Welche Bedingungen machen diesen bewohnbaren Mond plausibel?

In dieser Antwort werde ich versuchen, zwei Hauptprobleme anzusprechen, die sich auf die Bewohnbarkeit Ihres Mondes auswirken:

• Atmosphärenretention
• Absorption von Sonnenstrahlung

Sie müssen zweifellos die Parameter Ihres Planeten anpassen, um die gewünschten Wettermuster zu erhalten. Diese beiden Faktoren scheinen jedoch im Hinblick auf die Bewohnbarkeit am wichtigsten zu sein.

Bevor ich mich mit dem Unkraut befasse, hier ist eine Liste mit Definitionen für Variablen, die ich verwenden werde:

• $R_m$, der Radius des Mondes
• $M_m$, die Masse des Mondes
• $L_{s}$, die kombinierte durchschnittliche Leuchtkraft des Drei-Sonnen-Systems
• $D$, die Entfernung des Planeten-Mond-Systems vom Drei-Sonnen-System
• $G\approx 6.7\cdot 10^{-11} \space\text{Nm}^2/\text{kg}^2$, die Gravitationskonstante
• $k\approx 1.4\cdot 10^{-23}\space \text{J}/\text{K}$, die Boltzmann-Konstante

Okay, los geht's! (Anmerkung: Ich muss irgendwo unten einen Rechenfehler gemacht haben. Hoffentlich beeinflusst das meine Schätzungen nicht zu sehr und sie liegen immer noch in der richtigen Größenordnung. Bonuspunkte, wenn Sie einen Fehler finden!)

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Atmosphärenretention

Egal wie massiv oder kalt Ihr Planet ist, er wird immer kontinuierlich etwas von seiner Atmosphäre verlieren (solange diese Atmosphäre gasförmig ist). Dies liegt daran, dass nicht alle atmosphärischen Gasmoleküle die gleiche Geschwindigkeit haben – ihre Geschwindigkeiten sind gemäß der Maxwell-Boltzmann-Verteilung zufällig . Zu jeder Zeit werden sich einige der Moleküle schnell genug bewegen, um zu entkommen. Die Frage ist: Wie lange soll Ihre Atmosphäre anhalten?

Die Fluchtgeschwindigkeit für Ihren Mond ist ungefähr gleich

$$v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM_m}{R_m}}$$ und die quadratische Mittelgeschwindigkeit von Gasmolekülen in einem Temperaturgas$T$ist gleich $$v_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{3kT}{2m}}$$ Wo$m$ist die Masse des betreffenden Gasmoleküls. Willst du sicher nicht$v_{\text{rms}}>v_{\text{esc}}$, oder Ihre ganze Atmosphäre ist im Handumdrehen verschwunden. Sie brauchen also zumindest

$$\sqrt{\frac{3kT}{2m}} \lt \sqrt{\frac{2GM_m}{R_m}}$$

oder für ein Molekül zweiatomigen Sauerstoffs

$$\frac{M_m}{R_m T} \approx 2.92\cdot 10^{12}\frac{\text{kg}}{\text{m}\cdot\text{K}}$$

Für einen Mond von der Größe von Deimos (der mit ziemlicher Sicherheit viel kleiner ist als Ihrer) und mit einer durchschnittlichen Oberflächentemperatur, die der der Erde entspricht, beträgt die linke Seite dieser Ungleichung ungefähr$8.3\cdot 10^{8}$. Das liegt deutlich unter dieser rudimentären Obergrenze – so weit, so gut.

Lassen Sie uns etwas pingeliger werden. Erinnern Sie sich, was ich zuvor darüber gesagt habe, dass ein Teil der Atmosphäre Ihres Planeten immer entweichen wird?

Unter der Annahme, dass die Tiefe der Atmosphäre im Vergleich zum Radius des Planeten vernachlässigbar klein ist, haben wir, dass die Oberfläche der Atmosphäre, die dem Weltraum ausgesetzt ist, ungefähr ist$4\pi R_m^2$. Gemäß der Maxwell-Boltzmann-Verteilung gilt, wenn$T$die Durchschnittstemperatur ist, dann ist der Anteil, der zu einem bestimmten Zeitpunkt Fluchtgeschwindigkeit erreicht hat, gleich

$$\begin{align}\alpha_{\text{esc}} &= 2\sqrt{2\pi}\int_{\sqrt{GM_m m/kTR_m}}^\infty v^2 e^{-v^2}dv\\ &= \frac{2\xi e^{-\xi^2}+\sqrt{\pi}\text{erfc}(\xi)}{4}\\ &\sim \frac{\xi e^{-\xi^2}}{2} \end{align}$$ für relativ kleine Werte von$\xi$, Wo $$\xi=\sqrt{\frac{GM_m m}{kT}}$$

Lassen Sie uns als Schätzung die Masse und den Radius des Mondes und die Oberflächentemperatur der Erde verwenden (und zweiatomige Sauerstoffmoleküle berücksichtigen). Dies ergibt ungefähre Werte von

$$\xi\approx 18.5$$ $$\alpha\approx 2.13\cdot 10^{-148}$$ Yowza, das ist ein winziger Wert von$\alpha$! Das Volumen der Atmosphäre, das im Laufe von entweichen würde$t$Sekunden wären ungefähr gleich $$4\pi\alpha R_m^2 v_{\text{esc}} t$$ Aber ich werde nicht weiter mit den Berechnungen fortfahren. Der Wert von$\alpha$ist so mikroskopisch klein, dass es die anderen Faktoren im obigen Ausdruck im Grunde überwältigt. Sieht so aus, als wäre die Atmosphäre Ihres Planeten wahrscheinlich sicher!

Wenn Sie wirklich sicherstellen möchten, dass Ihre Atmosphäre sicher ist, empfehle ich die folgenden zusätzlichen Vorsichtsmaßnahmen:

• Machen Sie Ihren Planeten schön und dicht. Das hält$R_m$niedrig, während der Wert von erhöht wird$M_m$, was machen wird$\alpha$noch kleiner.
• Geben Sie Ihrem Mond und dem Planeten, den er umkreist, ein kräftiges Magnetfeld, um atmosphärenzerstörende kosmische Strahlen abzulenken.

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Absorption von Sonnenstrahlung

Jetzt zum einfachen Teil! Dies wird nicht annähernd wie oben beschrieben involviert sein.

Ich behaupte, dass jeder beliebige Punkt auf der Oberfläche Ihres Mondes ungefähr ausgibt$1/4$der Zeit im Tageslicht und$3/4$der Zeit im Dunkeln, unter folgenden Annahmen:

• keine Gezeitensperre, wie in der Frage angegeben
• Die Umlaufbahn des Mondes ist unabhängig von der Position des Planeten, den er um die Sonne umkreist
• Der Gasriese ist im Vergleich zum Mond massiv
• Die drei Sterne in diesem ternären Sternensystem sind relativ nahe beieinander und sehr weit von dem Planeten und seinem Mond entfernt

Warum? Nun, ungefähr$1/2$der Zeit ist der Mond auf der gegenüberliegenden Seite des Planeten, also erhält er kein Licht. Nur wenn es auf der beleuchteten Seite des Planeten ist$1/2$der Mondoberfläche zu jeder Zeit beleuchtet ist. Somit wird jeder Punkt auf der Mondoberfläche (mit Ausnahme der Pole) beleuchtet$(1/2)(1/2)=1/4$der ganzen Zeit.

Das heißt, um ein erdähnliches Klima und eine erdähnliche Temperatur aufrechtzuerhalten, muss etwas diese längere Nachtzeit kompensieren. Hier sind ein paar Vorschläge:

• Größere Menge an Sonneneinstrahlung. Immerhin gibt es drei Sterne im System.
• Erhöhte Leuchtkraft$L_s$der Sterne.
• Kleinere Distanz$D$von den drei Sternen. Es müsste jedoch nicht viel kleiner sein, da Intensität auf Distanz$D$ist proportional zu$1/D^2$.
• Niedrigere Albedo , um zu vermeiden, dass Sonnenenergie wegreflektiert wird.
• Viele Treibhausgase helfen dabei, Sonnenstrahlungsenergie einzufangen.

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Hier sind einige andere Spekulationen darüber, wie Ihr Mond aussehen könnte:

• Sie haben erwähnt, dass Sie keine Gezeitensperre haben wollten, aber wenn sich auf der Oberfläche des Planeten eine erhebliche Menge flüssiges Wasser befindet, wird die Anziehungskraft des Gasriesen eine erhebliche Kraft darauf ausüben . Zumindest könnte dies zu einem sehr extremen Anstieg und Abfall der Gezeiten führen (verstärkt durch die geringe Schwerkraft des Planeten), wodurch riesige Gezeitenzonen auf der Oberfläche des Planeten entstehen.
• Wie oben erwähnt, wird der Tag-Nacht-Zyklus auf dem Mond verrückt sein, nichts wie der reguläre Halbtag-Halbnacht-Zyklus der Erde. Es wird einen langen Abschnitt der Dunkelheit geben (wenn der Mond hinter dem Planeten steht), gefolgt von einer Reihe von Tag-Nacht-Zyklen, deren Länge von der Rotationsgeschwindigkeit des Mondes abhängt, und dann einer Rückkehr zur Dunkelheit. Ich frage mich, wie sich dies auf die zirkadianen Rhythmen von Tieren und den Photoperiodismus von Pflanzen auf der Oberfläche auswirken wird?
• Da der Mond viel Zeit auf der dunklen Seite des Planeten verbringt, ist ein Einfrieren/Auftauen üblich. Da die Temperaturen schnell steigen und fallen, wenn sich der Mond in den Schatten des Planeten hinein- und wieder herausbewegt, können Sie als Ergebnis verrücktes Wetter erwarten (denken Sie an massive Wirbelstürme).

Wenn Sie vorhaben, Geschichten zu schreiben, die auf Planeten oder Monden spielen, die für Menschen und andere fortgeschrittene vielzellige Lebensformen mit einer ähnlichen Biochemie wie auf der Erde mehr oder weniger bewohnbar sind, müssen Sie sich eine Kopie von Stephen H. Dole, Habitable Planets , besorgen für den Menschen (1964, 2007).

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf[1]

Es ist eine wohlbekannte Tatsache, dass einige Lebensformen auf der Erde in Umgebungen gedeihen, in die Menschen sofort sterben würden, wenn sie dorthin teleportiert würden, wie z. B. meilenweit in der Luft, meilenweit tief im Ozean oder meilenweit unter der Erde in Felsen. Und Menschen würden auch schnell sterben, wenn sie auf den größten Teil der Oberfläche des Planeten Erde teleportiert würden, wie z. B. die Oberfläche des Ozeans, die Oberfläche von Wüsten, die Oberfläche von Eisschilden usw., obwohl einige Lebensformen der Erde an diesen Orten gedeihen.

Die meisten wissenschaftlichen Diskussionen über die Bewohnbarkeit anderer Welten diskutieren ihre Bewohnbarkeit für Lebensformen, die jeder Art von Leben auf der Erde im Allgemeinen ähneln, nicht für große Landschwellungstiere wie Menschen im Besonderen. Daher werden in den meisten wissenschaftlichen Diskussionen viele mögliche Welten als bewohnbar aufgeführt, die für ungeschützte Menschen, die dorthin teleportiert werden, sofort tödlich wären.

Aus diesem Grund ist Habitable Planets for Man besonders nützlich für Science-Fiction-Autoren.

Dole beschreibt die Reihe von Sterntypen, die geeignet sind, bewohnbare Planeten in einer Umlaufbahn um sich herum zu haben. Da es Milliarden von Jahren dauert, bis ein Planet für Menschen bewohnbar wird, muss der Stern Milliarden von Jahren auf der Hauptreihe bleiben. Glücklicherweise bleiben Typ-G- und Typ-M-Sterne lange genug auf der Hauptreihe. Es besteht eine beträchtliche wissenschaftliche Unsicherheit darüber, ob rote Zwergsterne der Klasse M bewohnbare Planeten haben können, daher möchten Sie wahrscheinlich, dass Ihr Gasriese und Ihr bewohnbarer Mond den Stern vom Typ G umkreisen.

Hier ist ein Link zum Wikipedia-Artikel über mehrere Sternensysteme.

https://en.wikipedia.org/wiki/Star_system#:~:text=Mehrere%2Dstar%20Systeme%20werden%20angerufen oder%20septenary%20mit%20seven%20stars.[2]

Und beachten Sie besonders die hierarchische Struktur mehrerer Sternensysteme, die alt genug sind, um bewohnbare Planeten zu haben.

https://en.wikipedia.org/wiki/Star_system#Hierarchical_systems[3]

Ihr Dreifachsternsystem besteht also wahrscheinlich aus einem Sternenpaar und einem einzelnen Stern, und die Entfernung zwischen dem Sternenpaar und dem einzelnen Stern ist wahrscheinlich ein Vielfaches der Entfernung zwischen den Sternen im Paar - möglicherweise Zehner, Hunderter , oder sogar tausendmal so weit.

Ihr riesiger Planet und Ihr bewohnbarer Mond könnten in einer Umlaufbahn vom Typ S um einen der Sterne oder in einer zirkumbinären oder P-Umlaufbahn um zwei der Sterne kreisen. Aufgrund der hierarchischen Struktur von Mehrsternsystemen scheint es jedoch höchst unwahrscheinlich, dass ein Planet, der alle drei Sterne umkreist, nahe genug an einem der Sterne kreisen könnte, um bewohnbare Temperaturen zu haben.

https://en.wikipedia.org/wiki/Habitability_of_binary_star_systems[4]

Es wurden Beispiele für Exoplaneten in S-Typ-Umlaufbahnen und andere in P-Typ-Umlaufbahnen entdeckt.

Wenn Ihr Riesenplanet und Ihr bewohnbarer Mond einen Stern in einer Umlaufbahn vom Typ S umkreisen, ist es wahrscheinlicher, dass es sich um einen Stern der Klasse G als um einen Stern der Klasse M handelt, obwohl ein Mond, der mit seinem Planeten statt mit seinem Stern gezeitengebunden ist, einige davon vermeiden würde Probleme damit, einen bewohnbaren Planeten eines Roten Zwergs der Klasse M zu haben. Sie sagen, dass Sie Ihren Mond nicht durch Gezeiten an seinen Planeten binden wollen, was ein Problem sein wird.

Wenn Ihr Riesenplanet und Ihr bewohnbarer Mond zwei Sterne in einer zirkumbinären oder P-Typ-Umlaufbahn umkreisen, handelt es sich eher um den Stern der Klasse G und einen Roten Zwerg der Klasse M als um zwei Rote Zwerge der Klasse M.

Aufgrund der hierarchischen Struktur eines Dreifachsternsystems sollten nur ein Stern oder zwei Sterne, die dem Planeten und der bewohnbaren Mondumlaufbahn nahe genug sind, sichtbare Scheiben am Mondhimmel haben. Die anderen zwei Sterne oder ein Stern sollten als zwei Punkte oder ein Lichtpunkt am Mondhimmel erscheinen, obwohl wahrscheinlich extrem hell.

Science-Fiction-Autoren und Wissenschaftler haben die Möglichkeit von Leben auf planetengroßen Exomonden in Betracht gezogen, die riesige Exoplaneten umkreisen.

https://en.wikipedia.org/wiki/Habitability_of_natural_satellites#:~:text=Die%20Bewohnbarkeit%20von%20natürlichen%20Satelliten haben%20Umgebungen%20gastfreundliche%20bis%20Leben.&text=Gezeitenkräfte%20sind%20wahrscheinlich%20zu ,potentielle%20Bewohnbarkeit%20von%20natürlichen%20Satelliten.[5]

Heller, Rene; Rory Barnes (2012). "Exomoon-Bewohnbarkeit, eingeschränkt durch Beleuchtung und Gezeitenheizung" Astrobiology. 13 (1): 18–46 ist eine wichtige wissenschaftliche Diskussion über die Bewohnbarkeit von Exomonden, die es wert ist, studiert zu werden.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3549631/[6]

Ein weiterer wichtiger Artikel ist:

Heller, René (September 2013). "Magnetische Abschirmung von Exomonden jenseits des zirkumplanetaren bewohnbaren Randes". Die Briefe des astrophysikalischen Journals. 776 (2): L33.

https://arxiv.org/abs/1309.0811[7]

Vielleicht möchten Sie auch meine Antworten auf Fragen überprüfen wie:

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/175614/temperatures-on-an-earth-with-a-week-long-rotational-period/175719#175719[8]

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/174597/gibt-es-einen-plausiblen-weg-um-einen-gasriesen-mit-zwei-oder-mehr-earth-to-mars-size-zu-haben/ 174624#174624[9]

https://worldbuilding.stackexchange.com/questions/174401/what-types-of-flora-would-flourish-on-a-tidally-locked-moon/174453#174453[10]

Da ich aus einigen der oben genannten Quellen zitiere.