Órbita, rotación, masa y otras propiedades no directamente relacionadas con la vida

Un planeta es una masa giratoria (más grande que ~ 500 km de diámetro) en órbita alrededor de la estrella de material normal que se convierte en un esferoide achatado debido a la gravedad (sin cubos ni otras formas). La IAU también define que un planeta ha limpiado su vecindad.

• Características orbitales:

  • La distancia de la(s) estrella(s) principal(es) afectará las temperaturas de la superficie (agua líquida) y la duración del año. Para los planetas calentados únicamente por la insolación, la temperatura del planeta se puede calcular utilizando la fórmula de la temperatura efectiva :

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

    dónde$L$es la luminosidad de la estrella,$a$es el albedo del planeta (una medida de la cantidad de radiación estelar que refleja), y$D$es la distancia del planeta a la estrella.

    Puedes calcular la velocidad tangencial del planeta y su periodo para una órbita perfectamente circular:

    Establezca la fuerza gravitacional igual a la fuerza centrípeta:

    $$F_g=F_c$$ $$G \frac{Mm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}$$ $$v^2=\frac{GM}{r}$$ $$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}$$ Esa es la velocidad en metros por segundo. A continuación, puede encontrar el período (en segundos) por $$T=\frac{2 \pi r}{v}$$ Usa unidades SI para todo.

  • Calentamiento interno, aunque eso disminuye durante miles de millones de años en la mayoría de los casos.
  • Las fuerzas de marea pueden usarse para ganar calor, si el planeta está en órbita alrededor de otra cosa (muchas complicaciones).
  • (¿cómo calculamos el albedo?)
  • Tenga en cuenta que los planetas en sistemas de estrellas múltiples tendrán órbitas muy inusuales; pero en algunos casos las órbitas pueden ser estables
  • Excentricidad:
    • La excentricidad de una órbita depende de la distancia entre el planeta y la estrella en el punto más cercano ($r_p$) y el punto más lejano ($r_a$): $$e=\frac{r_a-r_p}{r_a+r_p}$$
    • Ejemplos: Tierra ($e=0.0034-~0.058$), Plutón ($e=0.248$), Mercurio ($e=0.2056$), Cometa Halley ($e=0.967$), la Estrella de la Muerte de Pern.
    • La excentricidad afectará la variación en la intensidad de la radiación estelar recibida. Cuanto más excéntrica es la órbita, mayor es la variación.
  • Leyes de Kepler:
    • Las leyes de Kepler son muy importantes al modelar las órbitas planetarias.
    • La primera ley: Todos los cuerpos en órbita viajan en elipses. $$r=\frac{p}{1+ \varepsilon \cos \theta}$$
    • La segunda ley: La línea imaginaria que conecta un cuerpo en órbita y el cuerpo central barre áreas iguales en tiempos iguales. $$P \frac{1}{2}r^2 \frac{d \theta}{dt}= \pi ab$$
    • La tercera ley: el cuadrado del período del cuerpo en órbita es proporcional al semieje mayor del cuerpo al cubo. $$\frac{T^2}{r^3}=\frac{4 \pi}{GM}$$
    • Pero las órbitas de herradura son posibles con dos o más cuerpos en caminos orbitales cercanos.
• Inclinación axial (Tierra =$23\text { deg}$) afectará a la existencia y amplitud de las estaciones. Un planeta con inclinación axial cero tendrá estaciones mínimas, mientras que uno con$90\text { deg}$. la inclinación tendrá solo un lado hacia la estrella, incluso sin estar bloqueado por mareas. La inclinación axial determina la variación de la duración del día/noche durante los tiempos que no son de equinoccio; más largo en verano de cada hemisferio.
• Ciclos de Milankovitch : precesión absidal y precesión axial
• Resonancia orbital/bloqueada por mareas (Mercurio (no completamente bloqueada por mareas), (m) cualquiera de los planetas enanos rojos en órbita estelar en rango habitable)
• Período de rotación
  • Duración de los días y las noches.
  • Los días son más largos que las noches en el equinoccio debido a la refracción de la atmósfera y al tamaño de su sol (el amanecer y el atardecer ocurren cuando el sol es visible por primera vez o ya no es visible). Cuanto más largo sea el día, más calor solar ocurrirá y menos enfriamiento en el lado nocturno, lo que conducirá a temperaturas extremas, sin equilibrio atmosférico. (¿Cuánto tiempo es demasiado largo? ¿Hay demasiado corto?)
  • El crepúsculo (suficientemente claro para hacer actividades al aire libre) ocurre cuando el sol está a 6 grados por debajo del horizonte y (en la Tierra) mide entre 25 y 30 m de largo.
  • La fuerza centrífuga compensa la gravedad. En el ecuador de la Tierra (donde es más fuerte) es un 0,35 % tan fuerte como la gravedad (o -0,0035 gs). Aumentar la velocidad de rotación a 84 min/día compensaría por completo la gravedad de la Tierra.
  • La fuerza de Coriolis es directamente proporcional a la velocidad angular (la$7.272 × 10^{-5} \text{rad/s}$)
  • Las mareas reducen la rotación: la Tierra pierde 20 millonésimas de segundo/año
• Tamaño:
  • Tamaño sub-terrestre: demasiado pequeño y sin atmósfera a largo plazo
    • (ver densidad)
  • Similar a la Tierra: planeta rocoso
  • Superterrans/Super-Earths: 2-10 veces más masivo que la Tierra. Un planeta más grande que 2x el radio de la Tierra comienza a moverse hacia el territorio de un gigante gaseoso/no se forma a través de la acumulación planetaria normal.
  • Chthonian: planeta rocoso (gigante gaseoso sin atmósfera; volado)
  • Gigantes gaseosos: retienen hidrógeno y helio, demasiado pequeños para convertirse en una estrella/enana blanca
• Densidad:
  • La proporción de metal a roca generalmente se refleja en la diferencia de tamaño entre el núcleo y el manto. Esto tendrá consecuencias de largo alcance sobre la actividad volcánica y los diversos ciclos naturales, como el ciclo del carbono.
    • Un planeta más denso (más pesado en metales) también tendrá una mayor masa y una mayor gravedad superficial.
    • Sistema Solar: La Tierra es la más densa en$5.5\text{ gm/cm}^{3}$, y Saturno el menor en$0.7\text{ gm/cm}^{3}$
• Gravedad: $$g = \frac{G \times M}{r^{2}}$$
  • Dónde:
    • $g$es la fuerza gravitacional, en m/s ² .
    • $G$es la constante gravitacional igual a 6.67408(31)×10 ⁻¹¹ m ³ ⋅kg ⁻¹ ⋅s− ² , en otras palabras usa 0.000000000066740831 .
    • $M$es la masa del planeta.
      La masa puede ser reemplazada por:$M= \frac{4 \times \pi \times \rho \times r^{3}}{3}$Dónde$\rho$es la densidad del planeta.
      Reemplazo completo:$G = \frac{4 \times \pi \times G \times \rho \times r}{3}$
    • $r$es el radio del planeta. Si desea calcular la fuerza gravitacional en una distancia específica del cambio de planeta$r_{new} = r_{planet} + distance$
  • 4-8 G de pies a cabeza (es decir, diferentes ritmos en el corazón y el cerebro) dejarán inconsciente a un ser humano debido a la pérdida de sangre en el cerebro. Esta no es la aceleración Gs; manejamos ~45Gs en esa dirección (es decir: la misma fuerza tanto para el corazón como para el cerebro).

• Edad: Se necesita mucho tiempo para que un planeta llegue al punto en que la vida humanoide pueda desarrollarse. En la Tierra, tomó más de 4.500 millones de años, como se ilustra aquí :

  

#Atmósfera, temperatura superficial y otras propiedades directamente relacionadas con la vida

• Magnetosfera:
  • Se cree que las magnetosferas son impulsadas por un proceso de dínamo impulsado por la circulación interna en el núcleo fundido del planeta, son muy útiles para proteger al planeta de las partículas iónicas que dañan el ADN en el viento estelar, la radiación cósmica y ayudan a prevenir la pérdida atmosférica acelerada. (por ejemplo, Marte)
  • La magnetosfera actúa como un filtro de corte: detiene los rayos cósmicos por debajo de cierta energía o "rigidez de corte vertical". Son ~17 GeV en el ecuador y <1 GeV en los polos. Los rayos cósmicos son de 0,39 mSv/año en la superficie, pero la magnetosfera no produce mucha protección.
  • http://www.nasa.gov/centers/langley/science/polar-radiation.html
  • http://sol.spacenvironment.net/~nairas/Dose_Rates.html
  • La(s) estrella(s) determina(n) la radiación solar.
• Límites de radiación humana
  • 5 y 6 Sieverts (Sv) en el transcurso de unos pocos minutos triturarán demasiadas células para que un cuerpo humano las arregle de una sola vez.
  • Incluso la radiación de fondo normal de la Tierra causará cáncer dentro de 4.000 años.
  • Incluso trabajar a gran altura en la Tierra aumentará las cataratas .
• Atmósfera:

  • La atmósfera está regulada por la gravedad; más denso/más gravedad, se mantiene una atmósfera más original.

  • La línea de Kármán es donde la velocidad de vuelo (densidad del aire) es igual a la velocidad orbital (Tierra == 100 km)

  • Composición actual: _{(fuente: 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.  
    

• Atmósfera demasiado densa
  • La presión en la superficie de la Tierra es de 100 kPa, la presión de Venus (9,2 MPa) es casi 100 veces mayor (pero la masa de Venus es menor; 4,868 frente a los 5,9736 de la Tierra), mientras que la presión marciana (600 Pa) es más de 100 veces menor. Por lo tanto, necesitará una razón para perder una parte de la atmósfera predeterminada o enfrentar los efectos invernadero desbocados, así como los problemas fisiológicos a continuación.
• pérdida de atmósfera
  • pérdida de impacto (Marte)
  • sin magnetosfera: pulverización catódica, fotodisociación (Marte)
  • debido a la magnetosfera: viento polar, intercambio de carga
  • Escape de los vaqueros
  • El desnatado de la luna elimina parte de la atmósfera.
• Ganar/mantener una atmósfera
  • La gravedad/tamaño/densidad regula la retención
  • Ganancia del impacto del hielo; el hidrógeno se puede eliminar después de la disociación, dejando oxígeno (¿cuánto hielo hay en su sistema solar?)
  • Desgasificación del material de acreción original, del interior del planeta.
• Presión atmosférica
  • La presión es demasiado baja: a 2100 m sobre el nivel del mar en la Tierra, la saturación de oxihemoglobina comienza a caer en picado: las adaptaciones a corto y largo plazo permiten a los humanos subir hasta unos 8000 m [menos de 356 milibares de presión atmosférica], donde no hay adaptaciones. ayuda (es decir: "Zona de muerte"). Dormir se vuelve difícil, la digestión de los alimentos es imposible y el edema pulmonar a gran altitud (HAPE) y el edema cerebral a gran altitud (HACE) potencialmente fatales se vuelven más comunes. Los seres humanos han sobrevivido durante dos años a 5.950 m [475 milibares de presión atmosférica], que es la mayor altitud tolerable permanente registrada; el asentamiento permanente más alto conocido, La Rinconada, se encuentra a 5.100 m. Aumento de la tasa de suicidios (sin causa conocida).
  • Límite de Armstrong : (en la Tierra ~18.900 m) a 6,3 kPa, el agua hierve a 37 °C: saliva de la lengua, lágrimas/agua de los globos oculares, agua de los alvéolos. (*)
  • Sin oxígeno respiratorio suplementario, el tiempo para la conciencia útil a 26 000 pies es de 4 a 6 minutos, a 30 000 pies; 1-2 m, y a 38 000 pies; 30 segundos o menos antes de que el aviador sucumbiera a la hipoxia hipobárica. A <1 psi, la inconsciencia se produce a los ~14 s, el tiempo que tarda la sangre en pasar de los pulmones al cerebro.
  • La presión es demasiado alta: necrosis ósea aséptica (a largo plazo). Acidosis respiratoria (y, en última instancia, toxicidad) (CO2), narcosis de gas inerte (N2), estrés oxidativo (O2), síndrome nervioso de alta presión (HPNS) que ocurre más allá de 10-15 ATA. Los seres humanos especialmente entrenados y equipados (léase: mezclas de gases no naturales (helio, no nitrógeno) muy específicas, etc.) han sobrevivido 70 ATA durante períodos de tiempo limitados.
  • Afecta los puntos de ebullición y evaporación de todo tipo de productos químicos.
• Mareas oceánicas
  • Las mareas son proporcionales a la masa / distancia ^ 3 (Tierra: las mareas solares son aproximadamente el 45% de las mareas lunares (interactúan como mareas vivas o muertas)). La geografía afecta la severidad de estas líneas base en las costas reales. Más lunas == más problemas de mareas; cancelación, exageración, tablas de mareas muy complejas.
  • Las mareas y las piscinas de marea pueden ser responsables de mezclar sustancias químicas (y entornos para que florezcan) que pueden haber contribuido a la evolución de la vida.
• Volátiles: (agua) / Debe tener agua
  • Demasiada agua, y cambias radicalmente la atmósfera y los circuitos de retroalimentación química (*) .
  • Se requiere agua para respirar (alvéolos, intercambio de aire). En reposo, las tasas de pérdida debidas únicamente a la respiración oscilan entre al menos 7 y 20 ml/h, mientras que en el ejercicio a 140 lpm la frecuencia cardíaca es de 60 a 70 ml/h (dependiendo de la temperatura y la humedad). Si estás respirando, perderás agua .
  • Regulación del calor: la sudoración ocurre cuando se sobrecalienta en comparación con la temperatura ambiental; los humanos pueden sudar en condiciones de frío si hacen ejercicio. Si está trabajando (caza, agricultura, la mayor parte de la recolección), casi siempre sudará.
  • Micción: la eliminación de desechos corporales utiliza agua. La falta constante de orina conducirá a la acumulación de toxinas, insuficiencia hepática y otros órganos.
• Rango de temperatura de la superficie:
  • Demasiado calor: Hipertermia. Muerte después de 10 m en un calor extremadamente húmedo (es decir, sin sudor) a 60 °C.
  • Demasiado frío: Hipotermia. La muerte después de que la temperatura central humana alcance los 21 ° C, pero la aclimatación, etc., todo el impacto cuando ocurre este punto. También; tipo especial de hibernación.
  • NASA (1958) dice supervivencia indefinida a 4-35C / 50% de humedad. Se pueden manejar temperaturas algo más altas si se reduce la humedad y la ingesta de agua es abundante.
  • La pérdida de temperatura central aumenta en gran medida por la evaporación del viento/sudor.
• debe tener comida
  • La base de la cadena alimentaria son típicamente "plantas", que convierten la energía (solar (clorofila), calor geotérmico) en energía química.
  • Nutrientes / Micronutrientes (necesarios de la dieta: biotina, calcio, colina, cromo, cobre, fibra, flavonoides, folato, yodo, hierro, magnesio, manganeso, ácidos grasos omega-3, ácido pantoténico, fósforo, potasio, proteína, sal, selenio , vitamina A, vitamina B1 - tiamina, vitamina B12 - cobalamina, vitamina B2 - riboflavina, vitamina B3 - niacina, vitamina B6 - piridoxina, vitamina C, vitamina D (suplementaria), vitamina E, vitamina K, zinc) otros trastornos diversos.
  • Los humanos no producen todos los aminoácidos que necesitan para vivir.
  • La ingesta calórica varía según el estilo de vida, la edad y el sexo/tamaño/masa corporal magra (entre otros factores):
    • machos adultos: 2000-2600 sedentarios, 2200-2800 moderadamente activos, 2400-3000 activos.
    • hembras adultas: 1.600-2.000 sedentarias, 1.800-2.200 moderadamente activas, 2.000-2.400 activas.
• Las plantas se cultivan típicamente en el suelo
  • La atmósfera incorrecta conduce a condiciones de suelo inhóspitas https://scienmag.com/researchers-explore-possibilities-of-growing-plants-on-mars/

Casos especiales

• Bloqueado tectónicamente
• mayormente congelado
• Superficie libre de agua (Dune)
  • O nada/muy poca agua gratis.
• Todo el agua (Europa)
  • Actualmente, por definición de pregunta, esto es inhabitable.

(Fuente original de esta imagen: http://i.livescience.com/images/i/000/049/907/i02/human-survival-limits-120809g-02.jpg?1344571431 )