¿Cuáles son las fluctuaciones diurnas y nocturnas de una luna que orbita alrededor de un planeta del tamaño de Júpiter?

Esto se está convirtiendo en una respuesta muy larga.

Es probable que cualquier planeta o luna habitable tenga una temperatura promedio bastante constante.

En cualquier momento, la mitad de la Tierra, por ejemplo, está a la luz del día y el Sol la calienta, y la otra mitad de la Tierra está en la noche y se está enfriando.

En cualquier momento dado, excepto durante los equinoccios dos veces al año, un hemisferio de la Tierra tendrá días más largos y noches más cortas, y se calentará día a día, y el otro hemisferio de la Tierra tendrá días más cortos y noches más largas y estar refrescandose de noche en noche. Por supuesto, usted dice que su luna no tiene inclinación axial y, por lo tanto, no tiene estaciones, por lo que habrá muchas menos diferencias para promediar.

Cada diferencia se promedia al final, por lo que la temperatura promedio de la Tierra permanece igual a lo largo del tiempo, excepto en la medida en que las tendencias a largo plazo provoquen un calentamiento o enfriamiento gradual.

Un cuerpo astronómico se calentará con la energía de su estrella hasta que su radiación térmica hacia el espacio aumente hasta igualar la cantidad de radiación que recibe de la estrella más un poco más.

El calor adicional será el calor interno sobrante de la formación del planeta más el calor interno de los materiales radiactivos más el calentamiento por marea que será fuerte en una luna de un planeta gigante con posiblemente otras lunas. El cuerpo astronómico se calentará hasta que su radiación térmica hacia el espacio por segundo sea igual a la entrada de calor total de todas las fuentes por segundo, que incluye la radiación de su estrella, el calor interno sobrante de su formación y el calor interno de la radiactividad más el calentamiento de las mareas. Entonces el cuerpo astronómico estará en equilibrio térmico y su temperatura total promedio promediada sobre toda su superficie, hidrosfera y atmósfera permanecerá constante excepto en la medida en que sus fuentes de calor aumenten o disminuyan con el tiempo.

Por lo tanto, la duración de los días y las noches no afectará la temperatura promedio de la luna en un momento dado o promediada a lo largo del tiempo. Pero afectará qué tan caliente se pondrá un punto particular del planeta durante el día y qué tan frío se pondrá un punto particular del planeta durante la noche.

Cuanto más largo sea el día en un lugar, más caliente se pondrá ese lugar durante el día. Cuanto más larga sea la noche en un lugar, más frío se pondrá ese lugar durante la noche. Entonces, cuanto más largos sean los días y las noches en su luna, mayores serán las temperaturas extremas entre el día y la noche.

En la Tierra, con la inclinación axial y las estaciones, existen grandes fluctuaciones en la duración del día y la noche con el tiempo y también con la latitud. Al no darle a su luna una inclinación axial, ha eliminado la causa principal de las fluctuaciones en la duración del día y la noche en la Tierra. El día y la noche siempre tendrán la misma duración en cada punto del planeta y en cada momento.

Pero debido a que la luna en tu historia es un esferoide, la luz de la estrella tendrá diferente intensidad en diferentes latitudes. En el ecuador, la estrella aparecerá en línea recta a 90 grados, mientras que en los polos, la estrella aparecerá en un ángulo de 45 grados (esparciendo así los rayos de luz con menor densidad por área cúbica de superficie), y en los polos, la estrella aparecen en un ángulo de cero grados en el horizonte.

Así que cuanto mayor sea la latitud, más fría será la superficie, el agua y el aire durante el día y la noche. Por lo tanto, debe haber vientos fuertes y cálidos constantes que soplan de norte a sur desde el ecuador hacia los polos, y vientos bajos y fríos constantes que soplan desde los polos hacia el ecuador.

Si la luna en su historia tiene cosas que la hacen interesante para la mayoría de los tipos de historias, como formas de vida multicelulares avanzadas como plantas y animales, nativos inteligentes o habitabilidad para humanos (que requieren oxígeno en la atmósfera, entre otras cosas), debería tener existió con temperaturas bastante constantes durante miles de millones de años, ya que la Tierra tardó miles de millones de años en lograr cualquiera de esas condiciones, y cualquier cambio de temperatura importante durante ese período habría acabado con toda la vida en el planeta.

Entonces, la estrella en su sistema debe tener un tipo espectral que le permita brillar de manera constante durante miles de millones de años antes de convertirse en una gigante roja y luego en una enana blanca, destruyendo toda la vida en sus planetas.

Entonces, si su mundo fuera un planeta que orbita alrededor de una estrella, debería haber tenido una órbita elíptica estable con baja excentricidad, muy cerca de un círculo, alrededor de su estrella durante miles de millones de años.

Pero si su mundo es una luna que orbita alrededor de un planeta, entonces es el planeta el que tiene que tener una órbita elíptica estable con baja excentricidad, acercándose mucho a un círculo, alrededor de su estrella durante miles de millones de años.

Si un planeta gigante gaseoso forma una luna o captura un cuerpo errante y lo convierte en una luna, las interacciones de las mareas entre el planeta gigante gaseoso y la luna convertirán rápidamente, en solo millones de años, la órbita de la luna en una casi circular alrededor del ecuador. del planeta, y también debe ajustar la inclinación axial de la luna para que coincida con la del planeta.

Entonces, para que la inclinación axial de la luna sea cero, la inclinación axial del planeta gigante gaseoso también debería ser cero.

Las inclinaciones axiales de los planetas del sistema solar son 82,23 grados (Urano), 28,32 grados (Neptuno), 26,73 grados (Saturno), 25,19 grados (Marte), todas más altas que las de la Tierra: 23,44 grados (Tierra), 3,13 grados (Júpiter), 2,64 grados (Venus) y 0,03 grados (Mercurio), todos más bajos que los de la Tierra.

Por lo tanto, parece bastante posible que un planeta gigante alrededor de su luna tenga una inclinación axial muy baja y, por lo tanto, que su luna tenga una inclinación axial muy baja.

Pero escribiste:

Para conseguir los días erráticos, estoy trabajando con una luna habitable. Se necesitan 3 días terrestres completos (72 horas) para que la luna habitable gire alrededor del planeta. 1,5 de esos días (36 horas) se pasan en la luz, mientras que otro 1,5 (36 horas) está en el lado oscuro del planeta. Sin embargo, la luna misma también gira, aunque en este momento no estoy seguro a qué velocidad. Estoy pensando que una rotación completa sería entre 20 y 36 horas, pero estoy dispuesto a tanto como sea necesario si ayuda con el problema del calor. Es casi seguro que las horas de luz y oscuridad serían variables, aparte de un período de oscuridad algo más prolongado detrás del planeta.

Sin embargo, el mismo proceso de acción de las mareas que circularía la órbita de una luna en solo unos pocos millones de años también debería bloquear la rotación de la luna con respecto al planeta en solo unos pocos millones de años. Después de unos pocos millones de años, un lado de la luna siempre estaría de frente al planeta y un lado de la luna siempre estaría de espaldas al planeta. Y eso sería miles de millones de años antes de que el proceso natural hiciera que la luna fuera lo suficientemente interesante para tu historia.

Entonces, su idea de tener un período orbital de aproximadamente 72 horas terrestres y también un período de rotación de aproximadamente 23 a 36 horas no es muy plausible.

Con una luna bloqueada por mareas con un período orbital y un período de rotación de 72 horas, el lado exterior de la luna que mira hacia el lado opuesto del planeta tendría luz solar durante 36 horas cuando la luna estaba en la mitad de la órbita más cerca de la estrella, y estaría en la oscuridad durante 36 horas cuando la luna estaba en la mitad de la órbita más alejada de la estrella.

Con una luna bloqueada por mareas con un período orbital y un período de rotación de 72 horas, el lado interior de la luna que mira hacia el planeta tendría luz solar durante 36 horas cuando la luna estuviera en la mitad de la órbita más alejada de la estrella, y estar en la oscuridad durante 36 horas cuando la luna estaba en la mitad de la órbita más cerca de la estrella.

Pero las 36 horas de luz diurna cuando el lado interior de la luna estaba más lejos de la estrella probablemente serían interrumpidas por un eclipse cuando la luna pasara a la sombra del planeta gigante. Ese eclipse debería ser comparativamente corto. Creo que al responder otra pregunta pensé que debido a los tamaños relativos del planeta y la órbita de la luna, el eclipse no podría ser más de un cuarto o un tercio del período en que la luna estaba en el otro lado del planeta. lejos del sol, y fácilmente mucho menos que eso.

El lado interno de su luna a veces puede ser eclipsado por una o más lunas internas grandes que pueden interponerse entre su luna y la estrella cuando su luna es más padre de la estrella que del planeta.

Cualquiera de los lados de su luna a veces puede ser eclipsado por una o más lunas exteriores grandes que pueden interponerse entre su luna y la estrella, independientemente de dónde se encuentre su luna en relación con la estrella y el planeta.

Si el planeta gigante que orbita su luna orbita ligeramente más allá de la órbita de un planeta gigante interior, y las dos órbitas están mucho más juntas que las órbitas de cualquier planeta de nuestro sistema solar, entonces cada vez que el planeta interior que se mueve un poco más rápido alcanza al planeta la luna orbita, podría proyectar una sombra lo suficientemente grande y larga como para alcanzar el planeta exterior y la luna habitable y eclipsarlos. Dependiendo de los factores orbitales, esto podría ocurrir entre una vez cada semana terrestre y una vez cada pocos años terrestres.

Si desea que su luna habitable aún no esté bloqueada por mareas con el planeta gigante y no tenga una rotación sincrónica, tendrá que ser muy joven y aún no tener una biosfera desarrollada naturalmente habitable para los humanos.

Entonces, tal vez podría tener una biosfera desarrollada artificialmente y de forma no natural, habitable para los humanos, creada por extraterrestres súper avanzados que terraformaron la luna y la sembraron con formas de vida avanzadas como animales y plantas.

O tal vez la luna fue originalmente un planeta independiente que orbitó su estrella en una órbita casi circular durante miles de millones de años, desarrollando una biosfera habitable para los humanos, hasta que se acercó demasiado al planeta gigante y fue capturada por el planeta gigante.

La luna podría haber tenido un período de rotación de 23 a 36 horas terrestres antes de ser capturada en una órbita de 72 horas alrededor del planeta gigante. El planeta gigante estaría desacelerando gradualmente la rotación de su luna nueva para igualar su período orbital de 72 horas, pero podría haberla ralentizado solo un poco hasta ahora.

Dado que desea que su mundo sea una luna habitable de un planeta más grande, debe buscar todas las preguntas sobre tales lunas habitables.

Mi respuesta aquí tiene enlaces a otras preguntas sobre lunas habitables e incluso un artículo científico.

¿Cuál es el tiempo orbital máximo de mi luna alrededor de mi planeta? 1

Tenga en cuenta que una gran luna habitable de un planeta gigante gaseoso probablemente tendría un período orbital de unos pocos días terrestres. En nuestro sistema solar, las grandes lunas de los planetas gigantes tienen períodos orbitales que van desde 1,77 días terrestres (Io de Júpiter) hasta 16,69 días terrestres (Calisto de Júpiter) y 15,945 días terrestres (Titán de Saturno).

También tenga en cuenta que se calcula que el año de un planeta tiene que ser al menos 9 veces más largo que el mes de la luna de ese planeta para que la luna tenga una órbita estable.

Entonces, si el año del planeta de tu luna es exactamente 9 veces más largo que el mes de tu luna, tendría entre 15,23 días terrestres y 150,21 días terrestres y, por supuesto, el año del planeta de tu luna podría ser mucho más de 9 veces mayor. largo como el mes de tu luna. El año del planeta de su luna probablemente podría llegar a durar unos pocos años terrestres si ese planeta y la luna orbitan en la zona habitable de su estrella.

En comparación, los exoplanetas conocidos que probablemente orbitan en las zonas habitables de sus estrellas tienen años que van desde 4,05 días terrestres hasta 384,8 días terrestres.

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

PD Ver mi respuesta a esta pregunta:

El eclipse más largo posible en el sistema estelar doble 3

Otra opción para los ciclos erráticos de día y noche podría ser un cuerpo no esferoidal, como la luna Fobos de Marte, que gira alrededor de un eje extraño (en lugar de uno alineado con el plano de la eclíptica). No he hecho los cálculos, pero es posible que sus ciclos diurnos/nocturnos no tengan una duración constante en ese escenario, aunque estoy bastante seguro de que se repetirán con regularidad.

(Por si sirve de algo, me imaginé el caza TIE de Darth Vader cayendo al espacio después de ser expulsado de la trinchera de la Estrella de la Muerte en 1977).

Comienza con tu luna. Como mencionaron otros, es muy probable que sus períodos orbital y de rotación estén unidos. Entonces, con la revolución de 72 horas, también tiene una rotación de 72 horas.

Sin embargo, esto no se traduce en un aburrido ciclo día/noche de 72 horas para toda la luna. El lugar donde te encuentres en la luna tendrá un profundo efecto en el ciclo de luz/oscuridad.

El área del planeta que se acerca más a un día/noche normal sería la parte de atrás, el lado que siempre da la espalda al planeta. Durante la mitad de la órbita de la luna cuando está en el "lado diurno" del planeta, el sol se moverá a través del cielo durante el "día" de 36 horas. En el "lado nocturno" del planeta, este lado de la luna probablemente tendrá el único cielo nocturno verdadero. Tanto el cielo diurno como el nocturno a veces tendrán visible la otra luna, cuyo horario exacto dependería de qué tipo de resonancia tengan las dos lunas (¡o más!) entre sí. La magnitud del eclipse solar dependerá del tamaño y la distancia a la otra luna. Si asume que están en el mismo plano, entonces se puede asegurar un eclipse diario. Dependiendo de cómo se alineen los planos orbitales, es posible que nunca tengas una "Luna Llena"

El "frente" de su luna tiene un ciclo de luz mucho más variable. Por un lado, el planeta siempre estará en el cielo. Será 25 (o más) veces más grande que la Luna en el cielo de la Tierra. Mientras que en el "lado diurno" del planeta, técnicamente será la "noche" local, ya que el sol brillará en el otro lado de la luna. Sin embargo, el enorme planeta "Full" en el cielo iluminará el paisaje con bastante eficacia. Durante el amanecer y el crepúsculo, tendrás el sol en el cielo, pero estará eclipsado durante la mayor parte del día a medida que la luna se mueva hacia el "lado nocturno" del planeta.

Solución

Para obtener fluctuaciones en el patrón de día y noche, necesita una luna que no esté bloqueada por mareas. Para esto, podría usar una configuración similar a Plutón, donde Caronte (la luna más cercana a Plutón) tiene un poco más del 10% de la masa que posee Plutón. Charon perturba las órbitas de las otras lunas de Plutón. Lo que hace que no estén bloqueados por mareas con Plutón.

Cálculos

Dijiste que necesitabas ayuda con las matemáticas, así que aquí hay un ejemplo que te muestra una posible configuración. Para una configuración diferente, le diré qué cambiar.

(Necesario) Fórmulas

• Fuerza gravitacional:$F = G \cdot \frac {m}{r^2};$F = Fuerza, G =$6.673 \cdot 10^{-11}$(constante gravitacional), m1 = masa del planeta, r = distancia entre el planeta y la luna (normalmente hay otra$m$para la masa de la luna pero la segunda ecuación usa lo mismo, así que podemos cortarla)
• Fuerza centrípeta:$F = \frac {v^2}{r} = \frac {4 \pi^2}{T^2} \cdot r;$v = velocidad de la luna, T = tiempo para completar una órbita (normalmente habría la$m$para la luna, pero la cortamos de la otra ecuación, así que tenemos que hacer lo mismo aquí)
  • La longitud en metros de la órbita:$d = 2\pi r$d = longitud de la órbita

Esto es todo lo que necesitamos para determinar las fluctuaciones.

Ejemplo

• Masa principal del planeta:$1.899 \cdot 10^{27}$(Júpiter)

• Distancia entre el planeta y la luna 1 000 000 km/ 1 000 000 000 m (si nuestro sistema solar es válido, la mayoría de las lunas con el tamaño para ser habitadas por formas de vida similares están alrededor de esa distancia )

Para el Forec Gravitacional obtenemos esto:$F = 6.673 \cdot 10^{-11} \frac{1.899 \cdot 10^{27}kg}{1000000000^2m} = 0.1267N$

Este valor de F lo usaremos ahora para determinar nuestra velocidad:

Primero tomamos la ecuación de la sección Fórmula:$F = \frac {v^2}{r}$y cambiarlo para obtener nuestra velocidad:$v^2 = F \cdot r$

Y ahora conectamos nuestros números:$v^2 = 0.1267N \cdot 1000000000m = 126 700 000$y como queremos la velocidad real, no la velocidad al cuadrado, sacamos la raíz y llegamos a 11 256,11 m/s.

Ahora necesitamos la longitud de la órbita.$2\pi 1000000000m = 2\pi \cdot 10^{9}$cuando dividimos la distancia por la velocidad obtenemos el tiempo que toma para una órbita:$\frac {2\pi \cdot 10^{9}m}{11256m/s}= 558202.22s$que es 6,46 días o 155 horas bastante exactas. Para aumentar o disminuir el tiempo, simplemente cambie la distancia r del planeta a la luna (menor menor que 155 horas/mayor mayor que 155 horas).

Conclusión

Si asumimos que la luna gira cada 30 horas alrededor de sí misma, esto provocaría que la hora del día/noche se desplace 5 horas cada 5 días (30*5 = 150 5 horas menos que 155). Y suponiendo que cada vez que la luna esté detrás del planeta bloquearía el sol. Esto significa que el patrón volvería a ocurrir cada 30 días (5*6 = 30 => cambió la luz/oscuridad un día completo de luz)

Porque la luna entraría en el lugar detrás del planeta 5 horas más tarde en comparación con el día de la luna. Y después de 6 rotaciones alrededor del planeta estaría igual que 30 días antes.

Espero que esta última parte sea comprensible, pero no puedo encontrar una mejor explicación. También se puede elegir libremente el tiempo que tarda la luna en girar sobre sí misma.

Si su luna habitable está fijada por mareas al planeta gigante, entonces la duración del día/noche se regirá por el período de rotación de la luna. Por ejemplo, para la Luna de la Tierra dura 29,5 días terrestres.

Si la luna orbita al gigante muy de cerca, entonces (solo para su lado planetario) los eclipses de estrellas serían cosas regulares, mientras que por la noche los cielos estarán bellamente iluminados por la luz reflejada del gigante. Para el "lado oscuro" de la luna, el ciclo día/noche no se vería afectado.

Otras lunas pueden contribuir a la cantidad de luz en la noche, pero eso sería algo relativamente menor, a excepción de las imágenes del cielo nocturno.

Si la luna NO está fijada por mareas al gigante, su propia rotación hará que los días sean más cortos o más largos, dependiendo de la velocidad de rotación. Sin embargo, tener una luna no bloqueada en las condiciones establecidas es científicamente dudoso.

También es importante decir que el horario diurno/nocturno NO sería variable, sino muy regular. Solo en el lado planetario de la luna los eclipses de estrellas pueden ser bastante irregulares.