Bagaimana jika Bumi dan Bulan berputar mengelilingi satu sama lain seperti Pluto dan Charon?

Apa yang akan berbeda bagi kita jika Bumi dan Bulan berputar mengelilingi satu sama lain seperti yang dilakukan Pluto dan Charon?

Mereka melakukannya , tetapi karena rasio massa yang sangat berbeda, mereka sepertinya tidak akan melakukannya karena bulan tampaknya berputar di sekitar (pusat) Bumi.

Rasio massa Bumi dan Bulan adalah $\frac{M_{Earth}}{M_{Moon}} = 81.3$$\frac{M_{Pluto}}{M_{Charon}} = 8.09$

Karena rasio untuk Pluto dan Charon relatif kecil, pusat sistem - barycenter, di mana dua benda mengorbit - berada di suatu tempat pada garis yang ditarik antara pusat massa dua benda langit. Tetapi untuk Bumi dan Bulan, karena Bumi secara proporsional jauh lebih berat, barycenter sistem tidak mencapai di luar Bumi, melainkan sekitar 4.500 kilometer dari pusat Bumi (lihat foto di bawah juga):

Dalam kasus di mana salah satu dari dua objek jauh lebih masif dari yang lain (dan relatif dekat), barycenter biasanya akan berada di dalam objek yang lebih masif. Alih-alih muncul untuk mengorbit pusat massa bersama dengan tubuh yang lebih kecil, yang lebih besar hanya akan terlihat "goyah" sedikit. Ini adalah kasus untuk sistem Bumi-Bulan, di mana barycenter terletak rata-rata 4.671 km dari pusat bumi , baik dalam radius planet 6.378 km. Sumber: Wikipedia - Barycenter

Efek utama dari sistem ko-rotasi ini adalah bahwa Bumi tampaknya "goyah" pada orbitnya, sebagaimana disebutkan dalam kutipan dari Wikipedia di atas.

@JeppeStigNielsen membuat poin bagus tentang perbedaan penguncian pasang surut di komentar di bawah. Dalam sistem Bumi-Bulan, hanya Bulan yang terkunci terkunci (yang menyebabkan kita hanya melihat satu wajah saja, jadi hanya setengahnya saja, dari Bumi), sedangkan di Pluto-Charon kedua tubuh terkunci secara tidal. Bumi tidak terkunci secara terkunci karena rasio massa yang lebih tinggi antara itu dan Bulan, tetapi rasio massa yang lebih rendah dari sistem Pluto-Charon adalah, karena massa yang lebih rendah Charon perlahan-lahan mengubah rotasi Pluto agar sesuai dengan gerakan orbitnya.

Di barycentres

Pasangan Pluto-Charon tidak berbeda secara kualitatif dengan pasangan Bumi-Bulan dalam hal orbit. Seperti yang ditunjukkan dalam jawaban lain, dalam kedua kasus, kedua badan berputar di sekitar satu sama lain, yaitu mereka digambarkan sebagai mengorbit di sekitar barycentre mereka.

Dalam istilah yang lebih fisik, referensial yang berpusat pada barycentre dari sistem Bumi-Bulan adalah "lebih banyak Galilea" daripada referensi yang berpusat pada pusat geometri Bumi: jika Anda melakukan pengukuran presisi tinggi dari sistem fisik di Bumi, Anda akan melihat beberapa " jitter "yang menunjukkan bahwa Bumi tidak benar-benar Galilea. Sebagian besar disebabkan oleh rotasi Bumi (jitter yang paling terkenal ditunjukkan oleh pendulum Foucault) tetapi bahkan jika Anda memperhitungkan rotasi, Anda masih mendapatkan beberapa gangguan sisa yang berasal dari revolusi Bumi di sekitar barycentre Bumi-Bulan. (Dan jika Anda memperbaiki yang ini, Anda masih mendapatkan beberapa karena revolusi Bumi mengelilingi Matahari - sungguh, revolusi Bumi di sekitar sistem tata surya Barycentre - dan kemudian beberapa karena rotasi Galaksi, dan sebagainya. , tetapi semakin sulit dideteksi.)

Tentang pasang

Ketika dua benda bundar saling mengorbit, mereka memiliki kecenderungan untuk pergi ke "penguncian pasang-surut": kecepatan rotasi individu mereka akan disinkronkan dengan revolusi, sehingga, baik-baik saja , kedua benda itu selalu menjaga belahan bumi yang sama satu sama lain. Pluto dan Charon berada di langkah itu. Bulan juga terkunci terkunci dengan Bumi: kita selalu melihat belahan bumi yang sama (sebenarnya kita melihat sedikit lebih dari setengah Bulan, karena sedikit bergoyang). Bumi belum terkunci terkunci ... belum. Tetapi pada akhirnya akan terjadi.

Memang, Bumi dan Bulan mengerahkan kekuatan pasang surut satu sama lain. Ini paling mudah dijelaskan dengan mempertimbangkan kecepatan orbital: ketika sebuah satelit yang sangat kecil mengorbit di sekitar planet besar, ia harus bergerak dengan kecepatan yang tergantung pada ketinggian satelit: semakin jauh satelitnya, semakin lambat ia berjalan (mis. Satelit orbit rendah) zoom sekitar 8 km / dtk, sementara Bulan berjalan dengan santai 1 km / dtk). Tapi Bulan cukup besar: jari-jarinya sedikit lebih dari 1700 km. Ini berarti bahwa jika pusat Bulan bergerak dengan kecepatan yang tepat untuk orbitnya, batu-batu di sisi jauh Bulan adalah 1.700 km lebih jauh dari Bumi, dan dengan demikian sedikit terlalu cepat untuk orbit itu, sehingga mereka ingin pergi . Demikian pula, batu-batu di sisi dekat bulan 1.700 km lebih dekat ke Bumi, dan dengan demikian berjalan terlalu lambat: mereka cenderung "jatuh" ke arah Bumi.

Fenomena ini simetris: Bumi juga mengalami kekuatan pasang surut dari Bulan. Faktanya, baik Bumi dan Bulan mengalami gaya pasang surut dari pasangan gravitasi Bumi-Bulan. Ini menimbulkan pasang surut, di mana air bergerak sebagai respons terhadap kekuatan; batu tidak karena mereka batu, yaitu tidak sangat cair dalam kondisi normal - mereka ingin bergerak, tetapi terlalu kaku untuk melakukannya.

Gaya pasang surut entah bagaimana menentang Bumi yang berotasi lebih cepat daripada 27 hari untuk revolusi Bumi-Bulan, dan energi rotasi perlahan-lahan menghilang: beberapa di antaranya disuntikkan ke dalam kopling gravitasi Bumi-Bulan, yang membuat mereka terpisah dari satu sama lain (telah diukur berkat reflektor dari wahana antariksa dan misi Apollo: Bulan melarikan kita dengan kecepatan sekitar 38 mm per tahun); sisanya hilang dalam gesekan dari air yang bergerak, sehingga akhirnya diubah menjadi panas yang dipancarkan ke ruang angkasa.

Intinya: rotasi bumi melambat. Misalnya, satu hari akan berlangsung sekitar 22 jam pada saat dinosaurus (yang besar, bukan burung). Perlambatan dikenal di sekitar lingkaran yang menjaga waktu sebagai ΔT .

Namun...

Bahkan ketika Bumi terkunci secara surut dengan Bulan, masih akan ada pasang (setidaknya, jika masih ada air cair pada waktu itu, yang tidak diberikan, karena output energi Matahari diprediksi turun tajam 5 miliar tahun) mulai sekarang). Memang, pasangan Matahari-Bumi juga menghasilkan gaya pasang surut. Kekuatan pasang-surut Bumi-Bulan sekitar dua kali lebih kuat, sehingga pasang surut yang diinduksi Bulan lebih besar, tetapi dalam situasi yang terkunci secara tegang, kita harus tetap menyaksikan pasang surut yang disebabkan oleh Matahari - tetapi dalam skala yang lebih kecil.

(Tanpa Bulan, Bumi pada akhirnya akan terkunci secara rapi dengan Matahari dan rotasi 365 hari - tentu saja menggunakan panjang hari ini selama sehari. Saya tidak sepenuhnya jelas tentang apa yang seharusnya terjadi dengan sistem Matahari-Bumi-Bulan di jangka panjang; tetapi tampaknya ini masih merupakan penelitian terbuka, terutama karena ada planet lain dalam campuran, yang mengarah ke situasi yang sangat kompleks.)

Jawaban TLDr:

Kedua jawaban itu sangat baik. Ada beberapa detail lagi untuk dipertimbangkan jika kita ingin melihat semua bagaimana-dalam skenario yang lucu tapi aneh ini.

Sudah disebutkan, perbandingan ukurannya adalah 8 banding 1, bukan 81 banding 1, jadi sebagai permulaan, Charon seperti Moon akan jauh lebih besar di langit. Bulan, dengan sekitar 10 kali massa, dengan kerapatan sedikit lebih besar karena pemadatan kecil, masih akan 2,1 kali lebih besar, dengan asumsi jarak yang sama, yang akan membuatnya 4 kali lebih terang di langit malam. Bulan purnama akan sangat mengesankan. Mungkin (hanya nyaris) cukup terang untuk dibaca jika itu adalah buku teks besar. (beberapa orang mengklaim bisa membaca oleh Moonlight sekarang, kebanyakan orang tidak bisa, tetapi 4 kali lebih terang, bulan purnama mungkin cukup cerah.

Gerhana matahari akan menjadi lebih sering dan berlangsung sekitar dua kali lebih lama dan Anda mungkin berpikir Bumi akan sedikit lebih dingin karena Bulan menghalangi beberapa sinar matahari, tetapi Bulan, percaya atau tidak, memancarkan lebih banyak panas di bumi daripada memblokir karena Menyalakan bulan yang menghadap kita hampir 400 derajat F di siang hari puncak dan tidak sulit untuk melihat bahwa permukaan yang bersuhu panas memancar. Tidak banyak, tetapi beberapa. Sebuah pertanyaan tentang itu di sini, jadi sedikit lebih dari 4 kali energi (mengabaikan kehilangan gerhana matahari), sekitar 1 / 2.500 panas dari matahari, mungkin bekerja sampai 1/10 derajat pada malam hari saat bulan purnama. Tidak banyak, tentu saja, tetapi dapat diukur untuk siapa saja dengan instrumen yang cukup sensitif. Kecerahan dan ukuran Bulan jelas akan lebih terlihat daripada sekitar 1/10 dari 1 derajat suhu (C bukan F).

Bulan dengan massa seperti itu akan memperlambat rotasi Bumi secara signifikan lebih cepat, sudah disebutkan, tapi yang ini, kita harus memikirkannya. Ketika Bulan terbentuk itu jauh lebih dekat ke Bumi, sekitar 3-5 kali radius Bumi menjauh. Sumber. Itu di luar Bukit Bola, dan pembentukan Bulan membuat Bumi berputar sangat cepat sehingga efeknya (bumi yang berputar dengan cepat, pasang-surut bulan yang sangat kuat) masih akan ada di sana tetapi pasang-surut bulan akan 10 kali lebih besar, jadi kami mencari pada tingkat gempa bumi ketika bulan, 10 kali massa, berjarak 3-5 radius bumi. Bulan, karena selama pembentukan itu tidak akan memiliki banyak momentum sudut, akan dengan cepat mengendap menjadi rotasi yang terkunci di sekitar Bumi. Efek pasang surut di Bumi, menjadi 10 kali lebih besar akan menyebabkan (kira-kira) 10 kali tonjolan pasang surut di Bumi akan mendorong Bulan menjauh dari Bumi sekitar 10 kali lebih cepat, tetapi, pada saat yang sama, tarik pasang surut melambat Bumi, akan 10 kali lebih besar juga (saya berasumsi bahwa itu sesuai dengan sekitar 10 kali lebih cepat).

Jadi, pada dasarnya, Bulan dan Bumi akan mengikuti sistem tempat mereka berada sekarang, tetapi itu akan berjalan sekitar 10 kali lebih cepat dengan Bulan dengan massa 10 kali lipat. Perkiraan (di sini) adalah bahwa akan memakan waktu sekitar 50 miliar tahun bagi Bulan untuk memperlambat Bumi cukup untuk masuk ke dalam penguncian pasut, jadi bagi 10, kita akan sangat dekat dengan kunci pasut hari ini. Bumi akan berputar sangat lambat. Bulan juga (kemungkinan) akan sedikit lebih jauh dari Bumi dan mungkin memiliki orbit yang lebih goyah karena gangguan matahari, dan mungkin, melarikan diri sepenuhnya. Ini adalah sedikit rumit matematika yang saya lebih suka untuk tidak mencoba (pada massa Bulan saat ini, Matahari akan menjadi Raksasa Merah jauh sebelum Bulan lolos atau Bumi terkunci terkunci tetapi dengan Bulan 10 kali lebih besar, yang ' mungkin tidak lagi terjadi dan Bulan hilang atau Bulan lebih jauh, memiliki orbit yang lebih panjang, dan Bumi berada pada atau dekat dengan tidally terkunci. Jika Bulan lolos, kita akan memiliki objek orbit dekat bumi dengan ukuran sangat besar yang nantinya bisa menabrak kita atau berayun melewati bumi dan memindahkan orbit kita - baik efek dan efek dari tidak memiliki bulan, akan sangat besar.

Diskusi tentang pelarian Bulan / bumi vs penguncian pasang surut di sini

Jika kita mengasumsikan pasang surut penuh, 29,5 hari (sinodik, bukan sidreal) dan bulan sedikit lebih jauh sehingga kita mungkin melihat 30 sesuatu hingga 40 hari untuk 1 rotasi bumi, 20 hari sinar matahari, 20 hari malam. Itu akan memainkan malapetaka mutlak pada sistem cuaca dan musim. Hari ke malam akan memiliki efek yang lebih besar daripada Musim Panas vs musim dingin, dan hari-hari musim panas akan sangat panas, meskipun beberapa daerah mungkin baik-baik saja karena curah hujan. Evolusi mungkin bisa beradaptasi dengan itu, tetapi itu kedengarannya tidak menyenangkan bagi saya. Jarak yang lebih jauh mungkin membuat Bulan hanya 3 kali lebih terang di langit malam daripada 4. masih cukup cerah sekalipun. Anda masih mendapatkan 6 bulan matahari dan 6 bulan malam di kutub, tetapi bagi sebagian besar bumi, ini akan menjadi perubahan radikal yang memiliki siang dan malam selama itu.

Efek lain yang mungkin, Obliquity (tidak ada bulan, mungkin lebih besar, pendorong zaman es yang lebih besar), lihat di sini . Juga, jika Bumi masih memiliki Bulan tetapi Bulan berada di orbit yang lebih memanjang, kita masih akan memiliki pasang surut saat Bulan bergerak masuk dan keluar ke appogee dan perogee. Lihat gambar

Sumber

Intinya, walaupun kita mungkin tidak terlalu memikirkannya, bulan dengan ukuran berbeda sebenarnya akan berubah cukup banyak. Bulan yang lebih kecil akan bergerak menjauh dari Bumi lebih lambat dan bumi mungkin dapat memiliki 2 bulan mungkin dengan menangkap, jika bulan lebih kecil, juga kita mungkin memiliki zaman es yang lebih agresif dan perubahan iklim karena variasi miring yang lebih besar dan, dengan asumsi dampak raksasa masih terjadi dengan cara yang sama tetapi sejumlah kecil puing-puing (yang tidak masuk akal, tetapi mari kita berpura-pura), maka bulan yang lebih kecil tidak akan memperlambat rotasi bumi sebanyak dan Bumi mungkin berputar cukup sedikit lebih cepat, 10 atau 15 jam hari daripada 24. Efeknya akan sangat signifikan.