein.

Tatsächlich üben die Erde und der Mond Gezeitenkräfte aufeinander aus. Dies lässt sich am einfachsten durch die Betrachtung der Umlaufgeschwindigkeit erklären: Wenn ein sehr kleiner Satellit einen großen Planeten umkreist, muss er eine Geschwindigkeit haben, die von der Höhe des Satelliten abhängt: Je weiter der Satellit entfernt ist, desto langsamer fliegt er (z. B. Satelliten mit niedriger Umlaufbahn). zoomen Sie mit etwa 8 km/s heran, während der Mond mit gemächlichen 1 km/s oder so geht). Aber der Mond ist ziemlich sperrig: Sein Radius beträgt etwas mehr als 1700 km. Das bedeutet, dass, wenn das Zentrum des Mondes mit der richtigen Geschwindigkeit für seine Umlaufbahn geht, die Felsen auf der anderen Seite des Mondes 1700 km weiter von der Erde entfernt sind und daher ein bisschen zu schnell für diese Umlaufbahn sind, also wollen sie gehen . In ähnlicher Weise sind die Felsen auf der nahen Seite des Mondes 1700 km näher an der Erde und bewegen sich daher zu langsam: Sie neigen dazu, auf die Erde zu "fallen".

Das Phänomen ist symmetrisch: Die Erde erfährt auch Gezeitenkräfte vom Mond. Tatsächlich erfahren sowohl die Erde als auch der Mond Gezeitenkräfte aus dem Gravitationspaar Erde-Mond. Dies erzeugt Gezeiten, bei denen sich Wasser als Reaktion auf die Kräfte bewegt; Felsen nicht, weil sie Felsen sind, dh unter normalen Bedingungen nicht sehr flüssig - sie würden sich gerne bewegen, sind aber zu starr dafür.

Die Gezeitenkräfte stehen irgendwie der Erde entgegen, die sich schneller dreht als die 27 Tage für eine Erde-Mond-Umdrehung, und die Rotationsenergie wird langsam zerstreut: Ein Teil davon wird zufällig in die Gravitationskopplung Erde-Mond injiziert, die sie auseinander treibt einander (es wurde dank Reflektoren von Raumsonden und Apollo-Missionen gemessen: Der Mond flieht uns mit einer Geschwindigkeit von etwa 38 mm pro Jahr); der Rest geht durch die Reibung des bewegten Wassers verloren und wird so letztendlich in Wärme umgewandelt, die in den Weltraum abgestrahlt wird.

Fazit: Die Erdrotation verlangsamt sich. Zum Beispiel hätte ein Tag zur Zeit der Dinosaurier (der Großen, nicht der Vögel) etwa 22 Stunden gedauert. Die Verlangsamung ist in Zeitnehmerkreisen als ΔT bekannt .

Jedoch...

Selbst wenn die Erde durch die Gezeiten mit dem Mond verbunden wird, wird es immer noch Gezeiten geben (zumindest, wenn es zu diesem Zeitpunkt noch flüssiges Wasser gibt, was nicht selbstverständlich ist, da die Energieabgabe der Sonne in 5 Milliarden Jahren voraussichtlich stark sinken wird in). Tatsächlich erzeugt das Sonne-Erde-Paar auch Gezeitenkräfte. Die Gezeitenkräfte zwischen Erde und Mond sind etwa doppelt so stark, also sind die durch den Mond verursachten Gezeiten größer, aber in einer Situation, in der die Gezeiten gesperrt sind, sollten wir immer noch Gezeiten beobachten, die von der Sonne verursacht werden – aber in einem kleineren Maßstab.

(Ohne den Mond würde sich die Erde letztendlich mit der Sonne und einer 365-tägigen Rotation verbinden – natürlich unter Verwendung der heutigen Länge für einen Tag. Ich bin mir nicht ganz klar darüber, was aus dem Sonne-Erde-Mond-System werden soll sehr langfristig; aber es scheint, dass dies noch weitgehend offene Forschung ist, insbesondere weil andere Planeten in der Mischung sind, was zu einer sehr komplexen Situation führt.)

TLDr-Antwort:

Beide Antworten sind sehr gut. Es gibt ein paar weitere Details zu beachten, wenn wir uns alle Was-wäre-wenns in diesem amüsanten, aber verrückten Szenario ansehen wollen.

Wie bereits erwähnt, ist das Größenverhältnis 8 zu 1, nicht 81 zu 1, also wäre der Charon-ähnliche Mond für den Anfang viel größer am Himmel. Der Mond mit etwa 10-facher Masse und einer etwas höheren Dichte aufgrund geringfügiger Verdichtung wäre bei gleicher Entfernung immer noch 2,1-mal so groß im Durchmesser, was ihn am Nachthimmel 4-mal so hell machen würde. Ein Vollmond wäre ziemlich beeindruckend. Vielleicht (gerade noch) hell genug zum Lesen, wenn es ein großes Lehrbuch wäre. (Einige Leute behaupten, jetzt bei Mondlicht lesen zu können, die meisten Leute können es nicht, aber 4 mal heller, ein Vollmond könnte gerade hell genug sein.

Sonnenfinsternisse würden häufiger und dauern etwa doppelt so lange, und Sie könnten denken, dass die Erde etwas kälter wäre, weil der Mond etwas Sonnenlicht blockiert, aber der Mond, ob Sie es glauben oder nicht, strahlt mehr Wärme auf die Erde aus, als er blockiert, weil dies der Fall ist Der beleuchtete Mond, der uns zugewandt ist, hat tagsüber fast 400 Grad Fahrenheit und es ist nicht schwer zu erkennen, dass eine Oberfläche mit dieser Temperatur etwas Wärme ausstrahlt. Nicht viele, aber einige. Eine Frage dazu hier, also etwas mehr als das Vierfache der Energie (ohne Berücksichtigung der Sonnenfinsternisverluste), etwa 1/2.500 der Sonnenwärme, könnte nachts bei Vollmond auf 1/10 Grad hinauslaufen. Sicherlich nicht viel, aber mit empfindlichen Instrumenten für jeden messbar. Die Helligkeit und Größe des Mondes wäre offensichtlich deutlicher als etwa 1/10 von 1 Grad Temperatur (C nicht F).

Ein Mond dieser Masse würde die Erdrotation deutlich schneller verlangsamen, bereits erwähnt, aber bei diesem hier müssen wir uns etwas Gedanken machen. Als der Mond entstand, war er viel näher an der Erde, etwa 3-5 mal den Erdradius entfernt. Quelle. Das ist außerhalb der Hügelsphäre, und die Entstehung des Mondes ließ die Erde sehr schnell rotieren, sodass die Auswirkungen (schnell rotierende Erde, sehr starke Mondfluten) immer noch da wären, aber die Mondfluten wären 10-mal größer, also suchen wir bei Gezeiten auf Erdbebenniveau, wenn der Mond mit der 10-fachen Masse 3-5 Erdradius entfernt war. Da der Mond während seiner Bildung nicht viel Drehimpuls hätte, würde er sich schnell in eine gezeitengebundene Rotation um die Erde einpendeln. Der 10-mal größere Gezeiteneffekt auf der Erde würde (ungefähr) das 10-fache der Gezeitenwölbung auf der Erde verursachen, was den Mond etwa 10-mal schneller von der Erde wegdrücken würde, aber gleichzeitig verlangsamt sich der Gezeitenwiderstand die Erde, wäre auch 10 mal so groß (ich nehme an, das entspricht etwa 10 mal so schnell).

Im Grunde würden also Mond und Erde dem System folgen, in dem sie sich jetzt befinden, aber bei einem Mond mit der 10-fachen Masse würde es ungefähr 10-mal so schnell voranschreiten. Die Schätzung (hier) ist, dass es ungefähr 50 Milliarden Jahre dauern wird, bis der Mond die Erde genug verlangsamt hat, um in die Gezeitensperre einzutreten, also teilen Sie das durch 10, wir wären heute sehr nah an einer Gezeitensperre. Die Erde würde sich sehr langsam drehen. Der Mond wäre (wahrscheinlich) auch etwas weiter von der Erde entfernt und hätte wahrscheinlich aufgrund von Sonnenstörungen eine wackeligere Umlaufbahn und wäre vielleicht vollständig entkommen. Dies ist ein kompliziertes Stück Mathematik, das ich lieber nicht versuchen möchte (bei der aktuellen Masse des Mondes wird die Sonne roter Riese, lange bevor entweder der Mond entkommt oder die Erde gezeitengesperrt wird, aber mit einem Mond, der zehnmal so massiv ist ' Dies ist wahrscheinlich nicht mehr der Fall, und entweder ist der Mond verschwunden oder der Mond ist weiter entfernt, hat eine längere Umlaufbahn und die Erde befindet sich in oder nahe der Gezeitensperre. Wenn der Mond entweicht, hätten wir ein Objekt in der Nähe der Erdumlaufbahn von enormer Größe, das später mit uns zusammenstoßen oder an der Erde vorbei schwingen und unsere Umlaufbahn verändern könnte - jeder Effekt und einfach der Effekt, keinen Mond zu haben, wäre enorm.

Diskussion über die Mond-/Erdflucht vs. Gezeitensperre hier

Wenn wir von einer vollständigen Gezeitensperre ausgehen, 29,5 Tage (synodisch, nicht sidreal) und einen Mond etwas weiter draußen, so könnten wir etwa 30 bis vielleicht 40 Tage für 1 Erdrotation betrachten, das sind 20 Tage Sonnenschein, 20 Tage Nacht. Das würde die Wettersysteme und Jahreszeiten absolut durcheinanderbringen. Tag zu Nacht hätte einen größeren Effekt als Sommer vs. Winter, und die Sommertage wären sengend, obwohl einige Regionen aufgrund von Regenfällen gut ausfallen könnten. Die Evolution könnte sich wahrscheinlich daran anpassen, aber für mich klingt das nicht nach Spaß. Durch die größere Entfernung könnte der Mond am Nachthimmel nur dreimal so hell sein, statt viermal so hell. Trotzdem immer noch ziemlich hell. Sie würden an den Polen immer noch 6 Monate Sonne und 6 Monate Nacht bekommen, aber für den größten Teil der Erde wäre dies eine radikale Veränderung mit so langen Tagen und Nächten.

Andere mögliche Auswirkungen, Schiefe (kein Mond, vielleicht größer, ein größerer Eiszeittreiber), siehe hier . Auch wenn die Erde immer noch den Mond hätte, aber der Mond sich in einer längeren Umlaufbahn befände, hätten wir immer noch Gezeiten, wenn sich der Mond in Apogäum und Perogäum hinein- und hinausbewegt. siehe Bild

Quelle

Unter dem Strich würde sich, obwohl wir vielleicht nicht viel darüber nachdenken, ein Mond einer anderen Größe tatsächlich ziemlich viel verändern. Ein kleinerer Mond würde sich langsamer von der Erde entfernen und die Erde könnte vielleicht durch Einfangen einen zweiten Mond haben, wenn der Mond kleiner wäre, könnten wir auch aggressivere Eiszeiten und Klimaveränderungen aufgrund einer größeren Neigungsvariation haben und, Angenommen, der riesige Aufprall geschieht immer noch auf ähnliche Weise, aber mit einer geringeren Menge an Trümmern (was keinen Sinn ergibt, aber so tun, als ob), dann hätte ein kleinerer Mond die Erdrotation nicht so stark verlangsamt und die Erde könnte sich ziemlich drehen etwas schneller, 10 oder 15 Stunden statt 24 Stunden. Die Auswirkungen wären ziemlich signifikant.