Umlaufbahn, Rotation, Masse und andere Eigenschaften, die nicht direkt mit dem Leben zusammenhängen

Ein Planet ist eine rotierende Masse (mit einem Durchmesser von mehr als 500 km) in einer Umlaufbahn um den Stern aus normaler Materie, die aufgrund der Schwerkraft zu einem abgeflachten Sphäroid wird (keine Würfel oder andere Formen). Die IAU definiert einen Planeten auch so, als hätte er seine Nachbarschaft gesäubert.

• Orbitale Eigenschaften:

  • Die Entfernung von den Hauptsternen beeinflusst die Oberflächentemperaturen (flüssiges Wasser) und die Länge des Jahres. Für Planeten, die ausschließlich durch Sonneneinstrahlung erwärmt werden, kann die Temperatur des Planeten mit der Formel für die effektive Temperatur berechnet werden :

    $$T=\left( \frac{L(1-a)}{16 \pi \sigma D^2} \right)^{\frac{1}{4}}$$

    wo$L$ist die Leuchtkraft des Sterns,$a$ist die Albedo des Planeten (ein Maß dafür, wie viel Sternenstrahlung er reflektiert) und$D$ist die Entfernung des Planeten vom Stern.

    Sie können die Tangentialgeschwindigkeit des Planeten und seine Periode für eine perfekt kreisförmige Umlaufbahn berechnen:

    Setze die Gravitationskraft gleich der Zentripetalkraft:

    $$F_g=F_c$$ $$G \frac{Mm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}$$ $$v^2=\frac{GM}{r}$$ $$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}$$ Das ist die Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde. Sie können dann den Zeitraum (in Sekunden) von finden $$T=\frac{2 \pi r}{v}$$ Verwenden Sie für alles SI-Einheiten .

  • Interne Erwärmung, obwohl diese in den meisten Fällen über Milliarden von Jahren abnimmt.
  • Gezeitenkräfte können verwendet werden, um Wärme zu gewinnen, wenn sich der Planet in einer Umlaufbahn um etwas anderes befindet (viele Komplikationen).
  • (Wie berechnen wir die Albedo?)
  • Beachten Sie, dass Planeten in Mehrsternsystemen sehr ungewöhnliche Umlaufbahnen haben werden; aber in einigen Fällen können Umlaufbahnen stabil sein
  • Exzentrizität:
    • Die Exzentrizität einer Umlaufbahn hängt von der Entfernung zwischen dem Planeten und dem Stern am nächsten Punkt ab ($r_p$) und der am weitesten entfernte Punkt ($r_a$): $$e=\frac{r_a-r_p}{r_a+r_p}$$
    • Beispiele: Erde ($e=0.0034-~0.058$), Pluto ($e=0.248$), Quecksilber ($e=0.2056$), Der Halleysche Komet ($e=0.967$), Perns Todesstern.
    • Die Exzentrizität beeinflusst die Schwankungen in der Intensität der empfangenen Sternstrahlung. Je exzentrischer die Umlaufbahn, desto höher die Variation.
  • Keplersche Gesetze:
    • Keplers Gesetze sind sehr wichtig bei der Modellierung von Planetenbahnen.
    • Das erste Gesetz: Alle umkreisenden Körper bewegen sich in Ellipsen. $$r=\frac{p}{1+ \varepsilon \cos \theta}$$
    • Das zweite Gesetz: Die gedachte Linie, die einen umlaufenden Körper und den Zentralkörper verbindet, überstreicht in gleicher Zeit gleiche Flächen. $$P \frac{1}{2}r^2 \frac{d \theta}{dt}= \pi ab$$
    • Das dritte Gesetz: Das Quadrat der Periode des umkreisenden Körpers ist proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse des Körpers. $$\frac{T^2}{r^3}=\frac{4 \pi}{GM}$$
    • Aber Hufeisenbahnen sind mit zwei oder mehr Körpern in nahen Umlaufbahnen möglich.
• Axiale Neigung (Erde =$23\text { deg}$) wird die Existenz und Amplitude der Jahreszeiten beeinflussen. Ein Planet mit einer axialen Neigung von null hat minimale Jahreszeiten, während einer mit$90\text { deg}$. Tilt hat nur eine Seite, die dem Stern zugewandt ist, auch ohne Gezeitenverriegelung. Die axiale Neigung bestimmt die Tag/Nacht-Längenvariation während Nicht-Tagundnachtgleiche-Zeiten; länger im Sommer jeder Hemisphäre.
• Milankovitch-Zyklen : Apsidenpräzession und axiale Präzession
• Gezeitengebundene/orbitale Resonanz (Merkur (nicht ganz gezeitengebunden), (viele) alle roten Zwergsterne umkreisenden Planeten in bewohnbarer Reichweite)
• Rotationsperiode
  • Länge der Tage und Nächte.
  • Bei Tagundnachtgleiche sind die Tage aufgrund der atmosphärischen Brechung und der Größe Ihrer Sonne länger als die Nächte (Sonnenaufgang/-untergang treten auf, wenn die Sonne zum ersten Mal sichtbar/nicht mehr sichtbar ist). Je länger der Tag, desto mehr solare Erwärmung erfolgt und desto weniger Abkühlung auf der Nachtseite, was zu Temperaturextremen führt – ohne atmosphärischen Ausgleich. (Wie lange ist zu lang? Gibt es ein zu kurzes?)
  • Die Dämmerung (hell genug für Outdoor-Aktivitäten) tritt auf, wenn die Sonne 6 Grad unter dem Horizont steht und (auf der Erde) 25-30 m lang ist.
  • Die Zentrifugalkraft hebt die Schwerkraft auf. Am Äquator der Erde (wo sie am stärksten ist) ist sie 0,35 % so stark wie die Schwerkraft (oder -0,0035 g). Eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit auf 84 Minuten/Tag würde die Schwerkraft der Erde vollständig ausgleichen.
  • Die Coriolis-Kraft ist direkt proportional zur Winkelgeschwindigkeit (Erdkraft).$7.272 × 10^{-5} \text{rad/s}$)
  • Gezeiten verringern die Rotation: Die Erde verliert 20 Millionstel einer Sekunde pro Jahr
• Größe:
  • Unterirdische Größe: zu klein und keine Langzeitatmosphäre
    • (siehe Dichte)
  • Erdähnlich: Gesteinsplanet
  • Superterrans/Super-Earths: 2-10x mal massiver als die Erde. Ein Planet, der größer als der zweifache Erdradius ist, beginnt, sich in das Gebiet der Gasriesen zu bewegen / bildet sich nicht durch normale planetare Akkretion.
  • Chthonian: Gesteinsplanet (Gasriese ohne Atmosphäre; weggeblasen)
  • Gasriesen: enthalten Wasserstoff und Helium, zu klein, um ein weißer Zwerg/Stern zu werden
• Dichte:
  • Das Verhältnis von Metall zu Gestein spiegelt sich normalerweise im Größenunterschied zwischen Kern und Mantel wider. Dies wird weitreichende Folgen für die vulkanische Aktivität und die verschiedenen natürlichen Kreisläufe wie den Kohlenstoffkreislauf haben.
    • Ein dichterer Planet (metalllastiger) wird auch eine höhere Masse und eine höhere Oberflächengravitation haben.
    • Sonnensystem: Die Erde ist am dichtesten$5.5\text{ gm/cm}^{3}$, und Saturn am wenigsten$0.7\text{ gm/cm}^{3}$
• Schwere: $$g = \frac{G \times M}{r^{2}}$$
  • Wo:
    • $g$ist die Gravitationskraft in m/s ² .
    • $G$ist die Gravitationskonstante gleich 6,67408(31)×10 ⁻¹¹ m ³ ⋅kg ⁻¹ ⋅s− ² , mit anderen Worten: Verwenden Sie 0,000000000066740831 .
    • $M$ist die Masse des Planeten.
      Masse kann ersetzt werden durch:$M= \frac{4 \times \pi \times \rho \times r^{3}}{3}$Wo$\rho$ist die Dichte des Planeten.
      Vollständig ersetzen:$G = \frac{4 \times \pi \times G \times \rho \times r}{3}$
    • $r$ist der Radius des Planeten. Wenn Sie die Gravitationskraft in einer bestimmten Entfernung von der Planetenänderung berechnen möchten$r_{new} = r_{planet} + distance$
  • 4-8 Kopf-zu-Fuß-Gs (dh unterschiedliche Frequenzen für Herz und Gehirn) werden einen Menschen aufgrund von Blutverlust zum Gehirn bewusstlos machen. Dies ist nicht die Beschleunigung Gs; Wir handhaben ~45 Gs in diese Richtung (dh: gleiche Kraft auf Herz und Gehirn).

• Alter: Es dauert lange, bis ein Planet den Punkt erreicht, an dem sich humanoides Leben entwickeln kann. Auf der Erde dauerte es über 4,5 Milliarden Jahre, wie hier dargestellt :

  

#Atmosphäre, Oberflächentemperatur und andere Eigenschaften, die in direktem Zusammenhang mit dem Leben stehen

• Magnetosphäre:
  • Es wird angenommen, dass Magnetosphären durch einen Dynamoprozess angetrieben werden, der durch die interne Zirkulation im geschmolzenen Kern des Planeten angetrieben wird. Sie sind sehr nützlich, um den Planeten vor DNA-schädigenden ionischen Partikeln in Sternwind und kosmischer Strahlung zu schützen und helfen, einen beschleunigten atmosphärischen Verlust zu verhindern. (z. B. Mars)
  • Die Magnetosphäre wirkt wie ein Abschneidefilter – sie stoppt kosmische Strahlung unterhalb einer bestimmten Energie oder „vertikalen Abschneidesteifigkeit“. Es ist ~17 GeV am Äquator und <1 GeV an den Polen. Kosmische Strahlung beträgt 0,39 mSv/Jahr auf der Oberfläche, aber es findet nicht viel Abschirmung durch die Magnetosphäre statt.
  • http://www.nasa.gov/centers/langley/science/polar-radiation.html
  • http://sol.spacenvironment.net/~nairas/Dose_Rates.html
  • Sterne bestimmen die Sonneneinstrahlung.
• Grenzwerte für menschliche Strahlung
  • 5 und 6 Sievert (Sv) im Laufe weniger Minuten werden zu viele Zellen zerkleinern, als dass ein menschlicher Körper sie auf einmal reparieren könnte.
  • Selbst die normale Hintergrundstrahlung der Erde wird innerhalb von 4.000 Jahren Krebs verursachen.
  • Selbst die Arbeit in großer Höhe auf der Erde wird Katarakte verstärken .
• Atmosphäre:

  • Die Atmosphäre wird durch die Schwerkraft reguliert; dichter/schwerer, ursprünglichere Atmosphäre erhalten.

  • Auf der Kármán-Linie ist die Fluggeschwindigkeit (Luftdichte) gleich der Umlaufgeschwindigkeit (Erde == 100 km)

  • Aktuelle Zusammensetzung: _{(Quelle: harding.edu )}
    
    

    - (at standard pressure/temperature):
    - Too much Carbon Dioxide: CO2 displaces oxygen.  Earth has .0035%, OSHA limits 8hr work day to 5,000 ppm (.5%) - a 30-minute exposure to 50,000 ppm produces intoxication, and concentrations greater than that (7-10%) produce unconsciousness. [High concentrations produce acidosis][3]. Hypercapnia. Under concentrated conditions, plant roots can actually be suffocated by carbon dioxide.
    - Too little Carbon Dioxide: Trace amounts (parts per million) regulate blood pH, and perform a few other vital roles. [Autoregulation][4] of breathing (but perhaps this is compensated for by generation of CO2 in our lungs?)
    - Non-trivial amounts of Oxygen in the atmosphere are typically waste byproducts of photosynthesis with CO2 and solar energy.  Life is not *required* (but see improbable below) to produce oxygen in the atmosphere: eg: if titania covers .05 of the surface of an Earth-like planet (with a Sol-like star), in conjunction with water it can produce enough oxygen; 3% surface area with a dimmer star.
    - Too much oxygen: Oxygen toxicity is a condition resulting from the harmful effects of breathing molecular oxygen (O2) at elevated partial pressures.  Hyperoxia.  Increased free radicals.  Lung damage (inflammation; several days).  Fires burn better.  At 30% O2, humans (especially hair and fat) become about as combustible as a paraffin torch.  Static electricity = boom.  Wet vegetation will burn (at 30%) and lightning/falling rocks/wildfires will take out any available fuel.  Other environmental effects; animals, microorganisms, rust, ozone, bleaching, etc.  Once you hit the O2 compensation point, plants stop photosynthesizing.
    - Too little oxygen: breathing an oxygen deficient atmosphere can have serious and immediate effects, including unconsciousness after only one or two breaths. An exposed human has no warning and cannot sense that the [oxygen level is too low][5].  With an atmospheric oxygen level of 11-18%, it results in the reduction of physical and intellectual performance without the sufferer being aware.  At 8-11% the possibility of fainting within a few minutes without prior warning.  Risk of death below 11%.  At 6-8%, fainting occurs after a short time. Resuscitation possible if carried out immediately.  At 0-6%, fainting almost immediate; with brain damage, even if rescued.
    - Too new oxygen: If oxygen hasn't been around on the planet long enough, it will react with exposed iron and other elements (oxidation/rust) and reduce from the atmosphere/oceans forming banded ironstone formations - magnetite (Fe3O4) / hematite (Fe2O3), alternating with bands of iron-poor shales and cherts. This reduction took (300 million/1 billion?) years on Earth. Oxygen reacts with non-sequestered Carbon, forming CO2.  Reacts with loose Hydrogen = water.
    - Ozone layer, formed of Oxygen, protects life from solar radiation, without which it's difficult for life to gain a foothold.
    - Too much Xenon: It passes the blood/brain barrier and is used for anesthesia.
    - Too little Nitrogen: and there will be no nitrates formed in the soil (few/no Earth-style plants).
    - Physically Impossible Combinations: (i.e. 'Hindenburg' H2 O2 atmospheres - forms water when shocked, eg: static electricity from atmospheric movement like lightning)
    - Physically Improbable Combinations
        - O2 atmosphere without life (bacteria, most likely).
             - Pre-vascular plants operating on dry land change rock breakdown into clays, which sequesters carbon freed up by photosynthesis - raising the O2 percentage in the atmosphere, thus [allowing proliferation of higher multicellular lifeforms][6] (also [here](https://www.scientificamerican.com/article/origin-of-oxygen-in-atmosphere/))
        - Low Nitrogen atmosphere in comparison to atmospheric pressure. Need a *good* excuse to selectively remove/fixate the typically vast amount of Nitrogen available in accretion materials.  
    

• Zu dichte Atmosphäre
  • Der Erdoberflächendruck beträgt 100 kPa, der Venusdruck (9,2 MPa) ist fast 100-mal höher (aber die Masse der Venus ist geringer; 4,868 gegenüber der Erde mit 5,9736), während der Marsdruck (600 Pa) über 100-mal niedriger ist. Sie brauchen also einen Grund, um einen Teil der Standardatmosphäre zu verlieren oder mit außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekten sowie den folgenden physiologischen Problemen konfrontiert zu werden.
• Atmosphärenverlust
  • Aufprallverlust (Mars)
  • ohne Magnetosphäre: Sputtern, Photodissoziation (Mars)
  • wegen Magnetosphäre: Polarwind, Ladungsaustausch
  • Jeans-Flucht
  • Moon-Skimming entfernt etwas Atmosphäre
• Atmosphäre gewinnen/bewahren
  • Schwerkraft/Größe/Dichte reguliert die Retention
  • Gewinn durch Eiseinschlag; Wasserstoff kann nach Dissoziation entfernt werden, wobei Sauerstoff zurückbleibt (wie viel Eis ist in Ihrem Sonnensystem?)
  • Ausgasung aus ursprünglichem Akkretionsmaterial, aus dem Inneren des Planeten
• Luftdruck
  • Der Druck ist zu niedrig: Auf 2.100 m über dem Meeresspiegel auf der Erde beginnt die Sättigung des Oxyhämoglobins zu sinken – kurz- und langfristige Anpassungen ermöglichen es dem Menschen, bis auf etwa 8.000 m [weniger als 356 Millibar atmosphärischer Druck] aufzusteigen, wo keine Anpassungen erfolgen Hilfe (dh: "Todeszone"). Das Schlafen wird schwierig, die Nahrungsverdauung unmöglich, und potenziell tödliche Höhenlungenödeme (HAPE) und Höhenhirnödeme (HACE) werden immer häufiger. Menschen haben zwei Jahre lang in 5.950 m [475 Millibar Atmosphärendruck] überlebt, was die höchste aufgezeichnete dauerhaft tolerierbare höchste Höhe ist; Die höchste bekannte dauerhafte Siedlung, La Rinconada, liegt auf 5.100 m. Erhöhte Suizidrate (keine bekannte Ursache).
  • Armstrong-Grenze : (auf der Erde ~18.900 m) bei 6,3 kPa, Wasser kocht bei 37 ° C: Speichel von der Zunge, Tränen / Wasser f / Augäpfel, Wasser aus den Alveolen. (*)
  • Ohne zusätzlichen Atemsauerstoff beträgt die Zeit für ein nützliches Bewusstsein in 26.000 Fuß 4-6 Minuten, in 30.000 Fuß; 1-2 m und bei 38.000 ft; 30 Sekunden oder weniger, bevor der Flieger einer hypobaren Hypoxie erlag. Bei <1 psi tritt Bewusstlosigkeit bei ~14 Sekunden auf, die Zeitspanne, die das Blut benötigt, um von der Lunge zum Gehirn zu gelangen.
  • Druck zu hoch: Aseptische Knochennekrose (langfristig). Respiratorische Azidose (und letztendlich Toxizität) (CO2), Inertgasnarkose (N2), oxidativer Stress (O2), Hochdrucknervensyndrom (HPNS), das über 10-15 ATA auftritt. Speziell ausgebildete und ausgerüstete (sprich: sehr spezifische, nicht-natürliche (Helium, Nicht-Stickstoff) Gasmischungen usw.) Menschen haben 70 ATA für begrenzte Zeiträume überlebt.
  • Beeinflusst die Siede- und Verdampfungspunkte aller Arten von Chemikalien.
• Ozeanische Gezeiten
  • Gezeiten sind proportional zu Masse/Entfernung^3 (Erde: Sonnengezeiten entsprechen etwa 45 % denen der Mondgezeiten (wechselwirken als Spring- oder Nippgezeiten)). Die Geographie wirkt sich auf die Schwere dieser Basislinien an tatsächlichen Küsten aus. Mehr Monde == mehr Gezeitenprobleme; Stornierung, Übertreibung, sehr komplexe Gezeitentafeln.
  • Gezeiten und Gezeitentümpel können für das Mischen von Chemikalien (und Umgebungen, in denen sie gedeihen) verantwortlich sein, die möglicherweise zur Evolution des Lebens beigetragen haben.
• Flüchtige Stoffe: (Wasser) / Muss Wasser haben
  • Zu viel Wasser, und Sie verändern die Atmosphäre und die chemischen Rückkopplungsschleifen radikal (*) .
  • Wasser wird zum Atmen benötigt (Alveolen, Luftaustausch). In Ruhe liegen die Verlustraten allein durch Atmung bei mindestens 7–20 ml/h, bei Belastung bei 140 bpm Herzfrequenz bei 60–70 ml/h (je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit). Wenn Sie atmen, verlieren Sie Wasser .
  • Wärmeregulierung: Schwitzen tritt bei Überhitzung im Vergleich zur Umgebungstemperatur auf; Menschen können bei Kälte schwitzen, wenn sie Sport treiben. Wenn Sie arbeiten (Jagd, Landwirtschaft, die meisten Sammler), werden Sie fast immer schwitzen.
  • Wasserlassen: Zur Ausscheidung von Körperausscheidungen wird Wasser verwendet. Konsequenter Mangel an Urinieren führt zur Ansammlung von Toxinen, Leber- und anderen Organversagen.
• Oberflächentemperaturbereich:
  • Zu heiß: Hyperthermie. Tod nach 10m bei extrem feuchter (dh kein Schwitzen) 60°C Hitze.
  • Zu kalt: Unterkühlung. Tod, nachdem die menschliche Kerntemperatur 21 ° C erreicht hat - aber Akklimatisierung usw. wirken sich alle aus, wenn dieser Punkt eintritt. Ebenfalls; besondere Art der Überwinterung.
  • Die NASA (1958) sagt ein unbegrenztes Überleben bei 4-35 ° C / 50 % Luftfeuchtigkeit. Etwas höhere Temperaturen können gehandhabt werden, wenn die Luftfeuchtigkeit verringert wird und die Wasseraufnahme reichlich ist.
  • Der Kerntemperaturverlust wird durch Wind-/Schweißverdunstung stark verstärkt.
• Muss Essen haben
  • Basis der Nahrungskette sind typischerweise „Pflanzen“, die Energie (Sonnenenergie (Chlorophyll), Erdwärme) in chemische Energie umwandeln.
  • Nährstoffe / Mikronährstoffe (erforderlich aus der Nahrung: Biotin, Calcium, Cholin, Chrom, Kupfer, Ballaststoffe, Flavonoide, Folsäure, Jod, Eisen, Magnesium, Mangan, Omega-3-Fettsäuren, Pantothensäure, Phosphor, Kalium, Eiweiß, Salz, Selen , Vitamin A, Vitamin B1 - Thiamin, Vitamin B12 - Cobalamin, Vitamin B2 - Riboflavin, Vitamin B3 - Niacin, Vitamin B6 - Pyridoxin, Vitamin C, Vitamin D (ergänzend), Vitamin E, Vitamin K, Zink) sonst diverse Störungen.
  • Der Mensch produziert nicht alle Aminosäuren, die er zum Leben braucht.
  • Die Kalorienaufnahme variiert je nach Lebensstil, Alter und Geschlecht/Größe/magerer Körpermasse (neben anderen Faktoren):
    • erwachsene Männer: 2.000–2.600 sesshaft, 2.200–2.800 mäßig aktiv, 2.400–3.000 aktiv.
    • erwachsene Frauen: 1.600–2.000 sesshaft, 1.800–2.200 mäßig aktiv, 2.000–2.400 aktiv.
• Pflanzen werden typischerweise in Erde angebaut
  • Falsche Atmosphäre führt zu unwirtlichen Bodenverhältnissen

Spezialfälle

• Tektonisch verschlossen
• Meist gefroren
• Oberflächenwasserfrei (Düne)
  • Oder kein/sehr wenig freies Wasser.
• Alle Wasser (Europa)
  • Derzeit ist dies per Fragedefinition nicht bewohnbar.

(Originalquelle für dieses Bild: http://i.livescience.com/images/i/000/049/907/i02/human-survival-limits-120809g-02.jpg?1344571431 )