Astronomía

Bloqueo de marea de tierra y luna

Bloqueo de marea de tierra y luna


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Como la Luna está bloqueada por mareas con la Tierra, eso significa que desde la Tierra solo podemos ver un lado de la Luna.

¿Podemos ver todos los lados de la Tierra, desde la luna?


La tierra y la luna hacer interactúan, pero debido a que tienen diferentes tamaños y masas, el efecto en cada uno es diferente.

La Luna gira una vez en su órbita alrededor de la Tierra, lo que hace que muestre constantemente la misma cara. Este fue el efecto de la Tierra sobre la Luna debido al arrastre de las mareas por gravedad.

Es bastante estable, la Luna seguirá mostrando la misma cara a la Tierra incluso cuando las fuerzas de la marea hagan que orbite cada vez más lejos.

De hecho, vemos un poco más del 50% de la Luna. La órbita de la Luna hace que su aspecto asiente porque su órbita es ligeramente elíptica y oscila porque no está orbitando directamente sobre el ecuador. Con el tiempo, en realidad vemos casi el 60 por ciento de la superficie de la Luna (un efecto llamado libración).

El efecto de la Luna en la Tierra ha sido reducir su rotación diaria a 24 horas. En el pasado, la Luna estaba mucho más cerca de la Tierra y el día era mucho más corto. A medida que pasa el tiempo y la Luna se mueve hacia una órbita más amplia, la duración del día de la Tierra aumentará (ver, por ejemplo, esta publicación de Scientific American).

He leído que la Luna retrocederá hasta cierto punto, luego comenzará a acercarse a la Tierra nuevamente, pero desafortunadamente el Sol se convertirá en un gigante rojo antes de eso y se tragará la Tierra y la Luna.


Si. El bloqueo de la marea de la luna con respecto a la tierra significa que la luna gira una vez y su eje exactamente en el mismo tiempo que requiere para orbitar la tierra. Para ver siempre el mismo lado de la Tierra, debes orbitarlo al mismo tiempo que la Tierra necesita girar sobre su eje, es decir, en 24 horas. La órbita de la luna alrededor de la tierra tarda unos 27 días, por lo que desde la luna verás que la tierra gira debajo de ti y, con el tiempo, podrás ver todos sus lados.

El período de la órbita viene dictado por la distancia a la tierra; los objetos más alejados de la Tierra la orbitarán más lentamente, los objetos más cercanos más rápidamente. Para ver siempre el mismo lado de la tierra, un objeto debe estar en un lugar particular, un órbita geoestacionaria, que se encuentra en el plano ecuatorial. Esto está a 42000 km del centro de la tierra, o aproximadamente a 36000 km sobre su superficie.
Los satélites de televisión y otros satélites de comunicación se encuentran en una órbita geoestacionaria, y esta órbita está tan abarrotada que los satélites se encuentran a unas pocas decenas de kilómetros de sus vecinos. Todo el mundo quiere que su satélite tenga la longitud adecuada para dar servicio a América del Norte o Europa.

La tercera ley de Kepler dice que hay una relación fija entre el período orbital al cuadrado y la distancia al cubo. Por ejemplo, el período de la luna en días al cuadrado es aproximadamente 750. Si divide la distancia de la luna al cubo por la distancia de la órbita geoestacionaria al cubo, obtiene este mismo número.


Cuando una luna tiene una masa considerable, como la luna de la Tierra, algo llamado fuerza de marea ocurre. La fuerza de marea se refiere a la atracción gravitacional desigual entre dos objetos. Aquí es también donde mareas altas y mareas bajas nacen, dependiendo del océano más cercano a la luna en un momento dado. A lo largo de la historia, la fuerte atracción gravitacional de la Luna por parte de la Tierra ha cambiado la rotación de la Luna, lo que finalmente ha dado como resultado patrones de órbita coincidentes. Esta rotación uniforme es exactamente lo que se quiere decir cuando se dice que la luna está bloqueado por las mareas a la Tierra.

En términos simples, debido a años de cambio causado por la gravedad desequilibrada, cuando la Tierra gira, la Luna está copiando su giro exacto, lo que hace imposible ver el otro lado de la Luna a menos que sea desde una nave espacial.


Contenido

Lunas [editar | editar fuente]

La mayoría de las lunas están bloqueadas por mareas están bloqueadas por mareas con sus primarias, porque orbitan muy de cerca y la fuerza de las mareas aumenta al disminuir la distancia. Plutón y Caronte es un ejemplo especial de un bloqueo de marea donde Caronte es una luna grande en comparación con su primaria y tiene una órbita relativamente cercana. Las otras lunas de Plutón están caóticamente bloqueadas por mareas debido al efecto de Caronte. La rotación de la Luna de la Tierra y los períodos orbitales están bloqueados por mareas entre sí, por lo que no importa cuándo se observa la Luna desde la Tierra, siempre se ve el mismo hemisferio de la Luna. & # 160 Cuando se observa la Tierra desde la Luna, la Tierra no lo hace ' Parece que se ve a través del cielo, pero parece permanecer en el mismo lugar, girando sobre su propio eje.

El bloqueo de las mareas de las lunas de asteroides se desconoce actualmente.

Planetas [editar | editar fuente]

Mercurio tiene una órbita de giro de 3: 2, girando tres veces por cada dos revoluciones alrededor del Sol, lo que da como resultado el mismo posicionamiento en esos puntos de observación. Mercurio ha estado en el estado de rotación 3: 2 poco después de su formación, aproximadamente 10-20 millones de años. Venus y la Tierra tienen una órbita extremadamente cercana, desconocida si se produce un bloqueo de marea.
El exoplaneta Proxima Centauri b orbita su estrella madre está bloqueada por mareas, expresando una rotación sincronizada y una semejanza de giro-órbita 3: 2 como Mercurio

Estrellas [editar | editar fuente]

Se encuentra que las estrellas binarias cercanas están bloqueadas por mareas, antes de formarse en 1 estrella. Tau Boötis, un ejemplo inusual, una estrella podría estar bloqueada por la marea de su planeta Tau Boötis b. Dado que las estrellas son cuerpos gaseosos que giran con diferentes velocidades en diferentes latitudes, el bloqueo de las mareas se debe al campo magnético de Tau Boötis.


Recesión lunar

  • Da como resultado una aceleración neta hacia adelante de la Luna.
  • Mueve la Luna a un ligero mas grande orbita

La tasa de recesión lunar se puede medir mediante experimentos de alcance láser que utilizan matrices de retrorreflectores dejadas en la Luna por las misiones Apolo (Apolo 11, 14 y 15) y dos módulos de aterrizaje soviéticos (Lunakhod 1 y 2). Los telescopios terrestres hacen rebotar rayos láser en las matrices de reflectores y miden la distancia a la Luna con precisión milimétrica.


Impactos planetarios

3.3 Evolución de la biosfera

La evidencia del sistema Tierra-Luna sugiere que la tasa de cráteres se había estabilizado esencialmente a algo que se acercaba a un valor constante de 3.0 Ga. Aunque los impactos importantes de formación de cuencas ya no estaban ocurriendo, todavía hubo impactos ocasionales que dieron como resultado cráteres en el rango de tamaño de un unos cientos de kilómetros. El registro terrestre contiene restos de las estructuras de Sudbury, Canadá, y Vredefort, Sudáfrica, que tienen diámetros de cráter originales estimados de ∼250 km y ∼300 km, respectivamente, y edades de ∼2 Ga. Es poco probable que se produzcan eventos de este tamaño. han causado cambios significativos a largo plazo en la geosfera sólida, pero probablemente afectaron la biosfera de la Tierra. Además de estos cráteres de impacto precámbricos reales, se han descubierto relativamente recientemente en Australia y Sudáfrica varios lechos de esférulas anómalas con edades que oscilan entre ~ 2,0 y 3,5 Ga. La evidencia geoquímica y física (cuarzo impactado) indica un origen de impacto para algunos de estos lechos en la actualidad, sin embargo, se desconocen sus cráteres de origen. Si, como se indicó, uno de estos lechos de esférulas en Australia se correlaciona temporalmente con uno en Sudáfrica, su extensión espacial excedería los 32 000 km 2.

En la actualidad, el único caso de un vínculo físico y químico directo entre un evento de gran impacto y cambios en el registro bioestratigráfico se encuentra en el “límite Cretácico-Terciario”, que ocurrió hace unos 65 millones de años (Ma). La evidencia física mundial del impacto incluye: características microscópicas de deformación plana producidas por choque en el cuarzo y otros minerales la aparición de stishovita (un polimorfo de cuarzo de alta presión) y diamantes de impacto minerales de alta temperatura que se cree que son condensados ​​de vapor y varios, generalmente esférulas alteradas, fundidas por impacto. La evidencia química consiste principalmente en una anomalía geoquímica, indicativa de una mezcla de material meteorítico. En las secciones no perturbadas de América del Norte, que se establecieron en pantanos y charcas en tierra, el límite consta de dos unidades: una inferior, vinculada a eyecciones balísticas, y una superior, vinculada a la dispersión atmosférica en la bola de fuego del impacto y la posterior lluvia radiactiva. un período de tiempo. Esta capa de bola de fuego ocurre en todo el mundo, pero el horizonte de eyección se conoce solo en América del Norte.

El límite Cretácico-Terciario marca una extinción masiva en el registro bioestratigráfico de la Tierra. Originalmente, se pensaba que el polvo en la atmósfera producido por el impacto provocaba un oscurecimiento global, el cese de la fotosíntesis y el enfriamiento. Se han sugerido otros posibles mecanismos de muerte. El hollín, por ejemplo, también se ha identificado en depósitos fronterizos y su origen se ha atribuido a incendios forestales dispersos a nivel mundial. El hollín en la atmósfera puede haber aumentado o incluso superado los efectos producidos por las nubes de polvo globales. Recientemente, se ha puesto un énfasis creciente en la comprensión de los efectos de las eyecciones vaporizadas y fundidas en la atmósfera. Los modelos de la radiación térmica producida por la reentrada balística de eyecta condensada del vapor y la masa fundida del impacto indican la aparición de un pulso de radiación térmica en la superficie de la Tierra. El patrón de supervivencia de los animales terrestres hace 65 Ma coincide en general con el concepto de que este intenso pulso térmico fue el primer golpe global a la biosfera.

Aunque el registro en los depósitos del límite Cretácico-Terciario es consistente con la ocurrencia de un impacto mayor, está claro que muchos de los detalles de los posibles mecanismos de muerte y la extinción masiva asociada no se conocen completamente. El "cráter asesino" ha sido identificado como la estructura de ∼180 km de diámetro, conocida como Chicxulub, enterrada bajo ∼1 km de sedimentos en la península de Yucatán, México. Las variaciones en la concentración y el tamaño de los granos de cuarzo impactados y el espesor de los depósitos límite, en particular la capa de eyección, apuntan hacia un cráter de origen en América Central. Se han encontrado minerales impactados en depósitos tanto en el interior como en el exterior de la estructura, al igual que rocas fundidas por impacto, con una edad isotópica de 65 Ma.

Chicxulub puede ser la clave de los posibles mecanismos de extinción. Las rocas objetivo incluyen lechos de anhidrita (CaSO4), y los cálculos del modelo para el impacto de Chicxulub indican que el SO2 liberado habría enviado entre 30 mil millones y 300 mil millones de toneladas de ácido sulfúrico a la atmósfera, dependiendo de las condiciones exactas del impacto. Los estudios han demostrado que la disminución de las temperaturas después de grandes erupciones volcánicas se debe principalmente a los aerosoles de ácido sulfúrico. Los modelos, que utilizan las estimaciones superior e inferior de la masa de ácido sulfúrico creado por el impacto de Chicxulub, conducen a una caída calculada en la temperatura global de varios grados Celsius. El ácido sulfúrico eventualmente regresaría a la Tierra como lluvia ácida, lo que causaría la acidificación de la parte superior del océano y potencialmente conduciría a extinciones marinas. Además, el calentamiento por impacto de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera produciría NO.X gases que afectarían la capa de ozono y, por tanto, la cantidad de radiación ultravioleta que llega a la superficie de la Tierra. Al igual que los aerosoles que contienen azufre, estos gases reaccionarían con el agua de la atmósfera para formar ácido nítrico, lo que provocaría lluvias ácidas adicionales.

La frecuencia de eventos del tamaño de Chicxulub en la Tierra es del orden de uno cada 100 Ma. Los impactos más pequeños, pero aún significativos, ocurren en escalas de tiempo más cortas y podrían afectar el clima terrestre y la biosfera en diversos grados. Algunos cálculos de modelos sugieren que el polvo inyectado a la atmósfera a partir de la formación de cráteres de impacto tan pequeños como 20 km podría producir reducciones de luz global y alteraciones de la temperatura. Dichos impactos ocurren en la Tierra con una frecuencia de aproximadamente dos o tres cada millón de años, pero no es probable que tengan un efecto grave sobre la biosfera. Sin embargo, el componente más frágil del medio ambiente actual es la civilización humana, que depende en gran medida de una infraestructura organizada y tecnológicamente compleja para su supervivencia. Aunque rara vez pensamos en la civilización en términos de millones de años, hay pocas dudas de que si la civilización dura lo suficiente, podría sufrir severamente o incluso ser destruida por un evento de impacto.

Los impactos pueden ocurrir en escalas de tiempo históricas. Por ejemplo, el evento de Tunguska en Rusia en 1908 se debió a la explosión atmosférica de un cuerpo relativamente pequeño a una altitud de ~ 10 km. Se ha estimado que la energía liberada, basada en la requerida para producir las perturbaciones sísmicas observadas, es equivalente a la explosión de ~ 10 megatones de TNT. Aunque la explosión de aire provocó la devastación de ∼2000 km 2 de bosque siberiano, no hubo pérdida de vidas humanas. Eventos como Tunguska ocurren en escalas de tiempo de mil años. Afortunadamente, el 70% de la superficie de la Tierra es océano y la mayor parte de la superficie terrestre no está densamente poblada.


La teoría de la rotación del "bloqueo de marea" de la Luna: ¿qué tiene de malo?

El propósito para mí al crear esta amenaza es encontrar una explicación racional, no necesariamente científica, de por qué la rotación de la luna está bloqueada en su órbita alrededor de la Tierra.

El "bloqueo de las mareas" es problemático porque, incluso aquí en la Tierra, los científicos no tienen una explicación decente de por qué hay dos mareas cada día, una en el lado cercano a la Luna y otra en el lado opuesto. Contradice rotundamente nuestra comprensión de la gravedad. (¿Por qué los océanos no toman una forma de clara de huevo, siendo la tierra la yema?) Hemos estado observando las mareas durante miles de años, pero no podemos explicar la mitad de ellas. Afirmar que "sabemos" que la rotación de la Luna es causada por un "bloqueo de marea", donde NO PODEMOS observar ninguna marea, mucho menos "fuerzas de marea", es pura hipocresía, no ciencia.
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La tarea autoproclamada de la ciencia es observar los fenómenos y explicarlos con una teoría. Pero cada teoría solo es válida hasta que se haya encontrado UNA contradicción. La gente debe darse cuenta de que la ciencia solo ofrece teorías, NO conocimiento. Depende de cada uno decidir qué explicación o teoría es adecuada y cuál no.

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"El par se define como el producto cruzado de la distancia y la fuerza del brazo de palanca, que tiende a producir rotación".
Para explicar mi desacuerdo, primero consideraré una luna que es sólida y tiene un centro de gravedad alejado de su eje de rotación. Al intentar rotar, la gravedad lo ralentizará, porque el "par" en un lado sería mayor que en el otro. Sin embargo, cuando el centro de gravedad llega al otro lado, el par aplicará la misma cantidad de fuerza para volver a acelerarlo.

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SI una luna es una esfera perfecta, pero tiene océanos u otros líquidos, entonces la gravedad de la tierra acercará los líquidos, lo que hará que se abulte o se apriete (de ahí el nombre "fuerza de marea"). La forma alargada del metal fundido en el núcleo de una luna la haría esencialmente asimétrica, lo que provocaría que las fuerzas de torsión se desequilibren y, por lo tanto, ralentice su rotación. A diferencia del ejemplo anterior con la luna sólida, el centro de gravedad NO se desplazará hacia el otro lado (por lo tanto, no lo volverá a acelerar).

Sin embargo, este efecto de torsión no se aplicaría al agua. Debido a su baja "viscosidad" (resistencia al flujo: miel contra agua), el agua fluye fácilmente y tan rápido como la gravedad lo ordena. Por lo tanto, la forma alargada siempre apuntará directamente a la tierra. Con el centro de gravedad NO retirado del eje de simetría, las fuerzas de torsión se aplican por igual a ambos, el lado que se aproxima y al lado que se aleja.

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Por otro lado, los líquidos en movimiento provocan fricción. Con la fricción, la fuerza de la marea genera calor, que es una pérdida de energía, reduciendo la inercia (tendencia a mantener su velocidad) de la rotación.

Echemos un vistazo a nuestra Luna real. Tiene un núcleo que está fundido hasta cierto punto. Debido a su pequeño tamaño (relativo a todo su cuerpo), la alta viscosidad y la alta presión que impide cualquier movimiento significativo, el abombamiento o cualquier otro movimiento parecería mínimo. La extensión de la protuberancia debe calcularse en función de estos factores antes de que uno pueda siquiera mirar el par de torsión que causará.

Conclusión: Para determinar cuántos millones o miles de millones de años se necesitarían para que tal protuberancia provoque que una luna o un planeta se "bloquee por marea" requiere un cálculo monstruoso, con muchos factores que son poco más que estimaciones vagas. Difícilmente es algo que pueda afirmarse con los conocimientos actuales y las capacidades tecnológicas para medir. Consideraría esta nuestra "mejor teoría científica disponible", una suposición plausible, no un conocimiento.

¿Dónde crees que estoy en lo correcto o incorrecto? Espero recibir críticas y / o correcciones de mis explicaciones y conclusiones. No necesito que me digan que soy "obstinado obstinado", o cualquier otra caracterización errónea por negarme a aceptar una teoría solo porque es LA teoría considerada "conocimiento" por los científicos convencionales; sin embargo, me parece que se contradice o carece de razonamiento racional y lógico.


Una inmersión profunda en Tidal Lock

Si se mencionan las zonas habitables de las enanas rojas, las esclusas de las mareas aparecen invariablemente. Si un planeta está lo suficientemente cerca de una estrella roja tenue para mantener temperaturas adecuadas para la vida, ¿no mantendría una cara vuelta hacia él a perpetuidad? Pero el bloqueo de las mareas, como explica Ashley Baldwin en el ensayo siguiente, es más complejo de lo que a veces nos damos cuenta. Y si bien hay formas de producir modelos de clima templado para tales planetas, el bloqueo de las mareas en sí mismo es un factor no solo en las enanas M, sino también en las estrellas de clase K e incluso G como el Sol. Dale la vuelta a algunas condiciones iniciales y la Tierra misma podría haber estado bloqueada por las mareas. El infatigable Dr. Baldwin sigue de cerca las últimas investigaciones sobre exoplanetas, equilibrando de alguna manera su beca astronómica con una carrera como psiquiatra consultor en 5 Boroughs Partnership NHS Trust (Warrington, Reino Unido). Siga leyendo para aprender mucho sobre dónde se encuentra el pensamiento actual sobre un tema crítico para la cuestión de la habitabilidad de las enanas rojas.

por Ashley Baldwin

& # 8220 Bloqueo de marea & # 8221, & # 8220 Rotación capturada & # 8221 o & # 8220 Bloqueo de órbita giratoria & # 8221, etc. ocurre en la forma más reconocida cuando un cuerpo astronómico en órbita (ya sea una luna, un planeta o incluso una estrella) siempre presenta la misma cara hacia el objeto que está orbitando. En este caso, la órbita del cuerpo & # 8220satelital & # 8221 puede denominarse & # 8220sincrónico & # 8221, por lo que el cuerpo bloqueado por las mareas tarda tanto en girar alrededor de su propio eje como en orbitar a su compañero. Esto ocurre debido a que la gravedad del cuerpo primario flexiona el cuerpo en órbita en una forma alargada y alargada. Esto, a su vez, está expuesto a una interacción gravitacional variable con el cuerpo central.

Figura 1: Esfuerzos de marea y bloqueo de mareas

A medida que el & # 8220orbiter & # 8221 gira, su eje ahora alargado se sale de línea con la masa central, lo que, en consecuencia, lo perturba a medida que gira a lo largo de su órbita. Por lo tanto, queda sujeto a pares inducidos gravitacionalmente que pueden actuar como un freno a través del intercambio y disipación de energía, este último a través de la pérdida de calor inducida por fricción en el cuerpo en órbita perturbado. Como las zonas habitables enanas M están más cerca de su estrella central y su influencia gravitacional es mayor, es fácil ver cómo este calor disipado puede contribuir sustancialmente al flujo de energía general de un exoplaneta e incluso puede afectar su potencial de habitabilidad. inclinándolo hacia un escenario de invernadero desbocado. (Kopparapu 2013).

Durante millones de años (o más) este proceso puede conducir a una & # 8220 sincronización orbital & # 8221. Esto surge cuando el cuerpo en órbita alcanza un estado en el que ya no hay ningún intercambio neto de rotación durante el curso de una órbita completa (Barnes 2010). Dejar un estado de bloqueo de marea solo sería posible con la adición de energía al sistema. Esto podría ocurrir si algún otro objeto masivo (como un planeta o una estrella en, digamos, un sistema binario) rompiera el equilibrio. Si las masas de los dos cuerpos (por ejemplo, Plutón y # 038 Caronte) son similares, pueden unirse entre sí por mareas.

No todo bloqueo de mareas implica sincronización. La & # 8220Super-sincronización & # 8221 ocurre cuando un cuerpo en órbita queda bloqueado por las mareas a su cuerpo principal, pero gira a una velocidad fija pero más rápida. Un ejemplo actual de esto es la antigua & # 8220 órbita de transferencia geosincrónica & # 8221 (GTO). Vemos esto en las especificaciones del lanzador todo el tiempo: & # 8220Payload to GTO & # 8221. Esta órbita es externa a la órbita geosincrónica, donde muchos satélites comienzan su vida operativa, pero permite cambios de inclinación de inserción preorbital & # 8212 gastando económicamente menos propulsor antes de la inserción final. Alternativamente, tales órbitas se pueden utilizar como vertederos de satélites que no funcionan o escombros relacionados, los llamados & # 8220 cinturones de cementerio geográfico & # 8221 (Luu 1998). Las simulaciones sugieren que podrían existir muchos exoplanetas en variantes de tales tipos orbitales.

La interacción gravitacional con una estrella central conduce a la desaceleración rotacional progresiva de un cuerpo planetario más pequeño como Mercurio a través del intercambio de energía y la disipación de calor. Esto se debe a variaciones sutiles pero importantes de la fuerza de marea a través del cuerpo en órbita (recordando que la gravedad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre dos cuerpos cualesquiera y por lo tanto existen & # 8220 gradientes gravitacionales & # 8221 a través de los cuerpos sólidos, lo que lleva a protuberancias). . Sin embargo, si la órbita planetaria inicial es significativamente excéntrica, este efecto varía sustancialmente a lo largo del período orbital (especialmente en la periapsis y el punto de interacción gravitacional más fuerte) y, en cambio, puede resultar en una resonancia de giro-órbita. En el caso de Mercury & # 8217s, esto es 3: 2 (tres rotaciones por dos órbitas) pero otras proporciones pueden ocurrir desde 2: 1 hasta 5: 2 (Mahoney 2013). Vale la pena señalar que este efecto es más pronunciado para planetas más cercanos donde los efectos gravitacionales son mayores, por lo que el efecto debería ser aún más relevante para las arquitecturas exoplanetarias compactas (por ejemplo, TRAPPIST-1) que parecen prevalecer.

En casos extremos donde el cuerpo en órbita & # 8217s la órbita es casi circular Y tiene una inclinación axial mínima o nula & # 8212 como con la Luna & # 8212, entonces el mismo hemisferio (permitiendo la libración) se enfrenta a la masa primaria.

Dicho esto, para simplificar, ahora asumiremos que un cuerpo de masa más pequeño (exoplaneta) está orbitando un cuerpo mucho más masivo (estrella) & # 8212 este es el enfoque de esta revisión, con un guiño inevitable hacia la habitabilidad.

Por razones de brevedad y también en relación con el tema de exoplanetas de publicaciones recientes, nos limitaremos al caso específico de los exoplanetas terrestres y sus órbitas alrededor de estrellas más pequeñas de la secuencia principal.

El tiempo hasta el bloqueo de las mareas puede incluso describirse mediante la ecuación adaptada:

Tcerrar con llave ≈ wa 6 (0,4 m*R 2) / (3 Gmpag 2 kR 5) (Goldreich, Goldreich & # 038 Soter 1966) (Peale 1977) (Gladman 1996) (Greenberg 2009)

Donde Tcerrar con llave es & # 8220 tiempo para el bloqueo de mareas & # 8221, w y k son constantes que pueden ignorarse por simplicidad, m* es la masa de la estrella, mpag es la masa del planeta, R es el radio del exoplaneta y & # 8220G & # 8221 es Newton & # 8217s, todas las constantes gravitacionales importantes.

Tcerrar con llave se alarga sustancialmente por & # 8220a & # 8221 & # 8212 creciente semieje planetario mayor (¡a la sexta potencia!). El tiempo de bloqueo de las mareas también se incrementa en 0,4 X m* en esta ecuación. Sin embargo, es importante recordar el contexto y cuán masiva es una estrella, de hecho CUALQUIER estrella, & # 8212 incluso una estrella enana M & # 8212 muchas veces, órdenes de magnitud incluso, más masiva que un planeta. Por tanto, una estrella juega el papel principal en el bloqueo de las mareas de sus planetas acompañantes.

La constante gravitacional G asegura que el aumento de la masa estelar disminuirá sustancialmente Tcerrar con llave. En igualdad de condiciones, el aumento de la masa estelar es un factor importante en la reducción del tiempo hasta el bloqueo de las mareas.

Figura 2: Masa estelar y tipo # 038 versus gráfico naranja / rojo de eje semi-mayor con T superpuestasincronizar durante 0,1,1 y 10 gigayear veces para un planeta de masa terrestre. (Penz 2005)

El concepto de sincronización es relativamente nuevo, se remonta a Stephen Dole & # 8217s seminal Planetas habitables para el hombre a principios de la era espacial a principios de la década de 1960. El concepto era puramente teórico, con parámetros algo arbitrarios en este punto, pero implicaba que el bloqueo de las mareas sería un impedimento importante para los exoplanetas & # 8220habitables & # 8221 amigables con los humanos que Dole tenía en mente para su libro. Fue aquí donde las órbitas y los planetas bloqueados por las mareas en los sistemas enanos M se vincularon por primera vez, de una manera negativa que, hasta cierto punto, todavía existe en la actualidad (¡incluso antes de que lleguemos a las eyecciones de masa coronal, EUV y llamaradas estelares, etc.!) Colapso atmosférico debido congelarse en el lado del planeta que mira en dirección opuesta a la estrella no es el menor de estos problemas.

Fue solo en 1993 que Kasting et al emplearon sofisticados modelos climáticos 1-D como parte de la descripción de lo que constituían planetas habitables. Los planetas habitables esencialmente ahora significaban planetas con condiciones que podrían sostener agua líquida en sus superficies. Este es un listón bastante más bajo que el establecido por Dole treinta años antes, pero mucho más aplicable y sigue siendo un pilar de la ciencia de los exoplanetas en la actualidad. Más importante aún, el equipo de Kasting también simuló la interacción gravitacional estrella / planeta.

Lo hicieron utilizando el modelo & # 8220Equilibrium Tide & # 8221 (ET). Las variantes refinadas de esto se han convertido ahora en EL elemento básico de todos los estudios relacionados posteriores, ya que también ha & # 8220evolucionado & # 8221. Básicamente, el modelo asume que la fuerza gravitacional del maremoto (estrella) produce una forma alargada en el cuerpo perturbado (exoplaneta) y que su eje largo está ligeramente desalineado con respecto a una línea imaginaria que conecta los dos centros de masa.

La desalineación es crucial y se debe a los procesos de disipación dentro del exoplaneta & # 8220 deformado & # 8221, lo que lleva a la evolución de la órbita y a los momentos angulares de giro. A partir de esto, se pueden crear varias ecuaciones que trazan la historia evolutiva orbital y rotacional de los exoplanetas a lo largo del tiempo (ver más arriba). La ET se derivó originalmente del sistema Tierra / Luna por Darwin en 1880 antes de ser refinada por Pearle en 1977. Las iteraciones varían de manera sutil pero significativa y se utilizan como base para simulaciones cada vez más sofisticadas a medida que aumenta la potencia de cálculo. Barnes 2017 ha llevado a cabo una revisión detallada de la sincronización y el modelado ET (ver más abajo).

Kasting et al mostraron la sincronización de supuestos exoplanetas que orbitan en las zonas habitables de las enanas M, estrellas con una masa de hasta 0,42 Msol, dentro de 4.5 mil millones de años. Introdujeron el término ahora familiar & # 8220 radio de bloqueo de marea & # 8221. Aunque fue un gran paso adelante, esto tuvo la desafortunada consecuencia de continuar propagando una visión pesimista de exoplanetas habitables orbitando tales estrellas. Es importante destacar que la masa estelar todavía se consideraba la principal, si no la única, causa de sincronización. El gráfico a continuación (de Yang et al 2014), aunque se basa en modelos sofisticados, aún captura este tipo de pensamiento. Aquí, varios rangos de modelos de zonas habitables se superponen en un gráfico de insolación estelar relativa (y tipo de estrella) frente a ejemplos de eje semi-mayor de exoplanetas conocidos, lo que agrega una perspectiva realista. Notarás también que para un 0.42 Msol estrella, con una temperatura de alrededor de 3500 K, el rango habitable interior 1-D está muy cerca del valor atribuido al recientemente descubierto TOI 700d & # 8212 a mediados de los 80 por ciento.

figura 3: Gráfico de temperatura de la estrella frente al flujo estelar con clases de estrellas coloreadas superpuestas y línea discontinua gris & # 8220 radio de bloqueo de marea & # 8221.

Los efectos de otros factores & # 8212 como la excentricidad orbital inicial (ya encontrada anteriormente con Mercurio), la tasa de rotación de la línea de base, la presencia de cuerpos acompañantes (Greenberg, Corriea 2013), mareas térmicas que surgen de atmósferas (Leconte et al 2015) y estelar. e interiores planetarios (Driscoll & # 038 Barnes 2015), inclinación orbital (Barnes 2017) & # 8212 no fueron considerados. Como se puede ver, solo ha sido durante los últimos cinco años más o menos que estas cosas se han agregado a las simulaciones. De hecho, los resultados de estos estudios alteran mucho todo el paradigma del bloqueo de las mareas con especial relevancia para las zonas habitables, que a pesar del refinamiento (Kopparapu 2013, Selsis 2007) solo han cambiado ligeramente, un gran cumplido para el trabajo de Kasting & # 8217 en 1993.

En conjunto, los planetas de la zona habitable de estrellas M, K y G tienen el potencial de quedar bloqueados por mareas. No solo las enanas M & # 8212, aunque su potencial sigue siendo el mayor y especialmente para & lt 0,1 Msol estrellas como TRAPPIST-1. Incluso la Tierra, si su rotación inicial hubiera sido mayor que solo tres días, según Barnes 2017, podría haberse vuelto sincrónica.

En aras de la brevedad, esta revisión se ha centrado en gran medida en la masa estelar como uno de los principales impulsores de la sincronización exoplanetaria. Como se puede ver anteriormente, a medida que avanza el conocimiento en esta área, entran en cuenta otros procesos. También se está volviendo cada vez más difícil extraerlos de los impulsores de la habitabilidad exoplanetaria. Entonces, con este fin, debemos analizar con más detalle algunos de los factores mencionados anteriormente.

El planeta Venus es inusual en muchos aspectos, pero destaca uno en particular: su velocidad de rotación retrógrada y lenta que es más larga que su período orbital. ¿Por qué? ¿Qué hace diferente a Venus? Un factor es que es un planeta rocoso con una atmósfera sustancial (92 bar en su superficie). Todos conocemos el infame efecto invernadero desbocado que provoca, lo que convierte a Venus en el planeta más caliente del Sistema Solar a pesar de estar más alejado del Sol que Mercurio (resonante de giro / órbita). Sin embargo, ¿esta atmósfera tiene otros efectos?

En la Tierra, el ciclo día / noche conduce a variaciones en la distribución del calor en la atmósfera. Se sabe que la hora más calurosa del día en la Tierra no ocurre cuando el Sol está en su cenit y, por lo tanto, más cerca de la Tierra, sino varias horas después. Esto se debe a la inercia térmica. Existe un retraso entre el calentamiento solar y la respuesta térmica, lo que conduce a una redistribución masiva. Como la atmósfera y la superficie de la Tierra están generalmente bien unidas por fricción, esto dará lugar a pares térmicos no despreciables.

Estos pares son similares a los pares que surgen de la interacción gravitacional desigual del Sol con la Tierra descrita anteriormente, aunque no tan potentes. En la Tierra, con su órbita extendida de 1 AU, son en gran parte intrascendentes, pero para 0.3 AU más cerca de Venus, se vuelven significativos. Dependiendo de su dirección, pueden ralentizar O acelerar la rotación planetaria, pero de cualquier forma ayudan a resistir la sincronización. Con el tiempo, los pares de torsión que surgen en Venus han actuado para ralentizar su rotación, tanto que se ha revertido al patrón retrógrado que vemos hoy.

Entonces, si esto es cierto para Venus, ¿qué hay de los exoplanetas? ¿Pueden estos pares atmosféricos resistir o al menos retrasar la sincronización y el bloqueo de las mareas en áreas vulnerables alrededor de una estrella? Esto ha sido ampliamente modelado por Leconte et al 2015 y la respuesta fue un rotundo sí, especialmente para estrellas más pequeñas y menos luminosas con zonas habitables cercanas, y no solo para exoplanetas con atmósferas de 90 bar. Even 1 bar Earth-like atmospheres could help resist synchronisation for the habitable zones in stars of 0.5 Mearth – 0.7 Mearth.

Ten bar atmospheres were simulated and shown to resist synchronisation even for habitable zone planets orbiting 0.3 Mearth stars (mid-M dwarfs). These are the high bar “maximum greenhouse” CO2 atmospheres that are postulated to occur in the outer regions of stellar habitable zones. But there are limits. Venus’ 92 bar atmosphere is ironically so thick that most of the incident sunlight that isn’t reflected back into space is either absorbed or scattered before it can reach the planetary surface and exert the driving effect of thermal torques (Leconte et al 2015).

Figura 4: Red arrow synchronous rotation / blue arrow asynchronous rotation graph (Leconte 2015).

Orbital synchronisation and exoplanet habitability remains a contentious theoretical field that is subject to continual debate and constant change. Modern Global Climate Modelling (GCM) has become a sophisticated sub-science. Using an earlier iteration of GCM, Yang et al showed in 2013 that synchronised M-dwarf habitable zone planets would form thick cloud banks above their sub-stellar point. This would then reflect much of the incident stellar flux, thus reducing the energy reaching the surface. In turn, this would reduce the overall energy reaching the planet and so reduce global temperatures. The net effect in theory is to extend the stellar habitable zone inwards. However, the same author collaborated with Wolf and Kopparapu in 2016 to apply an updated 3-D model to the same problem. This showed that a sub-stellar cloud bank could not form, or would form and then move, a result effectively rebutting the 2013 findings and moving the habitable zone back to its original pre 2013 starting point. Expect more of this !

So, all things considered, just how easy is it for an exoplanet to become tidally locked and just how easy can habitable zone planets become tidally locked ? Barnes 2017 attempted to address just this question for exoplanets in circular orbits. He applied two well recognised refined variants (CPL left, CTL right in the graphic below) of the ET to two model populations of exoplanets orbiting differing stellar masses, and ran thousands of giga-year simulations for each (think of the computing power and time!) One population had a starting orbital period of 8 hours and an orbital tilt of 60°. The other had a starting period of ten days and a tilt of 0°. This produced the four outcomes illustrated below. The superimposed grey shading represents the latest habitable zones (Kopparapu 2013) iteration, with the dark grey representing the “conservative” and the light the “optimistic”.

Figura 5: “Four in one” black and white stellar mass vs semi-major axis / superimposed greyscale habzone graphs.

These results are indicative and significantly different from the status quo, which is that tidal locking is only something that applies to exoplanets orbiting in close to M dwarf and smaller K dwarf stars. For one thing, even this older paradigm implies that at least some “Goldilocks” stars are not quite as homely as expected (more Kasting than Dole). The Barnes work hints at potential overlap of the habitable zone for potentially a large fraction of K-class and even many G-class stars, driven by factors beyond simple stellar mass. Clearly planets with a slow initial rotation rate and low orbital tilt are at greater risk, as may prove the case. Opposed to this are non-synchronising factors such as, inter alia, higher baseline orbital eccentricities and the close proximity of other orbiting bodies (moons, planets …thinking TRAPPIST-1 and binary stars/brown dwarfs, as with the recently described Gliese 229Ac system).

What this also shows is the inextricable link between orbital features and planet habitability. No more so demonstrated than by Kepler, and likely even more so with its greater number of short orbital period planets, with any potential habitable zone planetary candidates lying within just tenths or less of an AU from their parent star. This is very much in the “red arrow” synchronous zone in the Leconte graphic above.

There are now over 4000 known exoplanets. The current focus is on their “characterisation” and this is largely about atmospheres and biosignatures. However, it is obvious that we need to know far more about their evolving and historical orbital properties. This is a part of a process of determining habitable planets/zones, which are about so much more than stellar mass.

Most of the exoplanets discovered already by Kepler et al orbit close in to their stars, including those few in the potential tidal lock habitable zone. Ongoing Doppler photometry and TESS will identify thousands more such exoplanets, many of which will be even closer to their latest star given TESS’ shorter 27 day observation runs. TOI 700d and Gliese 229Ac are just for starters. Hopefully the search for habitability will expand to encompass the unavoidable connexion with planetary orbital features.

Know the star to know the planet, but know the orbit to know them both.

Figura 6: Stellar effects/planetary properties/planetary systems (Meadows and Barnes 2018)

Barnes,R. Formation and evolution of exoplanets. John Wiley & Sons, p248, 2010

Barnes, R. Tidal locking of habitable exoplanets. Celestial mechanics and dynamical astronomy Vol 129, Issue 4, pp 509-536, Dec 2017

Darwin, G H. On the secular changes in the elements of the orbit of a satellite revolving about a tidally distorted planet. Royal Society of London Philosophical Transactions, Series I, 171:713-891 1880.

Dole, S H. Habitable Planets for Man. 1964

Goldreich, P. Final spin rates of planets and satellites. Diario astronómico, 71, 1966

Goldreich, P., Soter, A., Q in the solar system. Icarus 5, 375-389, 1966

Gladman, B et al. Synchronous locking of tidally evolving satellites. Icarus 133 (1) 166-192, 1996

Greenberg, R. Frequency dependence of tidal Q, El diario astrofísico, 698, L42-45, 2009

Kasting, J. F. Habitable zones around main sequence stars. Icarus,101 d 108-128 Jan 1993

Kopparapu, R K et al. Habitable zones around main sequence stars: New Estimates. El diario astrofísico, 765131, March 2013

Kopparapu R K, Wolf E, Yang et al. The inner edge of the habitable zone for synchronously rotating planets around low-mass stars using general circulation models. El diario astrofísico Volume 819, Number 1, March 2016

Luu, K. Effects of perturbations on space debris in super-synchronous storage orbits. Air Force Research Laboratory Technical Reports, 1998

Mahoney,T J. Mercury. Springer Science & Business Media, 2013

Meadows V S, Barnes R K. Factors affecting exoplanet habitability. In Handbook of Exoplanets P57, 2018

Peale, S J. Rotation histories of natural satellites. Burns, J A, Editor, IAU Colloquium 28 Planetary Satellites, p 87-111, 1977

Penz,T et al. Constraints for the evolution of habitable planets: Implications for the search of life in the Universe: Evolution of Habitable planets, 2005

Yang, J et al. Stabilising cloud feedback dramatically expands the habitable zone of tidally locked planets. The Astrophysical Journal Letters: 771:L45, July 2013

Yang, J et al. Strong dependence of the inner edge of the habitable zone on planetary rotation rate. The Astrophysical Journal Letters: 787:1, April 2014

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Hi Ashley, very interesting article. One question from the extract below though:

“It is known that the hottest time of day on Earth does not occur when the Sun is at its zenith and thus nearest to the Earth, but rather several hours later.”

Agreed that 3 pm, plus or minus, is warmer due to thermal inertia, just as mid January in the northern hemisphere is colder than December 21st. What I don’t understand is the “and thus nearest to Earth” comment. The Sun is always directly overhead over some point of Earth and thus at zenith all the time somewhere. Solar zenith is not related to our distance from the Sun. Our orbit around the sun is elliptical. We are closest in January and farthest in July. Maybe I missed something.

I was using “zenith” here in its broadest generic sense as a point directly above a specific location rather than in a formal celestial sphere sense.

It would be interesting to know what effect the creation of the Moon had on the rotation of the Earth. Would the Earth be tidally locked if not for the creation of the Moon?

Known examples plenty: Venus is not tidally locked. (but the situation is maybe even worse than being tidally locked.) the best analogy is probably the situation of Mars though: a 24 hour day but with much bigger swings in seasons and greater instability variations of its axis over long periods of time.

Very good explanation of tidal locking and synchronization.

Are you intending to do a follow up to look into the issue of tidal lock (and synchronization) on habitability? Is it a “life killer”, or does it offer a “temperate” zone on the terminator? Does it offer some shielding from high energy flare radiation?

If you read the many excellent reviews of this subject by Meadows and Rory Barnes in particular, referenced above ( they are all great reads ) the general consensus is that synchronous rotation is not a habitability killer. This is the view of much ( but not all of course) of the astro/geophysics community.

With enough atmosphere and/or ocean, heat can be distributed around the putative tidally locked planet enough to atmospheric collapse via freeze out on the “dark side” (although as you can see from the Leconte graph atmospheres help resist synchronicity ) .

The thing that troubles the scientific community far , far more is the extended pre-main sequence luminosity of all but the largest M dwarfs. Something Barnes has demonstrated in his sophisticated simulations too.

That’s why JWST finding CO2 in TRAPPIST-! d,e and/or f via transit spectroscopy is so vital ( and difficult – involving a sizeable chunk of the time et aside for exoplanet science) as that will show that secondary atmospheres can develop and persist around even active late M dwarfs of which TRAPPIST-1 is a representative example.

Hi Ashley,
Nice review, thanks.
Regarding the effects of the elevated stellar luminosity during the long pre-main sequence for M dwarfs, Kenyon and Bromley wrote a paper a few years ago pointing out that planet formation can occur well outside the habitable zone up to a billion years after the formation of an M dwarf. In about

5 percent of their simulations, the planet ends up in the habitable zone so this may be one way to have planets in the HZ that still have an atmosphere.

Thanks David . I am familiar with this work and it is indeed very much my hope although not everyone agrees with this scenario. But it’s important to take away from both this – and the content of my article – that most if not all of what is known is based purely on simulation . Until we have hard atmospheric characterisation data from JWST, the ELTs and hopefully WFIRST this will remain the case. Certainly in terms of habitability potential. Not too long to wait though .

Interesting paper, but I have never heard the idea of “thermal torques” before this article. I doubt any effects of a large atmosphere could slow down the rotation or speed of the axial spin of a planet if I have understood this idea presented here correctly. The reasons for Venus slow rotation are some interaction with Earth’s gravitational field and the Sun’s which slowed down Venus rotation since Venus might never have had much axial spin from the start.

Earth got it’s fast rotation or axial spin from a collision with a large body called Theia which gave the Earth the needed kinetic energy and angular momentum as theorized in the large impact hypothesis which is why a Moon is needed for an exoplanet to have a fast axial spin.

Consequently, the Earth will not be tidally locked with the Moon for tens of billions of years if these survive the red giant phase.

I assumed what Ashley meant was either an atmospheric version of the friction from ocean tides, or the effect of the bulge in the atmosphere due to heating having a similar effect to the gravitational bulge as outlined in the post.

Although ocean tide friction was not mentioned, it would be useful to have some orders of magnitude size effects for the various mechanisms that slow rotation.

From the link above it looks like the Earth has added about 3 hours to the length of day since the “Cambrian explosion”. Unlikely as it seems, the day would be 25 hours longer after 4 billion years, i.e. longer than our current day length, suggesting that this rate of rotation deceleration must be increasing over time.

There’s nothing new about the concept of atmospherically induced torques or “tides” . The theory originally dates back to Gold & Soter’s work in the late sixties . It continued unabated till culmination and definitive description with Leconte’s sophisticated computer modelling and simulations of 2015 – cited and referenced here. They are both very real and very potent as is clearly shown in the enclosed graph and related citation .

Levonte’s work is recognised and confirmed in Barnes’ far reaching “tidal locking” paper of 2017. This then goes on to explore the evolution of tidal locking in a wide range of planets of varying mass in varying orbits around the different mass stars – up to an including Earth mass at 1 AU from of a Sun analogue.

Regardless of the Earth’s rotation time before and after the putative (and still debated ) high angle impact of “Theia”, Barnes’ extensive simulation runs show that a moonless Earth mass planet in a 1 AU orbit about a sun mass star could become tidally locked within 4.5 billion years. Unless it’s baseline rotation rate was less than three days.

Pedantic comment, but important. PEMDAS! In the equation, if everything to the right of the solidus is meant be the denominator, as I suspect, then they MUST be enclosed in parentheses or the answer will be wrong by (Gmp^2 kR^5)^2.

No, this is not pedantry. Notation is all important. For example, try to interpret this sentence in the context of that ambiguous equation:

“The gravitational constant G ensures that increasing stellar mass will substantially decrease Tlock.”

It would also be helpful to add explanatory information to a few of the charts (which must be in the original source) since they are otherwise a mystery.

I’m in agreement about the importance of notation here. I’ve inserted the needed parentheses, as per djlactin.

Analyses such as these may help by guidance on where to look and what to look for. That could reset the Fermi paradox.

Si. As has been pointed out there are a lot of m dwarfs and one thing that has been shown is that these stars seem to possess planets in abundance. If any of these can be shown to harbour habitable planets then the game is well and truly afoot.

Magnetic fields, torque, magma oceans, and the music of the spheres, every time the Earth and Venus come close together she has the same face looking at the earth. A very good read is the book called “A Little Book of Coincidence” by John Martineau all about the graceful music of the solar system’s planets. This pattern is already being seen in the tightly packed planets around red dwarfs. One idea that may also influence these planets are the strong magnetic field of the red dwarfs and the other planets that come so close by each other. Many of these planets are earth to super earth size and have large oceans or large magma oceans beneath their surface, as in the large thick atmosphere of Venus would have large effects on rotation.

The other side of the coin is the possibility of elongated planets as the molten planet forms in the early age of the miniature solar systems. The chaotic nature that developed in these larger planets under the stress of close neighbors and a much closer star would make for variety of Io type planets with higher order aberrations in shape then anything in our solar system.

But what may be most intriguing are planets further out that have solidified enough that their surface is stable but would have a oval shape with oceans on the sun facing pole and glaciers on the twilight world of the opposite pole. In between would be low radiation lands with volcanoes and life migrating back and forth as the tides oscillate the planet. A nice day dream but maybe it will not be too long till we see the beauty of the chaos and its enchanting music.

Thank you Ashley for some very good food for my imagination!

Very good explanation of tidal locking and synchronization, with Pluto-Charon as outstanding examples of total lock.
Larry Niven & I took Pluto-Charon as a guide to our concluding novel in our Bowl of Heaven series. Our last megastructure is a gigantic tubular lifezone between Earth-scale worlds with Pluto-Charon locking. That expands beyond our Bowl ideas and yields an immense system with transport along the axis that deploys using pressure elevators to run the biosphere. The novel is Glorious, out in June. The first two Bowl novels are out in mass market paperback, over a thousand pages!

As ever I look forward to reading it .

I’m glad too if this all underpins just how important tidal locking is in planetary astronomy . Barnes’ findings alone have huge implications .

JWST allowing I’m hoping that with a bit of CO2 on TRAPPIST-1 e and you’ll get even more and exotic fictional opportunity with it in terms of life in M dwarf systems !

Even the Earth, had its starting rotation been greater than just three days, according to Barnes 2017, might have become synchronous.

If that means a 72 hour day, I thought the Earth was rotating faster than a 24 hour day after the Moon was formed and has since slowed down. Can you explain this?

Nearer to five hours according to simulations.

The 72 hour period for an Earth mass planet around a sun mass star is simply one of many hypothetical permutations Barnes ran through his (literally) thousands of sophisticated simulations over ‘giga years’. Counterintuitively showing that under arbitrary circumstances even terrestrial mass planets can become tidally locked as far out as the hab zone of early G stars.

All this based around two refined variants (see ‘ four in one ‘ graph and accompanying text) of the established and robust ‘equilibrium tide’ model that was in turn derived from the same maths that created the very simplified demonstration equation cited above .

Venus had oceans earlier but they were evaporated into space and a lot of water was lost from atmospheric stripping based on the DH2O ratio being higher in Venus atmosphere than Earth’s, a two to one ratio. Maybe the weight of the atmosphere or it’s torque slowed down Venus and gave it a retrograde rotation.

There does not have to be synchronization to have tidal locking, e.g., Mercury.

Alex Tolley, The reason why the Earth’s rotation is being slowed down by the tidal forces of the Earth and the angular momentum of the Earth’s axial spin or rotation is being transferred to the Moon’s orbital momentum so the Moon is slowly moving further away from the Earth a few centimeters per year. In the distant future we won’t have total eclipses anymore. At the same time the Earth is gaining time in it’s daily revolution which slowing down a small amount like one and one half miliseconds per century. Kopal 1979, The Realm of Terrestrial Planets.

This indicates that the Earth had to be spinning faster in the past. There is geological evidence: Scallops make one line on their shells every day which is visible under the microscope. They are the deposits of calcium carbonate made every day on their shells everyday so we know the Devonian year had to be 400 days long instead of 365 as today the scallops have 400 lines on their shells. Also the tides were larger and came further into the land shown by fossil evidence, so that indicates the Moon had to be closer to the Earth and the gravitational tidal forces were greater. Lyle, 2016, The Abyss of Time. Library book so I don’t have the page number.

Kopal’s Book, says in the Cambrian there were 500 days a year with only 21 hours a day. Devonian: 380 days a year with a 21.6 hour day. Carboniferrous 290, and 22.6 hour day, Upper Crataceous, 23.67 hour day etc. Library book.

This is the point I was trying to make. Using your example of a 21 hour day in teh Cambrian (0.55 bya), that is a decrease of 3 hours. Now extrapolate back to 4 bya and the decrease is now 21.8 hours. So the day length was just 2.2 hours. If the Moon was formed 4.5 bya (a tad early), the day length would be MINUS 30 minutes. I seriously doubt that Earth had such a rapid rotation rate even after a collision with the body that formed the Moon. While the effect of the Moon receding is due to momentum transfer, the key point is that it is due to the tidal friction. But when the moon was much closer, those tides would have been much larger and the frictions concomitantly higher as well, implying an even faster slowing down of the Earth’s rotation in the past than today. Something must have been different in teh past so that these extremely short daylengths cannot have been correct even using the more recent daylength calculations, and assuredly even faster [!] when the Moon was closer and the tides higher.

Does this make sense, or am I missing something?

A lot , indeed most of its angular momentum was probably lost through tidal interactions with the moon – which is moving further away taking energy with it as it goes . The rotation immediately after the Moon formation impact 4.5 billion years ago is currently modelled at just five and half hours . ( before that, who knows ? – but hazarding a guess – and looking at the non synchronised planets in the solar system whose angular momentum must have arisen from the same accretion disk – somewhere between 8 and 20 hours ) It then reduced over the next 4 billion years , simulated at about 21 hours by the pre/ Cambrian 600 million years ago .

The deceleration since then has increased at a greater rate – apparently due to extended periods of severe glaciation. ( without going into detail here – but it’s all available on line )

I should have read your comment first. So the relatively recent glaciations are the cause of a more recent faster slowdown in rotation compared to the earlier Earth eras? [My initial calculations used the 2.3 ms/day per century rotation slowdown from the NASA link which I assumed to be current during our interglacial period.]

Try “Analysis of Precambrian resonance-stabilised day length” Bartlett C and Stevenson D, Geophysical research letters, July 2016

Yet another mooted “Snowball Earth” heavyweight glaciation

So, the difference the moon-formation-impact made for the Earth rotation was anywhere between roughly 3 and 15 hours. Is there a way to narrow this down this a bit more?
And does the above equation indeed imply that a larger planet decelerates more rapidly (Tlock is divided by mp^2)? That puzzles me, since I would expect a heavier planet to retain more momentum.

Further with regard to the impact of the moon on Earth’s rotation rate, and after checking some more literature (e.g. Williams, G.E., 2000. “Geological constraints on the Precambrian history of Earth’s rotation and the Moon’s orbit” Bartlett, B.C., Stevenson, D.J., 2016. “Analysis of a Precambrian resonance-stabilized day length”), I wonder which of the effects of the moon has been strongest:

1) Angular momentum transfer, slowing down Earth’s rotation.
2) Atmospheric tidal resonance (as described in this post), stabilizing Earth’s rotation.
3) The moon-creating impact, speeding up Earth’s rotation.

Anyway, I understand now that this is a complex issue, which can work out both for better or for worse on a planet’s rotation.

What about libration? The Moon wobbles a bit in it’s orbit, so that we can see about 60% of it’s surface from Earth.

Is libration likely to be significant in tidally locked exoplanets, especially in those around M-dwarfs? If so,what effect would that have on climate?

Libration , like relativity is function of perspective . Like relativity it also demonstrates underlying theory

Libration is an observational phenomenon arising from oscillations in the gravitational evolution of the Earth/Moon orbital system . As seen from the Earth .

It is the product of three separate features. The first two are evolutionary facts of the tidal locking process and the last a quirk of observational viewpoint.

Firstly: ‘libration by longitude ‘ – the fact that despite orbital synchronisation the Moon’s orbit is not perfectly circular and retains a low eccentricity . So the moon leads or lags in its orbit of the Earth over time . This allows observers from the Earth to see ‘around the edges ‘ of Earth facing hemisphere over the course of an orbit.

Secondly : ‘ libration by latitude ‘ – despite synchronisation the moon retains a small but significant 6.7* tilt with respect to the Earth / Moon orbital plane . This again leads to observers being able to ‘see around the edges’ as above .

Finally the gravitational interaction that leads to synchronisation arises from the centre of mass of the combined system . This occurs on an imaginary ‘straight line’ connecting the centres of mass of the Earth and Moon. So any observer at the edge of the Earth as its rotates can again quite literally see around the edge of the hemisphere as opposed to that seen by a hypothetical observer situated at a point on the straight line ( on the Earth’s surface )

Each individually small but added up these three facets allow 59% of the Moon to be viewed in total.

As time progresses and left to itself tidal locking should reduce the orbital tilt of the smaller body in a ‘two body’ system to zero. Then (and much slower ) it’s orbital eccentricity to zero too. The Earth/ Moon is not a true two body system though ( are any ?) . Nor is the Earth a particularly massive body in the astrophysical terms . As such it is subject to constant additional gravitational perturbation from other solar system bodies not least the much more massive Sun and Jupiter. It is these interactions that drive the oscillations that translate into libration.

So I would guess that ‘pure’ synchronisation never occurs though libration itself though arising from gravitational interaction and orbital dynamics is ‘in the eye of the beholder’ .

In terms of exoplanets it serves to offer a diluted snapshot and insight into the consequences of tidal locking , synchronisation and their evolution .

If there are indeed exomoons out there – and circling tidal locked planets, the gravitational effects of their much closer star will be far more pronounced than that of the Sun on the Earth/Moon system . So libration would likely be even more pronounced.

Thanks for the detailed explanation. So from the perspective of an observer on an exoplanet, would the sun appear to rock back and forth over the course of an orbit? This could be a significant factor on the climate of the terminator.

Excellent post explaining tidal locking very well.
“Know the star to know the planet, but know the orbit to know them both” I used the first part myself a lot as a slogan, but you taught me the relevance of the 2nd part!
BTW, I think there is a slight error in the text: “stars of 0.5 Mearth – 0.7 Mearth”, I think that should be Msol instead.

I am a bit late in this discussion, due to being busy at work and at home, but this topic, related to stellar type and habitability is one of my favorite. I am familiar with the seminal work of Barnes et al. “The Barnes work hints at potential overlap of the habitable zone for potentially a large fraction of K-class and even many G-class stars, driven by factors beyond simple stellar mass. Clearly planets with a slow initial rotation rate…”. Darn, that’s a very sobering thought! I used to think that high initial rotation was the logical result of the disc accretion into planets. But if a moon-creating impact is necessary for it as well, then high rotation, not tidally locked planets might be much rarer.

With due respect, I have one minor disagreement:”increasing stellar mass is a major factor in reducing time to tidal locking”. Well, since the correlation is linear and solar type stars vary only a little in mass (about from 0.7 tot 1.1 Msol), I think that is a relatively modest factor, in comparison with the overwhelming impact of orbital distance (AU), as Fig. 2 also shows clearly.

Please see my comment (Ronald January 20, 2020, 8:52) under the recent post:https://www.centauri-dreams.org/2020/01/13/orange-dwarfs-goldilocks-stars-for-life/What I have tried to do myself is to show the combined importance of the concept of CHZ ánd that of T-lock, by plotting both T-lock and T-CHZ (= residence time in the continuous HZ) for an earthlike planet against stellar Teff (and all other factors, such as initial rotation rate and eccentricity equal). Ok, maybe it would have been better to use stellar luminosity instead of Teff, but Teff is a rather good proxy, because it correlates to the 4th power with luminosity. I have the T-CHZ from table 2 in the cites paper “About Exobiology: The Case for Dwarf K stars” by Cuntz and Guinan. And I based T-lock upon their baseline in chapter 4: that T-lock for a planet in de CHZ of a star with Teff of 4800 K (about K3) is 4.5 gy, and working from there, given the fact that T-lock correlates with the 6th (!) power of orbital distance.

What we see is that T-CHZ and T-lock are correlated with Teff (and hence stellar luminosity) in sort of opposite ways:The result is a large ‘X’ shaped graph, in which T-lock is going from low to high with increasing Teff, and T-CHZ going from high to low with increasing Teff.

Since both tidal locking and leaving the CHZ are detrimental to higher (= complex multi-celled) life, I consider both as absolutely limiting factors. So a planet would have to be underneath both lines in the graph, in order to be habitable for higher life. Hence, only the bottom section of the 4 sections of the X is habitable (for higher life).

In this graph the optimal stellar Teff would be where T-lock and T-CHZ are the same: the intersection of the 2 lines which is also the highest point of the bottom section. Here both T’s are at their combined maximum. I think that optimum lies somewhere around 5200 K, or about K0, where T-lock and T-CHZ are both around 20 gy.

Ok, the exact numbers may have to be amended, but I hope the principle idea is clear. Again, I did not consider different initital rotation rates, eccentricity, axial tilt, moons etc., just assuming an earth analogue.(I could sent the graph to Paul for your review and critique).


Will the earth and sun ever be tidally locked?

twice the tidal effect on the Earth as the Sun does hasn't had enough time to tidally lock the Earth it.

twice the tidal effect on the Earth as the Sun does hasn't had enough time to tidally lock the Earth it.

twice the tidal effect as the sun, so it would seem unlikely until the moon's orbit moves far enough away from earth that the sun has a greater effect or that the period of lunar orbit equals one earth year.

You can estimate the time it would take for one body to tidal lock to another by the formula:

Tidal locking takes time to occur.

The factors include the initial rotation speed of the body, its distance from the other body, Its moment of Inertia, the Mass and radius of the body it is orbiting, plus a couple of coupling factors.

I mentioned the Moon because its tidal effect on the Earth is larger than the Sun's, so if not enough time has passed for the Moon to slow the Earth's rotation to match its orbit, then definitely not enough time has passed for the Sun the tidally lock the Earth to it.

Ummm. La luna es tidally locked.

The above equation is a good one though.

Not to sound rude, but: so? The earth-moon and earth-sun systems are independent (barring the rotational effects the moon has on the earth). There's no sense in comparing the two.

Besides, the question is whether the Earth will become tidally locked to the Sun. In this case, the earth is the satellite and the sun is the primary. In the earth-moon, the earth is the primary and the moon is the satellite. The OP asked whether or not the earth will be tidally locked to the Sun, not the other way around.

You can estimate the time it would take for one body to tidal lock to another by the formula:

Tidal locking takes time to occur.

The factors include the initial rotation speed of the body, its distance from the other body, Its moment of Inertia, the Mass and radius of the body it is orbiting, plus a couple of coupling factors.

I mentioned the Moon because its tidal effect on the Earth is larger than the Sun's, so if not enough time has passed for the Moon to slow the Earth's rotation to match its orbit, then definitely not enough time has passed for the Sun the tidally lock the Earth to it.

I mentioned the Moon because its tidal effect on the Earth is larger than the Sun's, so if not enough time has passed for the Moon to slow the Earth's rotation to match its orbit, then definitely not enough time has passed for the Sun the tidally lock the Earth to it.

Tidal force is proportional to the mass exerting the force and inversely proportional to its distance. The moon is 1/27210884 the mass of the Sun, but it is 400 times closer. So the Sun's tidal force on the Earth is 27210884/400^3 = 0.4252 times that of the Moon.

It is This tidal force acting on the Earth which would cause it to lock with either the Earth or Moon. Since the Moon exerts the greater tidal force on the Earth, It would be the first to tidally lock the Earth to it.

Actually, if you look at the formula I gave for the time for tidal locking to occur, you will note that it increases by the distance between the bodies (a) to the power of 6, and decreases by the mass of the acting body by only the square of the mass.

So 400^6/27210884^2 = 5.53, meaning that it would take

5.5 times longer for the Sun to lock the Earth to it than it would for the Moon to lock the Earth.


What is the Wicked High Tides program?

SciStarter, Northeastern University, NISE Network, Arizona State University and Museum of Science, Boston are working together on a National Oceanic and Atmospheric Administration-funded project to educate and engage the public in climate hazard resilience planning. This includes engaging participants with citizen science, deliberative forums and civic action.

The projects connect the general public to various climatic hazards by allowing them to participate in climate resilience planning in their communities and introduces citizen science projects related to each hazard. Engaging participants in citizen science activities allows community members to understand, learn and contribute meaningful data to projects centered around climate resilience.

In the summer of 2019, MOS studied the impact of extreme heat and the urban heat island effect through citizen science. Nicknamed “ Wicked Hot Boston ,” the pilot year recruited members of the general public to participate in the ISeeChange project and urban heat mapping and then asked them to share their experiences and potential solutions . The program’s success inspired other, similar programs focused on environmental hazards, such as Climate-Conscious Durham with the Museum of Life + Science in Durham, North Carolina.

In the second year of the project, the MOS team focused on the extreme hazard of sea-level rise with the catchy nickname “Wicked High Tides.” In 2020 and 2021, the project involves the citizen science projects MyCoast and ISeeChange .

MyCoast invites participants to document tides, storm damage, beach cleanups and more via their app, and ISeeChange asks citizen scientists to investigate how weather and climate change impact their lives and community by sharing photos and stories about multiple hazards, including sea-level rise. In addition, the project involved a webinar and two deliberative forums one in person and one online .

Discover both ongoing projects on SciStarter’s Museum of Science, Boston microsite .

What is Citizen Science?

Citizen science is public engagement in real scientific research, most often by collecting data or analyzing data for ongoing research projects. SciStarter connects a community of over 100,000 citizen scientists with thousands of different projects spanning astronomy, health, biodiversity and everything in between.

Via the portals on SciStarter.org/NOAA , SciStarter works with the museums and science centers, as well as the project leaders for featured projects, to walk patrons through the process of engaging in an ongoing environmentally-focused citizen science project to better understand a particular climate hazard. The goal is to introduce them to a forum or another event for further engagement.

Wicked High Tides Forum

All citizen scientists who participated in ISeeChange and MyCoast via the Museum of Science, Boston’s SciStarter microsite were invited to participate in a climate hazard resilience forum on sea-level rise. The first forum was held in person on March 3, 2020, and the second forum was held online due to Covid-19 on November 10, 2020.

Forum programs engage participants in deliberative, inclusive conversations about issues that lie at the intersection of science and society. These programs allow Museum visitors, scientists and policymakers to share their perspectives and learn from one another.

This project uses the climate hazard resilience forums , and the goal of the forums is to explore potential vulnerabilities to city infrastructures, social networks and ecosystems from sea level rise, extreme precipitation, drought and extreme heat, then discuss potential strategies for addressing these threats. Participants learn and discuss stakeholder values, consider the trade-offs of various resilience strategies, make a final resilience plan, and then view an interactive StoryMap that visualizes how their plan will affect the city and the people who live there.

Snehal Pandey, a student from the Berklee College of Music, attended the in-person event and said it would change the conversations that she had with friends. Her classmate, Nathhania Pasila, a freshman pianist from Jakarta, echoed the sentiment. She said the event opened her eyes, because she didn’t realize that there were multiple ways and equally valid choices about how to manage water. From her perspective as a musician, Pasila thought she could use her platform as a way to “treat the planet better.”

Once the tables were done discussing the resilience strategies they would implement in the anonymized Town of Kingtown, they turned their attention to the front of the room where Julie Wormser , the Deputy Director of Mystic River Watershed Association gave a presentation on how sea level rise affects the Boston area and what resilience strategies have been, or are going to be, employed in Boston to mitigate sea level rise. Finally, the participants were able to talk to eight local community groups who work daily on sea level rise issues about how to be part of the solution.

Reverend Vernon K Walker, a participant in the project and collaborator with the Museum of Science, Boston forum team in both the extreme heat and the sea level rise projects, is an organizer of Communities Responding to Extreme Weather . He attended the in-person forum event. Walker’s organization fosters resilience hubs, places where people can take refuge from climate impacts, and provides other services related to resilience — for example, cooling centers in the summertime, emergency preparedness kits for flooding. “We’re a statewide organization, and we know that there is going to be more in-land flooding,” said Walker. “Projects like this prove the point that this is going to get worse with climate change. It’s critical that this information is captured.”

What Comes Next?

This work is still ongoing. Over 20 sites across the United States have been accepted to receive a stipend to implement the NOAA-funded Citizen Science, Civics, and Resilient Communities (CSCRC) project between March and September 2021. This program model will increase resilience to extreme weather and environmental hazards through citizen-created data, local knowledge and community values.

And thanks to NOAA Grant NA15SEC0080005, more than just museums and science centers are using the free forum materials . Brittney Beck, Assistant Professor of Education at California State University, Bakersfield, used the forum materials with a group of educators, who were exploring new resources for their students. “As I facilitated each phase, I noticed their conversations became increasingly nuanced,” she said. “The teachers transitioned from talking about sea-level rise in abstraction to engaging in an intense, interdisciplinary debate regarding how to address it.”

After the Forum facilitated by Beck, one teacher reflected, “I knew about the potential of sea-level rise, but I never had an emotional reaction to it until now. I want to empower students to do something about climate change.”

The 20+ museum and science center sites will participate in citizen science projects and climate hazard resilience forums over the next year. If you are close to any of these host institutions, we encourage you to participate in citizen science and attend a “Climate Hazard Resilience” Forum near you. And no matter where you are in the world, you can study environmental impacts with citizen science and take part in one of the open, online forums. Stay up to date on all the projects at SciStarter.org/NOAA .

Take part: RSVP for the first open, online forum on June 23 about Sea-Level Rise.


Problems for uniformitarianism posed by tidal lock

Tidal locking is as likely to happen to the primary as to the moon. Indeed, Pluto and Charon are mutually locked. But tidal lock has its most profound implications for the Earth-Moon system. Though the presence of tidal locking might appear to militate in favor of a great age for the solar system, the dynamics of tidal lock suggest youth, not age.

As earth's rotation decreases, the moon must recede from the earth, or else angular momentum is not conserved (see above). Therefore, the rate of deceleration of Earth's rotation must itself decelerate over time. For that reason alone, the Earth-Moon system cannot be more than 1.2 billion years old, because at such a time the Earth would have been rotating dangerously fast, and the Moon would have been touching the Earth.


Ver el vídeo: Acoplamiento de Marea. Por qué vemos siempre la misma cara de la Luna? (Diciembre 2022).