Wie groß sind die Tag- und Nachtschwankungen eines Mondes, der einen Planeten von der Größe des Jupiters umkreist?

Dies wird zu einer sehr langen Antwort.

Jeder Planet oder bewohnbare Mond hat wahrscheinlich eine ziemlich konstante Durchschnittstemperatur.

Zu jedem Zeitpunkt befindet sich beispielsweise die Hälfte der Erde im Tageslicht und wird von der Sonne erwärmt, während die andere Hälfte der Erde in der Nacht liegt und abkühlt.

Zu jedem beliebigen Zeitpunkt – außer während der Tagundnachtgleiche zweimal im Jahr – wird eine Hemisphäre der Erde längere Tage und kürzere Nächte haben und sich von Tag zu Tag aufheizen, und die andere Hemisphäre der Erde wird kürzere Tage und längere Nächte haben und wird Abkühlung von Nacht zu Nacht. Natürlich sagen Sie, dass Ihr Mond keine axiale Neigung und somit keine Jahreszeiten hat, also gibt es viel weniger Unterschiede, die gemittelt werden müssen.

Jeder Unterschied gleicht sich am Ende aus, sodass die Durchschnittstemperatur der Erde im Laufe der Zeit gleich bleibt, außer insofern langfristige Trends eine allmähliche Erwärmung oder Abkühlung verursachen.

Ein astronomischer Körper erwärmt sich mit der Energie seines Sterns, bis seine Wärmestrahlung in den Weltraum so weit ansteigt, dass er der Strahlungsmenge entspricht, die er vom Stern empfängt, plus etwas mehr.

Die zusätzliche Wärme wird innere Wärme sein, die von der Bildung des Planeten übrig bleibt, plus innere Wärme von radioaktiven Materialien plus Gezeitenerwärmung, die auf einem Mond eines Riesenplaneten mit möglicherweise anderen Monden stark sein wird. Der astronomische Körper erwärmt sich, bis seine Wärmestrahlung in den Weltraum pro Sekunde seiner gesamten Wärmezufuhr aus allen Quellen pro Sekunde entspricht, die die Strahlung seines Sterns, die innere Wärme, die von seiner Entstehung übrig bleibt, und die innere Wärme von Radioaktivität plus plus Gezeitenheizung umfasst. Dann befindet sich der astronomische Körper im thermischen Gleichgewicht und seine durchschnittliche Gesamttemperatur, gemittelt über seine gesamte Oberfläche, Hydrosphäre und Atmosphäre, bleibt konstant, es sei denn, seine Wärmequellen nehmen mit der Zeit zu oder ab.

Die Länge der Tage und Nächte hat also keinen Einfluss auf die durchschnittliche Temperatur des Mondes zu irgendeinem Zeitpunkt oder gemittelt über die Zeit. Aber es wird beeinflussen, wie heiß ein bestimmter Fleck auf dem Planeten tagsüber wird und wie kalt ein bestimmter Fleck auf dem Planeten nachts wird.

Je länger der Tag an einem Ort ist, desto heißer wird es dort im Laufe des Tages. Je länger die Nacht an einem Ort ist, desto kälter wird dieser Ort während der Nacht. Je länger also die Tage und Nächte auf Ihrem Mond sind, desto größer werden die Temperaturextreme zwischen Tag und Nacht.

Auf der Erde gibt es mit axialer Neigung und Jahreszeiten große Schwankungen in der Länge von Tag und Nacht mit der Zeit und auch mit dem Breitengrad. Indem Sie Ihrem Mond keine axiale Neigung geben, haben Sie die Hauptursache für Schwankungen in der Länge von Tag und Nacht auf der Erde beseitigt. Tag und Nacht werden an jedem Ort der Erde und zu jeder Zeit immer gleich lang sein.

Aber da der Mond in Ihrer Geschichte ein Sphäroid ist, wird das Licht des Sterns in verschiedenen Breitengraden unterschiedliche Intensität haben. Am Äquator erscheint der Stern senkrecht nach oben in einem Winkel von 90 Grad, während er in Richtung der Pole in einem Winkel von 45 Grad erscheint (wodurch die Lichtstrahlen weniger dicht pro Kubikfläche der Oberfläche verteilt werden), und an den Polen wird der Stern dies tun erscheinen in einem Winkel von null Grad am Horizont.

Je höher also der Breitengrad, desto kälter sind die Oberfläche, das Wasser und die Luft bei Tag und Nacht. Daher sollten konstante heiße starke Winde vom Äquator nach Norden und Süden in Richtung der Pole wehen und konstante kalte schwache Winde, die von den Polen zum Äquator wehen.

Wenn der Mond in Ihrer Geschichte Dinge hat, die ihn für die meisten Arten von Geschichten interessant machen, wie fortgeschrittene mehrzellige Lebensformen wie Pflanzen und Tiere, intelligente Eingeborene oder Bewohnbarkeit für Menschen (die unter anderem Sauerstoff in der Atmosphäre benötigen), sollte er das haben existierte mit ziemlich konstanten Temperaturen für Milliarden von Jahren, da die Erde Milliarden von Jahren brauchte, um einen dieser Zustände zu erreichen, und jede große Temperaturänderung während dieser Zeit hätte alles Leben auf dem Planeten ausgelöscht.

Der Stern in Ihrem System muss also einen Spektraltyp haben, der es ihm ermöglicht, Milliarden von Jahren lang ziemlich gleichmäßig zu leuchten, bevor er sich in einen Roten Riesen und dann in einen Weißen Zwerg verwandelt und alles Leben auf seinen Planeten zerstört.

Wenn Ihre Welt also ein Planet wäre, der einen Stern umkreist, hätte er Milliarden von Jahren lang eine stabile elliptische Umlaufbahn mit geringer Exzentrizität – die einem Kreis sehr nahe kommt – um seinen Stern haben müssen.

Aber wenn Ihre Welt ein Mond ist, der einen Planeten umkreist, dann ist es der Planet, der Milliarden von Jahren lang eine stabile elliptische Umlaufbahn mit geringer Exzentrizität haben muss - die sich einem Kreis annähert - um seinen Stern.

Wenn ein Gasriesenplanet einen Mond bildet oder einen wandernden Körper einfängt und ihn zu einem Mond macht, werden Gezeitenwechselwirkungen zwischen dem Gasriesenplaneten und dem Mond schnell – in nur Millionen von Jahren – die Umlaufbahn des Mondes in eine fast kreisförmige um den Äquator verwandeln des Planeten und sollte auch die axiale Neigung des Mondes so anpassen, dass sie mit der des Planeten übereinstimmt.

Damit die axiale Neigung des Mondes Null ist, sollte die axiale Neigung des Gasriesenplaneten also auch Null sein.

Die axialen Neigungen der Planeten des Sonnensystems betragen 82,23 Grad (Uranus), 28,32 Grad (Neptun), 26,73 Grad (Saturn), 25,19 Grad (Mars) – alle höher als die der Erde – 23,44 Grad (Erde), 3,13 Grad (Jupiter), 2,64 Grad (Venus) und 0,03 Grad (Merkur) - alle niedriger als die der Erde.

Es scheint also durchaus möglich, dass ein riesiger Planet, den Ihr Mond umkreist, eine sehr geringe axiale Neigung hat, und somit auch Ihr Mond eine sehr geringe axiale Neigung hat.

Aber du hast geschrieben:

Um die unregelmäßigen Tage zu bekommen, arbeite ich mit einem bewohnbaren Mond. Es dauert 3 volle Erdtage (72 Stunden), bis sich der bewohnbare Mond um den Planeten dreht. 1,5 dieser Tage (36 Stunden) werden im Licht verbracht, während sich weitere 1,5 (36 Stunden) auf der Schattenseite des Planeten befinden. Allerdings dreht sich auch der Mond selbst, wobei ich mir im Moment nicht sicher bin, mit welcher Geschwindigkeit. Ich denke, eine volle Rotation würde zwischen 20 und 36 Stunden dauern, aber ich bin bereit für so viel oder so wenig wie nötig, wenn es beim Wärmeproblem hilft. Mit ziemlicher Sicherheit würden die Tageslicht- und Dunkelstunden variabel sein, abgesehen von einer periodischen etwas längeren Dunkelzeit hinter dem Planeten.

Derselbe Prozess der Gezeitenbewegungen, der die Umlaufbahn eines Mondes in nur wenigen Millionen Jahren kreisförmig machen würde, sollte jedoch auch die Rotation des Mondes in nur wenigen Millionen Jahren an den Planeten binden. Nach nur wenigen Millionen Jahren würde immer eine Seite des Mondes dem Planeten zugewandt und eine Seite des Mondes immer vom Planeten abgewandt sein. Und das würde Milliarden von Jahren dauern, bevor natürliche Prozesse den Mond interessant genug für Ihre Geschichte machten.

Ihre Vorstellung von einer Umlaufzeit von etwa 72 Erdstunden und einer Rotationsdauer von etwa 23 bis 36 Stunden ist also nicht sehr plausibel.

Bei einem gezeitengesperrten Mond mit einer Umlaufzeit und Rotationsperiode von jeweils 72 Stunden hätte die dem Planeten abgewandte Außenseite des Mondes 36 Stunden lang Sonnenlicht, wenn sich der Mond in der Hälfte der Umlaufbahn näher am Stern befindet, und würde 36 Stunden lang in Dunkelheit sein, wenn der Mond in der Hälfte der Umlaufbahn weiter vom Stern entfernt wäre.

Bei einem gezeitengesperrten Mond mit einer Umlaufzeit und einer Rotationsperiode von jeweils 72 Stunden hätte die dem Planeten zugewandte Innenseite des Mondes 36 Stunden lang Sonnenlicht, wenn sich der Mond in der Hälfte der Umlaufbahn weiter vom Stern entfernt befände, und würde 36 Stunden lang in Dunkelheit sein, wenn der Mond in der Hälfte der Umlaufbahn näher am Stern war.

Aber die 36 Stunden Tageslicht, in denen die Innenseite des Mondes weiter vom Stern entfernt war, würden wahrscheinlich durch eine Sonnenfinsternis unterbrochen werden, wenn der Mond in den Schatten des Riesenplaneten überging. Diese Sonnenfinsternis sollte vergleichsweise kurz sein. Ich denke, dass ich bei der Beantwortung einer anderen Frage aufgrund der relativen Größe des Planeten und der Umlaufbahn des Mondes dachte, dass die Sonnenfinsternis nicht länger als etwa ein Viertel oder ein Drittel der Periode sein könnte, in der sich der Mond auf der anderen Seite des Planeten befand weg von der Sonne, und leicht viel weniger als das.

Die Innenseite Ihres Mondes könnte manchmal von einem oder mehreren großen inneren Monden verfinstert werden, die zwischen Ihren Mond und den Stern geraten können, wenn Ihr Mond der Vater des Sterns und nicht des Planeten ist.

Beide Seiten Ihres Mondes können manchmal von einem oder mehreren großen äußeren Monden verfinstert werden, die zwischen Ihren Mond und den Stern gelangen können, unabhängig davon, wo sich Ihr Mond relativ zum Stern und zum Planeten befindet.

Wenn der Riesenplanet, den Ihr Mond umkreist, nur geringfügig über die Umlaufbahn eines inneren Riesenplaneten hinausgeht, wobei die beiden Umlaufbahnen viel näher beieinander liegen als die Umlaufbahnen aller Planeten in unserem Sonnensystem, dann immer dann, wenn der sich etwas schneller bewegende innere Planet den Planeten einholt der Mond umkreist, könnte er einen Schatten werfen, der groß und lang genug ist, um den äußeren Planeten und den bewohnbaren Mond zu erreichen und sie zu verdunkeln. Abhängig von den Orbitalfaktoren kann dies zwischen einmal jede Erdwoche oder so und einmal alle paar Erdjahre geschehen.

Wenn Sie möchten, dass Ihr bewohnbarer Mond noch nicht gezeitenabhängig mit dem Riesenplaneten verbunden ist und keine synchrone Rotation hat, muss er sehr jung sein und noch keine natürlich entwickelte, für Menschen bewohnbare Biosphäre haben.

Vielleicht könnte es also eine künstlich und unnatürlich entwickelte Biosphäre geben, die für Menschen bewohnbar ist, geschaffen von superfortschrittlichen Außerirdischen, die den Mond terraformten und ihn mit fortgeschrittenen Lebensformen wie Tieren und Pflanzen besäten.

Oder vielleicht war der Mond ursprünglich ein unabhängiger Planet, der seinen Stern Milliarden Jahre lang auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn umkreiste und eine für Menschen bewohnbare Biosphäre entwickelte, bis er sich dem Riesenplaneten zu nahe näherte und von dem Riesenplaneten eingefangen wurde.

Der Mond könnte eine Rotationsperiode von 23 bis 36 Erdstunden gehabt haben, bevor er in eine 72-Stunden-Umlaufbahn um den Riesenplaneten eingefangen wurde. Der Riesenplanet würde die Rotation seines Neumondes allmählich verlangsamen, um seiner 72-stündigen Umlaufzeit zu entsprechen, aber er hat sie bisher möglicherweise nur geringfügig verlangsamt.

Da Sie möchten, dass Ihre Welt ein bewohnbarer Mond eines größeren Planeten ist, sollten Sie alle Fragen zu solchen bewohnbaren Monden nachschlagen.

Meine Antwort hier enthält Links zu anderen Fragen zu bewohnbaren Monden und sogar zu einer wissenschaftlichen Arbeit.

Was ist die maximale Umlaufzeit meines Mondes um meinen Planeten? 1

Beachten Sie, dass ein großer bewohnbarer Mond eines Gasriesenplaneten wahrscheinlich eine Umlaufzeit von einigen Erdtagen haben würde. In unserem Sonnensystem haben die großen Monde der Riesenplaneten Umlaufzeiten von 1,77 Erdentagen (Io von Jupiter) bis 16,69 Erdentagen (Callisto von Jupiter) und 15,945 Erdentagen (Titan von Saturn).

Beachten Sie auch, dass berechnet wird, dass das Jahr eines Planeten mindestens 9-mal so lang sein muss wie der Monat des Mondes dieses Planeten, damit der Mond eine stabile Umlaufbahn hat.

Wenn also das Jahr Ihres Mondplaneten genau 9-mal so lang ist wie der Monat Ihres Mondes, wäre es zwischen 15,23 Erdentagen und 150,21 Erdentagen lang, und natürlich könnte das Jahr Ihres Mondplaneten viel mehr als 9-mal so lang sein so lang wie der Monat deines Mondes. Das Jahr Ihres Mondplaneten könnte wahrscheinlich bis zu ein paar Erdjahre lang werden, wenn dieser Planet und der Mond in der bewohnbaren Zone ihres Sterns kreisen.

Im Vergleich dazu haben bekannte Exoplaneten, die wahrscheinlich in den bewohnbaren Zonen ihrer Sterne kreisen, Jahre, die zwischen 4,05 Erdentagen und 384,8 Erdentagen lang sind.

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

PS Siehe meine Antwort auf diese Frage:

Längstmögliche Sonnenfinsternis im Doppelsternsystem 3

Eine weitere Option für unregelmäßige Tag-Nacht-Zyklen könnte ein nicht kugelförmiger Körper sein, wie der Marsmond Phobos, der sich um eine seltsame Achse dreht (und nicht um eine, die mit der Ebene der Ekliptik übereinstimmt). Ich habe die Berechnungen nicht durchgeführt, aber Ihre Tag / Nacht-Zyklen sind in diesem Szenario möglicherweise nicht von gleichbleibender Länge, obwohl ich mir ziemlich sicher bin, dass sie sich regelmäßig wiederholen würden.

(Für das, was es wert ist, habe ich mir Darth Vaders TIE-Jäger vorgestellt, der in den Weltraum stürzt, nachdem er 1977 aus dem Graben des Todessterns ausgestoßen wurde.)

Beginnen Sie mit Ihrem Mond. Wie andere bereits erwähnt haben, ist es sehr wahrscheinlich, dass seine Umlauf- und Rotationsperioden miteinander verbunden sind. Mit der 72-Stunden-Umdrehung hat es also auch eine 72-Stunden-Umdrehung.

Dies bedeutet jedoch nicht einen langweiligen 72-Stunden-Tag/Nacht-Zyklus für den gesamten Mond. Wo Sie sich auf dem Mond befinden, hat einen tiefgreifenden Einfluss auf den Hell-Dunkel-Zyklus.

Der Bereich des Planeten, der einem normalen Tag/Nacht am nächsten kommt, wäre die Rückseite, die Seite, die immer vom Planeten abgewandt ist. Während der Hälfte der Umlaufbahn des Mondes, wenn er sich auf der „Tagseite“ des Planeten befindet, bewegt sich die Sonne für den 36-Stunden-„Tag“ durch den Himmel. Auf der "Nachtseite" des Planeten wird diese Seite des Mondes wahrscheinlich den einzig wahren Nachthimmel haben. Sowohl am Tag- als auch am Nachthimmel wird manchmal der andere Mond sichtbar sein, dessen genauer Zeitplan davon abhängen würde, welche Art von Resonanz die beiden Monde (oder mehr!) miteinander haben. Die Größe der Sonnenfinsternis hängt von der Größe und Entfernung zum anderen Mond ab. Wenn Sie davon ausgehen, dass sie sich auf derselben Ebene befinden, kann eine tägliche Sonnenfinsternis garantiert werden. Abhängig davon, wie die Orbitalebenen ausgerichtet sind, haben Sie möglicherweise nie einen "Vollmond".

Die "Vorderseite" Ihres Mondes hat einen viel stärker variierenden Lichtzyklus. Zum einen wird der Planet immer am Himmel sein. Er wird 25 (oder mehr) mal größer sein als der Mond am Himmel der Erde. Auf der „Tagseite“ des Planeten wird es technisch gesehen „Nacht“ sein, da die Sonne auf der anderen Seite des Mondes scheint. Der massive "Full"-Planet am Himmel wird die Landschaft jedoch sehr effektiv erhellen. Während der Morgen- und Abenddämmerung haben Sie die Sonne am Himmel, aber sie wird den größten Teil des Tages verfinstert, wenn sich der Mond auf die „Nachtseite“ des Planeten bewegt.

Lösung

Um Schwankungen im Tag-Nacht-Muster zu erhalten, benötigen Sie einen Mond, der nicht gezeitenabhängig ist. Dafür könnten Sie einen ähnlichen Aufbau wie Pluto verwenden, bei dem Charon (der nächstgelegene Mond von Pluto) etwas mehr als 10% der Masse besitzt, die Pluto besitzt. Charon stört die Umlaufbahnen der anderen Pluto-Monde. Was dazu führt, dass sie nicht gezeitenabhängig mit Pluto verbunden sind.

Berechnungen

Sie sagten, Sie brauchen Hilfe bei der Mathematik, also ist hier ein Beispiel, das Ihnen einen möglichen Aufbau zeigt. Für ein anderes Setup werde ich Ihnen sagen, was Sie ändern müssen.

(Benötigte) Formeln

• Erdanziehungskraft:$F = G \cdot \frac {m}{r^2};$F = Kraft, G =$6.673 \cdot 10^{-11}$(Gravitationskonstante), m1 = Masse des Planeten, r = Abstand zwischen Planet und Mond (normalerweise gibt es noch einen anderen$m$für die Masse des Mondes, aber die zweite Gleichung verwendet dasselbe, also können wir es schneiden)
• Zentripetalkraft:$F = \frac {v^2}{r} = \frac {4 \pi^2}{T^2} \cdot r;$v = Geschwindigkeit des Mondes, T = Zeit für einen Umlauf (normalerweise wäre da die$m$für den Mond, aber wir schneiden ihn von der anderen Gleichung ab, also müssen wir hier dasselbe tun)
  • Die Länge in Metern der Umlaufbahn:$d = 2\pi r$d = Bahnlänge

Das ist alles, was wir brauchen, um Schwankungen festzustellen.

Beispiel

• Hauptplanetenmasse:$1.899 \cdot 10^{27}$(Jupiter)

• Entfernung zwischen Planet und Mond 1 000 000 km/ 1 000 000 000 m (wenn man von unserem Sonnensystem ausgehen kann, dass die meisten Monde mit der Größe, von ähnlichen Lebensformen bewohnt zu werden, in etwa dieser Entfernung liegen )

Für die Gravitationsvorhersage erhalten wir folgendes:$F = 6.673 \cdot 10^{-11} \frac{1.899 \cdot 10^{27}kg}{1000000000^2m} = 0.1267N$

Diesen Wert für F werden wir nun verwenden, um unsere Geschwindigkeit zu bestimmen:

Zuerst nehmen wir die Gleichung aus dem Abschnitt Formel:$F = \frac {v^2}{r}$und schalten Sie es um, um unsere Geschwindigkeit zu erhalten:$v^2 = F \cdot r$

Und jetzt setzen wir unsere Zahlen ein:$v^2 = 0.1267N \cdot 1000000000m = 126 700 000$und weil wir die tatsächliche Geschwindigkeit wollen, nicht das Quadrat der Geschwindigkeit, ziehen wir die Wurzel daraus und kommen auf 11 256,11 m/s.

Jetzt brauchen wir die Länge der Umlaufbahn$2\pi 1000000000m = 2\pi \cdot 10^{9}$Wenn wir die Entfernung durch die Geschwindigkeit teilen, erhalten wir die Zeit, die für eine Umrundung benötigt wird:$\frac {2\pi \cdot 10^{9}m}{11256m/s}= 558202.22s$das sind 6,46 Tage oder ziemlich genau 155 Stunden. Um die Zeit zu verlängern oder zu verkürzen, ändern Sie einfach den Abstand r vom Planeten zum Mond (kleiner kürzer als 155 Stunden/größer länger als 155 Stunden).

Abschluss

Wenn wir davon ausgehen, dass sich der Mond alle 30 Stunden um sich selbst dreht, würde dies dazu führen, dass sich die Tages-/Nachtzeit alle 5 Tage um 5 Stunden verschiebt (30*5 = 150 5 Stunden weniger als 155). Und unter der Annahme, dass jedes Mal, wenn der Mond hinter dem Planeten steht, er die Sonne blockieren würde. Das bedeutet, dass sich das Muster alle 30 Tage wiederholen würde (5*6 = 30 => Verschiebung des Lichts/Dunkels um einen ganzen Tag Licht)

Denn der Mond würde im Vergleich zur Tageszeit des Mondes 5 Stunden später in den Fleck hinter dem Planeten eintreten. Und nach 6 Umdrehungen um den Planeten wäre es dasselbe wie 30 Tage zuvor.

Ich hoffe, dieser letzte Teil ist verständlich, aber mir fällt keine bessere Erklärung ein. Auch die Zeit, die der Mond benötigt, um sich um sich selbst zu drehen, kann frei gewählt werden.

Wenn Ihr bewohnbarer Mond durch Gezeiten mit dem Riesenplaneten verbunden ist, wird die Tag-/Nachtdauer von der Rotationsperiode des Mondes bestimmt. Zum Beispiel dauert es für den Erdmond 29,5 Erdtage.

Wenn der Mond den Riesen sehr eng umkreist, dann (nur für seine Planetenseite) wären Sternfinsternisse eine regelmäßige Sache, während nachts der Himmel durch das reflektierte Licht des Riesen wunderschön beleuchtet wird. Für die „dunkle Seite“ des Mondes wäre der Tag/Nacht-Zyklus unbeeinflusst.

Andere Monde können nachts zur Lichtmenge beitragen, aber das wäre eine relativ kleine Sache, abgesehen von den Nachthimmelbildern.

Wenn der Mond NICHT gezeitenabhängig mit dem Riesen verbunden ist, wird seine eigene Rotation die Tage je nach Rotationsgeschwindigkeit kürzer oder länger machen. Es ist jedoch wissenschaftlich zweifelhaft, unter den angegebenen Bedingungen einen nicht fixierten Mond zu haben.

Es ist auch wichtig zu sagen, dass die Tag-/Nachtstunden NICHT variabel, sondern sehr regelmäßig sind. Nur auf der Planetenseite des Mondes können Sternfinsternisse ziemlich unregelmäßig sein.