Astronomia

Come ha ottenuto il momento angolare il sistema solare? Perché la Terra non è caduta nel Sole all'inizio?

Come ha ottenuto il momento angolare il sistema solare? Perché la Terra non è caduta nel Sole all'inizio?


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So che la Terra cade sempre verso il Sole, ma a causa del suo slancio laterale manca sempre. Ma come è iniziato tutto? Per entrare nei dettagli, quando la nube di gas con momento angolare zero si è scontrata, il nostro sistema solare è stato realizzato con pianeti e sole dotati di un proprio momento angolare che li fa ruotare. Ma come è iniziata la rivoluzione all'inizio? Sono stati messi in una posizione e distanza tale che hanno iniziato ad attrarsi l'un l'altro, ma come? .Avevano solo rotazione . Ma è iniziata una rivoluzione che li ha costretti a seguire un percorso ellittico, quindi come è successo all'inizio? Qualche forza esterna ha agito su di loro e la rivoluzione è iniziata? Come è iniziata questa rivoluzione?

ho ipotizzato che la nuvola di polvere avesse un momento angolare pari a zero, ma può avere qualsiasi valore che non influisca sulla domanda, penso?


Il momento angolare di una particella attorno a un punto è la massa della particella per la sua distanza dal punto per la sua velocità attorno al punto. Quindi una piccola velocità a grande distanza può ancora significare molto momento angolare.

Il pezzo di una nuvola molecolare gigante che collassa per formare un sistema solare è tipicamente dell'ordine di un anno luce o un po' meno. Normalmente possiede un certo momento angolare - solo da movimenti casuali se non altro.

Quando collassa per formare un sistema solare, le sue dimensioni scendono da forse un anno luce fino a forse 10-100 AU. Un anno luce è di circa 60.000 AU (unità astronomiche), quindi sta crollando a circa 1/1000 la dimensione. Per conservare il momento angolare, la velocità circolare della materia deve aumentare di un fattore mille. E la frazione della materia che formerà la stella collassa per un altro fattore di mille o giù di lì.

Questo non solo ti dà un sacco di velocità, ma affinché la stella si formi effettivamente deve farlo capannone momento angolare.

Vedi l'articolo di Wikipedia sul momento angolare per molti buoni dettagli.


Immagina la nuvola di gas e polvere iniziale prima che crollasse. È stato arricchito di elementi pesanti da supernove di altre stelle. Poiché potremmo semplificare una supernova come una "esplosione", le sole onde d'urto delle novae forniranno un certo slancio.

Inoltre il sole non si è formato da solo, ma è circondato da altre stelle, che eserciteranno anch'esse una certa forza sulla nube di polvere iniziale.

L'altro fatto da tenere a mente è che anche se la nube collassasse verso il suo centro, le singole particelle e molecole di gas possono e avranno il proprio percorso attraverso questa nube. Si scontreranno tra loro, saranno spinti in giro dalle radiazioni e dalla gravità di altri corpi.

Se mettiamo da parte queste forze e tracciamo il percorso di una di queste particelle verso il centro, potrebbero accadere due cose. "Colpisce" il centro o no. Se non colpisce il centro, continuerà il suo percorso su un percorso ellittico attorno al centro. Poiché la nube di gas ha già un impulso iniziale dalla forza sopra descritta, tutte le particelle che non seguono questo impulso hanno maggiori probabilità di subire una collisione frontale, perdere parte o tutto il loro slancio e quindi cadere verso il centro. Le altre particelle avranno maggiori probabilità di seguire il loro percorso. Questo porterà a una situazione in cui tutte le particelle, che non seguono lo slancio complessivo della nuvola, cadranno verso il centro e si uniranno con il nostro Proto-Sole. Quindi solo le particelle che hanno seguito l'impulso iniziale della nuvola hanno avuto la possibilità di formare pianeti e asteroidi.


Risposta ontologica/statistica:

Assumiamo un gran numero di nuvole di materia, ognuna delle quali collassa. Possono iniziare in qualsiasi configurazione (velocità, rotazione, quantità di moto; essere più omogenei o più disturbati ecc.) qualunque.

Ci sono relativamente poche configurazioni complessive speciali: quelle in cui non c'è un notevole momento rotazionale netto e nessun gruppo locale apprezzabile con il proprio momento. Questi poche configurazioni porteranno a non formare un sistema solare con pianeti; se tutto va bene (altamente improbabile), tutto andrà a sbattere insieme nel mezzo e creerà una stella molto solitaria.

Tutti gli altri casi porteranno a una qualche forma di slancio, che inizierà a girare più velocemente man mano che la materia viene assorbita in un volume più piccolo (confronta i ballerini che infilano le braccia).

Quindi: un sacco di probabilità statistica che una configurazione di avvio casuale finisca con un po' di slancio; probabilità molto molto piccola che non sia così.


Perché il sistema solare è piatto e non una sfera?

Dato che lo spazio è tridimensionale, può sembrare strano che molti oggetti cosmici si dispongano sullo stesso piano. Prendiamo ad esempio il nostro sistema solare, dove i pianeti orbitano attorno al sole sullo stesso piano invece di essere distribuiti in una configurazione sferica. Questo vale sia su piccola scala che astronomica. Gli anelli di Saturno sono disposti a forma di disco sullo stesso piano con il centro di massa del pianeta. Anche le cinture di asteroidi sono piatte, così come la maggior parte delle galassie.

In breve, questo schema può essere spiegato da una legge fondamentale della fisica: la conservazione del momento angolare. Il momento angolare è l'analogo rotazionale del momento lineare ed è definito come il prodotto del suo momento d'inerzia e della sua velocità angolare.

La legge di conservazione del momento angolare

La legge di conservazione del momento angolare afferma che quando nessuna coppia esterna agisce su un oggetto, non si verificherà alcun cambiamento del momento angolare. Se la coppia netta è zero, il momento angolare è costante o conservato.

È la conservazione del momento angolare che può spiegare perché una pattinatrice sul ghiaccio può aumentare l'accelerazione angolare avvicinando le braccia e le gambe all'asse di rotazione verticale. Poiché il momento è conservato, quando il pattinatore diminuisce l'inerzia di rotazione, la velocità di rotazione deve aumentare.

Perché il sistema solare è (quasi) piatto

In che modo tutto questo si collega più esattamente alla planarità del sistema solare? Circa 4,6 miliardi di anni fa, non esisteva il pianeta Terra e il Sole doveva ancora formarsi. Invece, un'enorme massa di gas e polvere galleggiava per milioni di miglia quadrate.

Attratte dalla gravità, le particelle di materia si sono gradualmente avvicinate provocando collisioni. Ogni volta che alcune particelle si scontrano, le loro nuove traiettorie sono casuali ma, sebbene sia impossibile prevedere la nuova direzione, il momento angolare deve rimanere costante in un sistema isolato perché l'effetto gravitazionale locale di altri corpi è trascurabile.

Il momento angolare è una quantità fisica costante attorno a un asse fisso, che è un punto in uno spazio 2D e una linea nello spazio 3D. Ciò significa che il sistema ruota lungo un piano perpendicolare a questo asse. Nel nostro caso particolare, il sistema solare, ciò significa che quando tutto quel gas e polvere primordiali hanno iniziato a scontrarsi, le particelle potrebbero muoversi in qualsiasi direzione, ma tutti i movimenti su e giù si sono eliminati a vicenda. Col tempo, le particelle perdono la loro libertà di muoversi su tutti i piani tranne un piano 2D selezionato.

Perché tutta quella materia ha formato un disco, tutto in un piano, anche tutti i pianeti si sono formati in un piano. Se non fosse per la legge di conservazione del momento angolare, sarebbe stato impossibile la formazione di stelle e pianeti. La nostra stessa esistenza è legata a questa legge fondamentale della fisica.

Come avvertimento, dobbiamo notare che il sistema solare non è perfettamente piatto. Plutone, il pianeta nano, ha un'inclinazione orbitale di circa 17 gradi rispetto al piano del sistema solare e proprio al centro di quasi tutte le galassie si trova un grande rigonfiamento sebbene il 98% delle stelle in una galassia orbita all'interno di filamenti del braccio a spirale intorno il centro della galassia. A parte queste stranezze, il sistema solare è abbastanza ordinato sullo stesso piano.

Altri sistemi solari possono essere ancora più piatti. In uno studio pubblicato Gli avvisi mensili della Royal Astronomical Society, gli scienziati hanno modellato i sistemi solari rilevati dal telescopio spaziale Kepler e hanno scoperto che la maggior parte di questi ha la forma del nostro sistema solare. Anche l'ormai famoso sistema planetario TRAPPIST-1, che ha 7 pianeti simili alla Terra a soli 39 anni luce di distanza, è quasi perfettamente piatto.

“La ricchezza dei dati del pianeta Kepler consente per la prima volta studi dettagliati di sistemi planetari al di fuori del sistema solare. Ora siamo in grado di porre e rispondere a domande del tipo, quanto sono comuni i sistemi planetari come il nostro?" Tim Bovaird, ricercatore dell'ANU, autore principale del nuovo studio, ha dichiarato in un comunicato stampa.


Come ha ottenuto il momento angolare il sistema solare? Perché la Terra non è caduta nel Sole all'inizio? - Astronomia

Perché i pianeti ruotano? Quale forza li fa ruotare?

Non c'è forza che faccia ruotare i pianeti. La maggior parte della rotazione deriva dalla conservazione del momento angolare. Il momento angolare è dato da L=m*w*r 2 dove m è la massa, w è la velocità angolare in radianti al secondo e r è il raggio del moto circolare. A causa della conservazione del momento angolare, se il raggio dell'orbita diminuisce, allora la sua velocità angolare deve aumentare (poiché la massa è costante).

Tutti i sistemi planetari e stellari nascono dal collasso di dense nubi interstellari. Le nuvole possono essere originariamente molto grandi (anche migliaia di anni luce di diametro). Considera una porzione della nube che collassa da una dimensione di un anno luce o giù di lì alla dimensione del sistema solare. Questo è un enorme cambiamento nelle dimensioni del sistema. Quindi, la leggerissima rotazione che la nuvola ha all'inizio aumenta drammaticamente quando avviene il collasso. In effetti, questa è una delle barriere nella formazione stellare: c'è un momento angolare in eccesso e deve esserci un modo per perdere il momento angolare prima di poter formare una stella.

Ad ogni modo, la linea di fondo è che stelle come il Sole ruotano dal momento angolare originale che c'era nella nebulosa solare da cui si è formata. Non solo, tutto il moto orbitale dei pianeti (incluso lo spin) è dovuto a questo momento angolare originario.

Stai dicendo che il momento angolare originale della nuvola provoca moti orbitali e rotazioni dei pianeti (principalmente). Ma nel caso dei moti orbitali abbiamo la forza gravitazionale che ci dà alcune restrizioni di movimento (leggi di Keplero, per esempio).

Quello che sto dicendo è che non ci saranno pianeti se non ci fosse momento angolare iniziale nella nebulosa solare primordiale. Se una nebulosa assolutamente priva di rotazione collassa, allora ci sarà solo una stella centrale non rotante e non ci saranno pianeti. I pianeti si formano da un disco protostellare, che a sua volta si forma solo a causa del momento angolare iniziale della nuvola. La dinamica di un corpo rotante è ovviamente controllata da forze come la gravità. Le leggi di Keplero sono una diretta conseguenza della gravità.

Ci sono delle leggi anche nel caso delle rotazioni?

L'unica cosa da tenere a mente nella rotazione è che si traduce in un'accelerazione centrifuga che punta radialmente dal centro di movimento. Quindi, ci deve essere una forza che contrasta questa accelerazione altrimenti il ​​corpo volerà via (in caso di movimento orbitale) o si disintegrerà (in caso di rotazione). Nel caso del moto orbitale, la forza di contrasto è la gravità, la gravità fa sì che il corpo cada continuamente verso il centro, e questo contrasta esattamente la forza risultante dall'accelerazione centripeta. Nel caso di un oggetto rotante, è l'autoadesione del corpo stesso che lo tiene insieme. Ciò si traduce in un limite alla velocità con cui un oggetto può ruotare e mantenersi insieme. Se ruota troppo velocemente, l'accelerazione verso l'esterno percepita dagli elementi nel corpo può essere maggiore della forza che li tiene uniti e, se ciò accade, il corpo si rompe. Oltre a questo, non esiste una vera legge sulle rotazioni. (Si noti che il movimento rotatorio implica la conservazione del momento angolare proprio come il movimento lineare conserva il momento lineare).

Questa pagina è stata aggiornata il 18 luglio 2015.

Circa l'autore

Jagadheep D. Pandian

Jagadheep ha costruito un nuovo ricevitore per il radiotelescopio di Arecibo che funziona tra i 6 e gli 8 GHz. Studia i maser a metanolo a 6,7 ​​GHz nella nostra Galassia. Questi maser si verificano nei siti in cui stanno nascendo stelle massicce. Ha conseguito il dottorato di ricerca presso la Cornell nel gennaio 2007 ed è stato borsista post-dottorato presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germania. Successivamente, ha lavorato presso l'Institute for Astronomy presso l'Università delle Hawaii come Submillimeter Postdoctoral Fellow. Jagadheep è attualmente all'Indian Institute of Space Scence and Technology.


Perché la Terra gira?

In un classico episodio di questa serie di video, ho calcolato la velocità di rotazione della Terra.

Sappiamo che la Terra sta ruotando, ma perché? Perché gira?

Perché tutto nel Sistema Solare gira? E perché per lo più gira tutto nella stessa direzione?

Non può essere una coincidenza. Guarda la Terra dall'alto e vedrai che sta girando in senso antiorario. Stessa cosa con il Sole, Marte e la maggior parte dei pianeti.

4,54 miliardi di anni fa, il nostro Sistema Solare si è formato all'interno di una nuvola di idrogeno non dissimile dalla Nebulosa di Orione, o la Nebulosa Aquila, con i suoi imponenti pilastri della creazione.

Poi, ha preso un calcio, come dall'onda d'urto di una vicina supernova, e questo ha fatto cadere una regione del gas freddo verso l'interno attraverso la sua gravità reciproca. Quando è crollato, la nuvola ha iniziato a girare.

È la conservazione del momento angolare.

Pensa ai singoli atomi nella nuvola di idrogeno. Ogni particella ha il suo momento mentre si sposta nel vuoto. Poiché questi atomi si avvicinano l'uno all'altro con la gravità, devono calcolare la media del loro momento. Potrebbe essere possibile fare una media perfettamente a zero, ma è davvero improbabile.

Il che significa che ne rimarrà un po'. Come una pattinatrice artistica che tira tra le sue braccia per girare più rapidamente, il collasso del sistema proto-solare con il suo momento particellare mediato ha cominciato a girare sempre più velocemente.

Questa è la conservazione del momento angolare al lavoro.

Man mano che il sistema solare ruotava più rapidamente, si appiattiva in un disco con un rigonfiamento nel mezzo. Vediamo questa stessa struttura in tutto l'Universo: la forma delle galassie, attorno a buchi neri che ruotano rapidamente, e la vediamo persino nelle pizzerie.

Il Sole si è formato dal rigonfiamento al centro di questo disco e i pianeti si sono formati più lontano. Hanno ereditato la loro rotazione dal movimento complessivo del Sistema Solare stesso.

Nel corso di poche centinaia di milioni di anni, tutto il materiale del Sistema Solare si è riunito in pianeti, asteroidi, lune e comete. Quindi la potente radiazione e i venti solari del giovane Sole spazzarono via tutto ciò che era rimasto.

Senza forze squilibrate che agiscono su di loro, l'inerzia del Sole e dei pianeti li ha mantenuti in rotazione per miliardi di anni.

E continueranno a farlo fino a quando non si scontreranno con qualche oggetto, miliardi o addirittura trilioni di anni nel futuro.

Quindi ti stai ancora chiedendo, perché la Terra gira?

La Terra ruota perché si è formata nel disco di accrescimento di una nube di idrogeno che è collassata per gravità reciproca e aveva bisogno di conservare il suo momento angolare. Continua a girare per inerzia.

Il motivo per cui sono tutti nella stessa direzione è perché si sono formati tutti insieme nella stessa nebulosa solare, miliardi di anni fa.


Una storia del sistema solare

La maggior parte delle persone non è d'accordo con me, come punto di rispetto di sé, onore o decenza.

Scopo

Questa storia differisce dai suoi contemporanei principalmente nell'enfasi.

Sottolinea che molte proprietà del nostro attuale sistema solare possono essere spiegate considerando i meccanismi che erano in gioco nel primo sistema solare. È una teoria dell'accrescimento del sistema solare e del sistema Terra-Luna e spiega come la teoria dell'accrescimento spieghi la discrepanza nelle costituzioni chimiche della Terra e della Luna.

Il primo sistema solare era un luogo molto diverso da quello che conosciamo. Erano in vigore forze diverse. Spero di illustrare come diverse forze hanno lavorato insieme per formare i luoghi che ora conosciamo. Questa immagine è, credo, più ricca e illuminante delle teorie di collisione che sono diventate popolari di recente.

Penso che il calcolo che faccio per suggerire la densità dei dischi di accrescimento sia nuovo, anche se non è una scienza molto difficile.

Formazione delle materie prime

L'universo è costituito principalmente da idrogeno ed elio. Tuttavia, la concentrazione di elementi più pesanti nell'attuale sistema solare è maggiore della media. Perché potrebbe essere questo?

Prima c'era una grande star. Per un miliardo di anni, il processo di fusione nucleare ha trasformato i suoi elementi più leggeri in elementi più pesanti. L'energia rilasciata da questo processo ha fornito calore che ha mantenuto la sua massa sospesa contro il collasso gravitazionale.

Questo processo non poteva andare avanti per sempre. La maggior parte degli elementi più pesanti assorbe più energia di quanta ne produca nel processo di fusione nucleare. Un giorno, non c'erano abbastanza elementi più leggeri da bruciare.

Il nucleo della stella ha subito un collasso gravitazionale. In pochi secondi è stato schiacciato in una materia molto densa: una stella di neutroni. Questo evento ha rilasciato un'enorme quantità di energia, che ha espulso il resto della stella nello spazio, arricchita con i suoi elementi pesanti appena formati.

Lì, i resti gassosi della stella si sono raffreddati e si sono scontrati con altre nubi di gas interstellari e hanno continuato a svolgere altri ruoli.

Collasso gravitazionale

Le nubi di gas della nostra galassia comprendono una parte molto più grande della massa della galassia rispetto alle sue stelle e ai suoi pianeti.

Tutta la materia causa la gravitazione e tutti i corpi materiali nello spazio sono influenzati dalla gravità. Poiché le nubi di gas hanno massa, esercitano attrazione gravitazionale su altri corpi e su se stesse.

Se la gravitazione fosse l'unico meccanismo presente, una nube di gas collasserebbe rapidamente sotto il suo stesso peso. Tuttavia, ci sono altri due meccanismi che agiscono contro un tale collasso: la velocità di massa e la pressione dovuta alla temperatura.

Se le varie parti di una nube si allontanano l'una dall'altra molto rapidamente, come accadrebbe dopo l'esplosione di una stella, potrebbero sfuggire alla gravità complessiva del gas.

La pressione di un gas può resistere alla forza di gravità. Se una nuvola di gas è troppo calda, tenderà ad espandersi piuttosto che a contrarsi sotto la sua stessa gravità.

Tuttavia, la velocità di massa di una nube di gas può essere ridotta dalla collisione con un'altra nube di gas e la temperatura di una nube di gas viene gradualmente ridotta dal raffreddamento radiativo.

Spesso, una nube di gas galattica rallenta e si raffredda in modo da collassare sotto il suo stesso peso.

Formazione di un disco

Le orbite dei pianeti del nostro sistema solare giacciono tutte entro pochi gradi da un piano perfetto. Escludendo Plutone, si trovano entro 7 gradi da un piano. Escludendo Mercurio, sono tutti entro 3,5 gradi.

Inoltre, i pianeti del nostro sistema solare orbitano tutti intorno al Sole in orbite quasi circolari. Ancora una volta, escludendo Plutone e Mercurio, sono tutti entro il 10% dei cerchi perfetti. Escludendo Marte, sono entro il 6% dei cerchi perfetti. L'orbita terrestre devia da un cerchio perfetto solo dell'1,6%: se lo disegni su una pagina con una matita, non puoi distinguerlo da un cerchio.

D'altra parte, una volta che un pianeta si trova in un'orbita ellittica, tende a rimanere lì. Questo perché i moti orbitali dei pianeti conservano energia. Dobbiamo concludere che i pianeti sono nati in orbite quasi circolari attorno al Sole.

Come è nato questo movimento familiare, planare e circolare?

Il moto di una nube di gas per gravità è influenzato da meccanismi che sono insignificanti nei sistemi di corpi solidi gravitanti. Principalmente, queste forze sono dovute alla pressione del gas e all'attrito. Inoltre, entrano in gioco forze elettrostatiche e magenetiche.

L'energia in una nuvola di gas viene persa, irradiata sotto forma di calore a causa dell'attrito. Il momento angolare, tuttavia, deve essere conservato.

Il gas che si muove in direzioni casuali all'interno di una nuvola che collassa tenderà a perdere energia e a cadere in una configurazione che ha il minor attrito pur mantenendo il momento angolare: un disco rotante.

Qualsiasi porzione di gas in orbita attorno al centro di gravità della nuvola, ma non nel disco comune, si scontrerà con il gas nel disco e perderà energia in quella collisione. L'energia sarà irradiata come calore nello spazio e il movimento medio diventerà più planare e circolare.

Dalla nube di gas si forma un sistema protoplanetario. La forma del disco è familiare: come una galassia a spirale, è rotondo e piatto con un rigonfiamento centrale.

Questo è il motivo per cui i pianeti del sistema solare si trovano quasi tutti entro pochi gradi da un piano perfetto e entro una piccola percentuale di orbite circolari attorno al Sole. Hanno ereditato le loro orbite circolari complanari dal movimento circolare del gas nel disco di accrescimento che era il proto sistema solare.

Inoltre, il fatto che le orbite planetarie siano ancora molto circolari suggerisce che nessun oggetto delle dimensioni di una stella si è avvicinato al nostro sistema solare da quando si è formato per la prima volta.

Momento angolare

Il momento angolare è la misura della tendenza di un corpo rotante a rimanere in rotazione. Il momento angolare si conserva sempre.

Per ulteriori informazioni sul momento angolare, vedere Momento angolare nel sistema solare.

Dov'è la maggior parte del momento angolare nel nostro sistema solare?

Più del 96% di esso è nell'orbita dei pianeti attorno al Sole, solo una piccola percentuale è nella rotazione del Sole stesso. Infatti più del 60% del momento angolare del sistema solare è nell'orbita di Giove da solo!

Se il Sole fosse fatto ruotare abbastanza velocemente da avere questo momento angolare, verrebbe fatto a pezzi dalle forze centrifughe.

Questo è il motivo per cui quasi tutte le stelle devono avere compagni, pianeti o altre stelle. Il momento angolare di un'immensa nube di gas non può essere concentrato nel raggio relativamente piccolo di una stella.

Allo stesso modo, la maggior parte dei pianeti avrà compagni.

Proto-corpi

Un disco di accrescimento, come lo abbiamo descritto, non è stabile. Anche se ci fosse un oggetto perfettamente liscio, rotante e a forma di disco, non potrebbe rimanere così a lungo. Le aree interne orbitano attorno al centro più velocemente delle aree esterne. Questo provoca vortici nel disco, che tendono a dividere il disco in anelli.

Un vortice può diventare un proto-pianeta (o proto-luna), con il proprio disco di accrescimento che si forma dal materiale nelle bande vicine.

Ecco una bella immagine generata al computer di un proto-pianeta che si nutre di tali bande

Accrescimento

Dove la temperatura è sufficientemente bassa, le molecole chimiche si formano quando gli atomi nella nuvola si scontrano e aderiscono l'uno all'altro. Queste molecole possono quindi scontrarsi per formare cristalli (una "polvere"). I cristalli poi si scontrano per formare aggregati di cristalli e infine corpi più grandi, proto-pianeti, un proto-Sole, una proto-Terra e una proto-Luna, tutti galleggianti in un gas.

Nelle giuste condizioni di pressione e temperatura, può esserci anche acqua liquida e altri liquidi.

Man mano che la gravità comprime il gas, queste collisioni casuali diventano più probabili e il processo viene accelerato.

Man mano che l'accrescimento progredisce, la massa diventa più concentrata. Tuttavia, la nuvola non può collassare immediatamente, perché la compressione genererebbe troppo calore, il che farebbe espandere il gas. Deve irradiare gradualmente calore per crollare.

Le aree vicine nel cloud sono generalmente composte da elementi simili. Il grado di somiglianza dipende da quanto fosse ben miscelata la nuvola di gas iniziale.

In presenza di un fluido accelerante, i materiali possono facilmente separarsi dal peso. Le nuvole di gas vorticose attorno a una proto-stella o proto-pianeta non ruotano come un disco solido: il materiale interno orbita più velocemente del materiale esterno, questo produce attrito e onde di pressione che si muovono attraverso il gas.

Mentre il gas e la polvere sono sospesi in questo stato, in parte per pressione del gas, la gravità tende a smistare gli elementi in base al peso. Pertanto, in particolare, la Terra alla fine acquisisce più ferro e altri elementi pesanti rispetto alla Luna.

In questo periodo, i fuochi nucleari del Sole non hanno iniziato a bruciare. La temperatura nella nuvola è dovuta principalmente alla compressione del gas e all'attrito mentre sfrega contro se stesso.

La densità dei dischi di accrescimento

Facciamo un calcolo approssimativo per avere un'idea di quanto denso potrebbe essere stato il disco di accrescimento Terra-Luna.

L'aria è un gas che tutti conosciamo. Quanto è grande un disco d'aria che pesa quanto la Terra? Diciamo che lo spessore del disco è uguale al diametro della Terra.

  • La densità dell'aria (a “Temperatura e pressione standard”) è 1.2250 kg/m 3 .
  • La densità media della Terra è 5515 kg/m 3 , circa 4502 volte più densa dell'aria.
  • La radice quadrata di 4502 è circa 67.

Pertanto, un disco piatto d'aria con lo spessore pari al diametro della Terra e la massa uguale a quella della Terra ha un raggio di circa 67 raggi terrestri.

Confronta questo con l'attuale distanza della Terra dalla Luna: circa 31 raggi.

Pensiamo che un disco di accrescimento sia sottile in alcune parti, rigonfio in altre, non di spessore uniforme, piuttosto come le galassie a spirale che vediamo nel cielo. Molto del suo materiale era probabilmente sotto forma di pezzi solidi (o liquidi!). Ciò tenderebbe a ridurre la pressione media del gas. D'altra parte, la maggior parte dei gas più leggeri nel sistema Terra-Luna è stata probabilmente spazzata via dai venti iniziali del Sole (sezione successiva). Questo materiale aggiuntivo avrebbe avuto la tendenza ad aumentare la pressione media del gas.

Ad un certo punto, la densità tipica di un disco inferiore a 67 raggi potrebbe essere stata molto maggiore di quella dell'aria.

Nell'attuale sistema solare, la densità del gas nello spazio interplanetario è molto bassa. Consiste anche principalmente nel vento solare di molti milioni di gradi, che fuoriesce dal Sole. Il nostro spazio vicino è in effetti all'interno della bolla calda e sparsa dell'estesa atmosfera del Sole. Prima che gli incendi nucleari del Sole si accendessero, tuttavia, l'ambiente era molto diverso.

Avresti potuto indossare un paio di ali e volare sulla Luna?

Il materiale piove letteralmente dalla nuvola sui proto-pianeti, cadendo attraverso questo gas sostanziale. Pezzi, polvere, cristalli e persino goccioline d'acqua, si condensano e cadono.

Densità solare:
1441 kg/m3
Il raggio è 109 volte quello della Terra (circa 436 mila miglia):
Un disco d'aria dello spessore e della massa del Sole sarebbe di circa 38 raggi solari.
La Terra orbita a circa 220 raggi solari.

Il sole si accende

Perché i pianeti esterni, escluso Plutone, sono enormi "giganti gassosi", mentre i pianeti interni sono tutti relativamente piccoli e rocciosi?

È stato osservato che le stelle molto giovani sono molto più calde delle stelle più vecchie di dimensioni simili. Nei primi quattro milioni di anni circa di vita di una stella, il calore della fusione nucleare è integrato dal calore dovuto alla compressione del gas. Questo è chiamato il periodo (dopo una stella che è attualmente in tale stato).

Alcuni stimano che, quando stava attraversando il suo periodo T Tauri, il Sole era quattro volte più luminoso di quello attuale. Vedi questo articolo "Il nuovo modello mostra che il sole era una giovane stella calda" sulla ricerca di Günther Wuchterl.

Il calore dell'attuale Sole sarebbe stato sufficiente per spazzare via ciò che restava del disco di accrescimento del protosistema solare. Il calore di T Tauri avrebbe spazzato via anche la maggior parte (o tutte) le atmosfere dei pianeti interni.

I pianeti interni erano originariamente più simili a giganti gassosi.

Prima che il Sole si accendesse, i proto-pianeti interni avevano tutti spessi manti gassosi. Nel caso della Terra, sarebbe stato arbitrario distinguere questo mantello dal suo disco di accrescimento, che ad un certo punto si è spinto oltre la Luna.

In confronto, si pensa che gli attuali pianeti "giganti gassosi" Urano e Nettuno, mentre 17 e 14 volte la massa della Terra, abbiano nuclei rocciosi di dimensioni paragonabili alla Terra.

È possibile che tutta l'atmosfera della Terra sia stata spazzata via dal primo Sole. L'atmosfera e gli oceani della Terra odierni possono essere spiegati dalle emissioni di gas dal nucleo roccioso rimanente (la massa degli oceani della Terra è qualcosa di meno di 1/10000 della massa del pianeta).

Gran parte del resto del disco di accrescimento del sistema solare è stato perso nel sistema attuale, spazzato via nello spazio interstellare dal Sole. Tuttavia, alcuni si annidano ancora ai suoi margini (una regione chiamata ) sotto forma di palline di ghiaccio molto fredde. Queste palle di ghiaccio a volte diventano comete. Al giorno d'oggi, è popolare considerare il pianeta Plutone come un vicino oggetto della cintura di Kuiper piuttosto che un pianeta lontano.

Al giorno d'oggi, la nozione di dischi di accrescimento è molto più che teoria. Ci sono fotografie di stelle vicine che sembrano mostrare molto chiaramente dischi di polvere e gas:

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Alcune foto di dischi protoplanetari del telescopio spaziale Hubble. Stelle con dischi di accrescimento. Ce ne sono molti altri..

I primi giorni

I pianeti si raffreddano e subiscono un continuo bombardamento di meteore.

Giove rimane molto caldo da solo, cuoce i suoi satelliti interni.

Marte ha un'atmosfera sostanziale!

La Terra sviluppa una densa atmosfera di anidride carbonica e vapore acqueo. Questo cambierà presto, con processi che non sono considerati parte dell'Astronomia. La Luna è inizialmente distante dalla Terra la metà di quanto non sia attualmente e ruota molto più velocemente di quanto non faccia ora.

Oggi, la cintura di asteroidi tra Marte e Giove contiene abbastanza materia per un piccolo pianeta (più piccolo della Luna). È una questione aperta se si tratti dei resti di un pianeta distrutto o che siano i resti di un pianeta che non potrebbe mai formarsi a causa dell'effetto trainante di Giove.

La mia opinione su questo è stata fortemente influenzata dalle immagini dell'asteroide Eros (animazione 17 febbraio 2000) scattate dalla sonda spaziale NEAR. Questo oggetto è concavo. Non riesco a concepire come una cosa del genere possa essere stata formata per via gravitazionale. A me sembra un frammento di qualcosa che una volta era solido.

Lo stato attuale

La nostra Luna ci presenta solo uno dei suoi emisferi (il suo “lato vicino”). Ruota sul proprio asse esattamente una volta ogni volta che ruota intorno alla Terra.

Questo non è insolito nel sistema solare. La maggior parte delle lune dei pianeti del sistema solare presenta un solo emisfero ai loro pianeti.

Ciò avviene a causa delle forze "di marea".

Bombardamento di asteroidi molto più lento di quanto non fosse una volta.

Il Sole, ora composto da circa 3/4 di idrogeno, 1/4 di elio, ha ancora diversi miliardi di anni.

L'"eliopausa" dove il vento solare cessa di soffiare.

Questioni correlate: i periodi orbitali delle lune di Giove sono multipli interi l'uno dell'altro, l'apparente stabilità degli anelli di Saturno e della cintura degli asteroidi, strani periodi di rotazione di Mercurio e Venere.

Il futuro

La rotazione della Terra rallenta, a causa delle forze di marea della Luna. Infine, presenta solo una faccia alla Luna, che è due volte più lontana di adesso. Le dinamiche furono elaborate da George Howard Darwin nel 1879. Vedi biografia.

Quando il Sole ha bruciato il suo combustibile a idrogeno, inizierà a bruciare elio e altri elementi, ma diventerà una stella "gigante rossa" come parte del processo. I pianeti interni saranno tutti cotti. Poi, quando avrà bruciato tutto il suo elio, esploderà come una “nova”. Alla fine, si calmerà fino a diventare una cenere, una stella "nana bianca".

Forse qualche stella si avvicina troppo al Sole e tutti i pianeti del Sole andranno persi nel freddo spazio interstellare.

Terra e Biologia

La biologia della Terra tocca questa storia astronomica in diversi modi.

Innanzitutto, le rocce più antiche della Terra (e della Luna) hanno circa 5,5 miliardi di anni. Questo è preso per indicare quando il pianeta si è solidificato per la prima volta. I fossili biologici più antichi fino ad oggi, hanno circa 4,5 miliardi di anni.

La vita non è una novità sul pianeta Terra. È nato poco dopo la formazione del pianeta, non molto tempo (in tempi geologici) dopo che le condizioni sono diventate favorevoli all'esistenza della vita. (This was pointed out by Stephen Hawking in a talk I attended in Vancouver, B.C. in the mid ’90s.)

Next, the atmosphere of the Earth is one quarter molecular oxygen, whereas the atmosphere of no other planet in our Solar system contains free oxygen. Oxygen is very reactive, so this situation would be impossible without some chemical pump keeping the oxygen free. That chemical pump is the photosynthesis of plant life.

Does the existence of life imply the existence of free atmospheric oxygen? No, but such a chemical imbalance would be an important clue that life exists on a planet.

Finally, a well-regarded theory explaining the extinction of the dinosaurs, as well as several earlier extinctions, involves a collision of the Earth with relatively small asteroids. Life on Earth is normally placid only because most of those asteroids left over from the formation of the Solar system have been swept up by the Sun or planets or ejected from the Solar system.

Other theories

The accretion theory is very old. It can be traced back as far as René Descartes in 1644, and has been propounded by such notables as Kant and Laplace.

An alternate group of theories involve things colliding with one another or spinning so fast they blow up. These collision theories have gone in and out of fashion over the years.

At some point, the dividing line between the two groups is a little hazy. Accretion-type theories involve material falling into bodies, and most collisionists don’t deny that some accretion occurred.

Dinosaur in a Haystack , 1995--> The French naturalist Gorges Buffon put forth a theory of Solar system formation in his 1749 work Histoire et théorie de la terre , whereby a comet was to have struck the Sun, producing a plume of material that coalesced into the planets.

In 1796, the German philosopher Immanuel Kant and the French mathematician Pierre-Simon Laplace both (and apparently, independently) published theories of Solar system formation, based on a “nebular hypothesis”, that the Solar system formed from a cloud of material. The Realm of the Nebulae , 1936 Ch.1, “The Theory of Island Universes”--> (Both Kant and Laplace correctly argued that some of the astronomical nebulae seen in telescopes were in fact composed of stars, were “island universes”. This insight was never accepted by the scientific community until the 1920s, when it was proved by Edwin Hubble.)

In his Exposition du système du monde (1796), Laplace argues that the friction in a gaseous system provide the only mechanical explanation for the fact that the planets and most of the planets’ satellites orbit in the same direction, nearly in a plane.

George Howard Darwin (son of Charles), in 1878, proposed that the early Earth spun so fast that the Moon shot out of it. It should be noted that his work on tidal forces was very respectable.

There are serious mathematical problems with this idea, but the overriding objection for me is: How did the Earth come to be spinning so fast in the first place?

A recent theory called Big impact was supposedly invented to explain the high angular momentum of the Earth-Moon system, and why the Moon is composed of lighter materials. It invokes a “rogue” planet crashing into an early, moonless Earth, knocking out enough material to create a dust cloud which then accretes(!) to form the Moon.

As to why the angular momentum is a problem, I have no idea how they could have made such a judgment—there are so many variables involved.

Of course, the accretion theory easily accommodates the sorting of elements by weight. In the above account, I have stressed that accretion disks are largely gaseous, and that their dynamics are significantly influenced by gas pressure. Those who oppose the accretion theory on the grounds of that it doesn’t explain the Earth-Moon chemical differentiation invariably describe accretion disks as being composed of dust, which by tacit assumption obeys only gravitational dynamics—not gas dynamics. Such a scenario would not have led to differentiation, but it could not have been the case in our Solar system.

The main reason that researchers have assumed that the Earth accreted from a dust cloud was that it is supposed that the inner Solar system was very hot at the time of the Earth’s accretion, that most of the lighter materials had already evaporated.

The Big Impact theory doesn’t explain why the Earth’s orbit is nearly circular, and why the moon’s orbit is so near the plane of the other bodies in the Solar system. It is unlikely that a rogue planet would strike the Earth in such a way as to not only knock out material to produce the Moon, but also to knock it in a circular orbit, in just such a plane. Moreover, it amounts to a logical regress: If it is impossible for two bodies of different constitution to accrete from the same gas cloud, then where did this third body come from? It couldn’t have come from the same gas cloud as our Solar system, or it would have to have the same constitution as the Earth!

And… where is the rogue planet now? And why the insistence that a single impact is to blame? Why not two? If two, why not millions? It seems to me that there must be some emotional appeal for the collision theory: maybe just the picture of big things going boom.

The big distinction between the collision theories and accretion is that collision theories propose something extraordinary to explain orbital situations, while the accretion theory proposes that the orbital situations we see in the Solar system are ordinary. The former is exciting, but isn’t very enlightening about typical solar system formation. Once we are able to resolve planets and their moons orbiting other stars, this issue will be resolved.

A psychiatrist named Velikovsky published a book called “Worlds in Collision”, in which he interprets various ancient myths as proof that Venus popped out of Jupiter, had various affairs with other planets, had a brief fling as a comet, then matured and settled down in a nice circular orbit.


How did the solar system get its angular momentum? Why did Earth not fall into the Sun at the start? - Astronomia

Dynamics of planetary motion

The orbits, spins and motions in the Solar System also provide clues to its formation. As we saw when discussing the night sky, the Solar System has a lot of regularity to it. Most of the planets (and Sun) orbit and spin in the same direction (counterclockwise as viewed from above the Ecliptic). Planets have nearly circular velocities, and the planets stay close to the ecliptic -- the path of the Earth round the Sun. In other words, the Solar System is a flattened spinning system. There are exceptions to this, notably Pluto among the planets, which has a tilted eccentric orbit, and Venus, Uranus and Pluto, which have retrograde spin.

Disk formation appears to be common around newly forming stars. This is significant, because it suggests that planet formation (out of the material of the rotating protoplanetary disk) may also be a common phenomenon. Recall our study of conservation of angular momentum and conservation of energy. As the early solar nebula formed, it's heat increased with gravitational collapse, and it formed a flattened, spinning disk. This structure and these motions are reflected in the current constituents of the Solar System. The temperature differences will result in the formation of two distinct types of planets. Our model can be tested by studying the properties of disks around other forming stars.

Sizes of Planets and Clues to Composition

Inner Solar System bodies (including the belt asteroids) are rocky bodies, and quite small (none is bigger than the Earth), while the outer Solar System bodies are icy, where they are solid at all. The giant planets have huge atmospheres of hydrogen and helium around predominantly icy cores. They are surrounded by many moons, and by rings of ice and dust.

The clue to why the inner and outer Solar System bodies have such different sizes and composition despite forming from a common nebula lies in realizing that all this planet formation was going on at the the same time as the proto-Sun was "turning on" the inner Solar System was much hotter than the outer Solar System. The key idea is that the solids that eventually made up the planets condensed as small grains out of the nebular gas. Il condensation sequence of materials with temperature meant that the kinds of grains that could condense out as solids would depend on the temperature of the nebula at that location. Near the terrestrial planets, where nebular temperatures reached about 1500 degrees K, only metallic grains, and silicates (the material of rocky and iron cores) could form solids, so the inner planets and asteroids are made of silicate rocks and metals. Only in the outer Solar System could the lighter solids (water ices, carbon dioxide, methane, and ammonia ices) condense as well. This explains the difference in composition between the planets in the inner and outer Solar System. There is a size difference because the ices are made up of C, N, H, O -- elements which are much more abundant in the solar nebula than Fe, Si, Mg, metals that formed the grains in the inner Solar System. This made it easy for the outer Solar System planets to grow into giant worlds. The outer planets are large enough that they probably formed their own "mini-disks" around themselves, that eventually evolved into their own miniature "solar systems", with moons and rings. The ices formed low-density worlds worlds, with compositions much like the Sun (mainly hydrogen), while the metallic grains and silicates formed high-density rocky terrestrial planets.

Holding onto Nebular Gases Another crucial difference between the inner and outer Solar System is that the giant outer planets grew massive enough that their gravity could hold onto the original H and He gases of the nebula, and indeed, pull these in directly from the nebula (once planets had grown to about 15 earth masses) and retain these light elements. This was impossible for the inner planets, both because of the high temperatures (which made it easier for light gas molecules to escape a planet's gravitational field), and the small gravitational masses of the terrestrial planets.

Growing Planets from Planetesimals

We think all the bodies in the Solar System were formed initially from dust grains sticking to one another to form larger and larger bodies. These larger bodies are called planetesimals. Initially, dust grains just stick to one another, but as really big bodies form, they can also gravitationally attract neighboring particles and bodies to grow even bigger. Eventually, the biggest bodies win: these become the planets. Some of this material might not go on to form planets. (For example, the asteroid belt is thought to be a planet which did not succeed in forming, due to the gravitational disruption of Jupiter).

Once the Sun `turned on', radiation pressure and a dense wind from the Sun probably cleared out most of the material. Some of this left over `debris' from the planet making process survives as asteroids and comets. Their compositions (rocky or icy) reflects the sites of their original formation in the inner or outer regions of the Solar System. The early clearing out of debris created a period of early cratering. Some of the later collisions result in `captured' moons, which may have unusual orbits that do not reflect the original patterns of motion in the forming Solar System.

The Age of the Solar System

Dating the Solar System is accomplished by investigating naturally occurring radioactivity in solid rocks. We are then really considering the time to the solidification of the rock in question. A parent nucleide spontaneously undergoes a radioactive process, that alters the nucleus and gives off energy. The time for half the sample of nuclei to decay is the half-life of the species in question. By considering the ratio of parent to daughter nuclei, the time to the solidification can be calculated, provided the initial composition can be guessed at. This guessing is done by knowing something about the naturally occurring isotopic ratios in the sample (nuclei with the same number of protons -- same element -- but different numbers of neutrons -- different isotopes.) For example, Uranium-238 decays into Lead-206 with a half life of 4.5 billion years (Gyr) and the Lead-206 to Lead-204 ratio gives the initial state, since Lead-204 is not a daughter species. The oldest Earth rocks dated in this way are 3.8 Gyr old. The age of the Solar system is generally reckoned to be that of the oldest meteorites, about 4.6 Gyr.

The chronology of the Moon is quite well determined by radioactive dating of rocks brought back by the Apollo Program astronauts. The heavily cratered Highlands contrast with the younger, less cratered Maria floors which are upwellings of basalts that are much younger than the impacts that formed the basins themselves. The craters on the Moon and Mercury are impact craters from meteorite impacts and, the older the surface, the more impacts it shows. However, the lunar record shows that there must have been a period of very heavy bombardment about 4 billion years ago to account for the very high crater density in the Highlands. The youngest features on the Moon are the craters like Tycho and Copernicus, about 200 million years old ejecta from these impacts overlies older terrain --- the principle of stratigraphy: new stuff is on top of old stuff. We believe that all these objects formed at roughly the same time.

Comparative Planetology

      The Common Origin of the Planets

The idea of "comparative planetology" is that we would like to understand why the planets of the Solar System got to be the way they are, although they have a common origin, presumably, in the Solar Nebula. Specifically, in the inner solar system, the Earth is fairly active geologically, the Moon and Mercury are dead worlds, and Mars and Venus are in between. The fundamental question is how can these differences have arisen on worlds subject of the same physical laws and processes as on Earth, and can this be traced to the properties of the planets, their size, mass, composition and location, rather than just being treated as accidents.

We think that all the terrestrial planets have differentiated interiors. Early on in their history, while they were still hot from formation, the denser material in these planets probably sank to the center, forming a metallic core, with a less dense rocky mantle above it, and even less dense rocky crust on top. The outer part of this structure is what is called the "lithosphere", and it can react to stresses and energy flows from the interior if it is thin enough. The thickness of the lithosphere is directly related to the temperature of the interior, in the sense that it is thinner in the case of a hotter interior. This reaction in the lithosphere is what shows up as surface geology -- volcanos, lava flows, earthquakes and so on. So the key idea is that a hotter planet will be expected to have a more geologically active surface.

The crucial property of a planet that determines its inner heat, and therefore its surface activity, turns out to be the size of the planet. This comes about because the planet's interior temperature is a balance between heating and cooling. Rocky planets are predominantly heated by radioactivity in rocks distributed throughout their interiors, once the heat of formation and differentiation has radiated away. This means that the heating of a planet is a function of it's volume. On the other hand, a planet cools through its surface by radiation. Because of the balance between heating and cooling, the important quantity is the ratio of the surface to the volume of the planet. For a spherical planet, this ratio is inversely proportional to the size of the planet. In other words, a large planet keeps its heat more efficiently than a smaller planet. This ties in nicely with the planets of the inner solar system: the small worlds, like the Moon and Mercury, and to some extent Mars, will have cooled off more rapidly than Earth or Venus, and it is these small world that are less active, or dead

Atmospheres of Planets

      Outgassing an atmosphere

It is very unlikely that the primitive inner planets were large enough to hold onto the gases of the Solar Nebula as atmospheres, but all the inner planets have some form of atmosphere, even the Moon and Mercury. In the case of the Moon and Mercury, this is though to be the result of bombardment: a very small amount of gas is intermittently present on the surfaces. In the case of Earth, Mars & Venus, the atmospheres are thought to have been outgassed from the planet's interiors during the course of early volcanic activity. These would have been primitive reducing atmospheres, of carbon dioxide, methane, and Mars and Venus still have atmospheres that are predominantly carbon dioxide. The Earth is unique in having an oxygen and nitrogen atmosphere, although carbon dioxide and water remain as important trace constituents.


How did the solar system get its angular momentum? Why did Earth not fall into the Sun at the start? - Astronomia

Formation of Planetary Systems

  1. The inner four planets, Mercury, Venus, Earth and Mars, are all small and rocky.
  2. The next four planets, Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune, are all gas giants.
  3. All planets orbit the Sun in the Antiorario direction (right-hand rule) as seen from above the ecliptic. This is called diretto movimento. The opposite direction is called retrogrado . The Sun also rotates in this same direction.
  4. The orbital planes lie very close to the ecliptic plane for all planets (except Pluto). The angle of the orbital plane is called the inclinazione .
  5. The orbits of the planets are nearly circular. The eccentricities are all less than 0.1 except for Mercury and Pluto.
  6. The rotations of the planets are also direct (counterclockwise) except for Venus (which is slowly retrograde) and Uranus (which is almost rolling around its orbit). The angle of the spin axis to the planet's orbital plane is called the obliquità .
  7. The separation between planets in our solar system seems to follow a pattern (Bode's Law), which intrigued Kepler (Music of the Spheres)

B. Formation of Our Solar System

  1. The rocky planets and our Moon show evidence of heavy bombardment by large objects that left highly cratered surfaces. This is true of Mercury, the Moon, and Mars. By careful dating and other evidence, it is clear that this bombardment was mainly isolated to a specific period of time roughly 700 Myr after the formation of the Moon.
  2. The Earth, and perhaps Mars, has lots of water.
  3. We find lots of smaller bodies (the asteroids in the asteroid belt, Kuiper-belt objects, and comets) that we have to account for.
  4. There are some known timescales we have to account for:
    • The protostellar object and disk must form roughly 10 5 years after collapse begins.
    • Protostars go into a period of intense outward mass loss in the form of a violent wind between 10 5 and 10 7 years after they form. This suggests that any material in a protoplanetary disk is swept clear after about 10 Myr, so the planets better be formed by then!
    • The oldest meteorites are 4.566 Gyr old, while the Sun itself is 4.57 Gyr (according to models), so meteorites must have formed quickly.
    • Ages of rocks returned from the Moon, or ages of Martian meteorites, show that both bodies must have solidified no more than 100 Myr after the collapse of the nebula.
    • The lunar surface underwent a spike of bombardment 700 Myr after the Moon formed.

2 p (un 3 /GMsole) 1/2 . Likewise, consider the radius at which the orbital period of a test particle around a protoplanetary mass M , is the same as the period of the protoplanet around the Sun, P = 2 p (RH 3 /GM) 1/2 , where RH is the radius of the orbit, called the Hill Radius. Equating these two periods, we can solve for the Hill radius

RH = (M/Msole) 1/3 un .

The significance of this is that if a test particle comes within the radius RH of a planetesimal of mass M , it can become gravitationally bound and the planetesimal continues to grow. Rather than working with mass, it is possible to convert this to a ratio of densities

This radius is generally much bigger than the radius R of the planetesimal, meaning that the planetesimal has access to a large volume of space. Consider that the planetesimal will orbit and eventually come into contact with anything within that radius around the entire orbit, which makes a considerable volume of the nebula available. Thus, planetesimals can grow surprisingly fast (of order 10 6 yr).

A large planet like Jupiter, beyond the snow line, would have grown a core by the accretion method until it was perhaps 10-15 Mearth . At that point, it becomes massive enough to attract and hang onto gases such as helium and hydrogen, and could then grow much more rapidly. Jupiter would grow until the gas was depleted, again taking perhaps 10 6 yr. More distant planets (Saturn, Uranus, Neptune) are progressively smaller mainly because the solar nebula's density would decrease outward. In the inner solar system, the last stages of accretion would have involved collisions between very large bodies. The Earth's Moon is thought to be the remnant of a body the size of Mars hitting the proto-Earth, stripping off mainly the outer crust of Earth which then collected into the Moon. It was during these very large collisions that rotation axes could get knocked helter-skelter. This could explain the upside-down Venus and sideways Uranus.

After 10 7 yr, the planets would have largely stopped growing, and the terrestrial planets would have been completely molten and devoid of any volatiles (no water). By that time, the Sun ignites (starts nuclear fusion of H -> He), and enters the intense T Tauri stage that sweeps the remaining dust and gas away.

C. The Data from Other Solar Systems

The above scenario is probably about right, but it was developed before we had observations of other solar systems. With the tremendous number of examples we have now, we can ask how they agree with our solar system, and how they differ. A major surprise is the number of "hot Jupiters," which are found very close to their host star in a region well inside the snow line, where they could not have formed by the scenario just described. The best guess for what is happening is that these giant planets can actually move inward or outward in orbital radius, so the "hot Jupiters" are formed initially in one location, and migrate inward to where we see them now. There are two migration mechanisms that have been proposed and confirmed with numerical simulations. So-called Type I migration involves density waves set up in the nebula due to gravitational interaction (see similar density waves in Saturn's rings). Even stranger things can happen: Hot Jupiters. There is also a slower Type II migration that occurs within gaps of the nebula where density waves are no longer relevant. And finally, interactions with planetesimals just inside the orbit of a planet can cause the planet to give up angular momentum and scatter the planetesimals and itself therefore migrate outward.

Simulations suggest that Jupiter formed about 0.5 AU farther from the Sun, and migrated inward, while Saturn formed perhaps 1 AU closer to the Sun and migrated outward. During these migrations, the two gas giants would have moved through a critical 2:1 orbital resonance. Such a resonance would have meant that Jupiter's and Saturn's gravitational influence would have combined in the same way periodically on every other Jupiter orbit, causing significant perturbations in the surrounding sea of planetesimals. It is interesting that the simulations suggest that this would occur about 700 Myr after the formation of the inner planets and the Moon, so that this orbital resonance could have caused the bombardment that led to the craters seen on Mercury, Mars and the Moon. This same bombardment would have brought large amounts of water to the now cooling Earth (and apparently also Mars), accounting for our present-day oceans. A similar migration of Neptune outward would have scattered the Kuiper Belt objects and forced some of them in the 3:2 resonance we see today (including Pluto). A huge number of them (perhaps trillions) would have been ejected from the solar system into a vast cloud of objects as many as 50,000 AU from the Sun, from which the long-period comets are seen to come from today. This reservoir of comets is called the Oort Cloud, and we will discuss it more later.

We conclude that our earlier picture of a static, well-behaved solar system, where the planets are formed as we see them today, is no longer tenable. Instead, planets can migrate inward and outward, causing all manner of havoc to the remaining unaccreted planetesimals.

This ends our discussion of the formation of the solar system. We will now go on to discuss the individual components of our solar system in some detail, getting to know these strange worlds that are our neighbors in space.


Why Does the Earth Rotate?

Every day, the Earth spins once around its axis, making sunrises and sunsets a daily feature of life on the planet. It has done so since it formed 4.6 billion years ago, and it will continue to do so until the world ends — likely when the sun swells into a red giant star and swallows the planet. But why does it rotate at all?

The Earth formed out of a disk of gas and dust that swirled around the newborn sun. In this spinning disk, bits of dust and rock stuck together to form the Earth, according to Space.com, a sister site of Live Science. As it grew, space rocks continued colliding with the nascent planet, exerting forces that sent it spinning, explained Smadar Naoz, an astrophysicist at the University of California, Los Angeles. Because all the debris in the early solar system was rotating around the sun in roughly the same direction, the collisions also spun the Earth — and most everything else in the solar system — in that direction. [Photo Timeline How the Earth Formed]

But why was the solar system spinning in the first place? The sun, and the solar system, formed when a cloud of dust and gas collapsed due to its own weight. Most of the gas condensed to become the sun, while the remaining material went into the surrounding, planet-forming disk. Before it collapsed, the gas molecules and dust particles were moving all over the place, but at a certain point, some gas and dust happened to shift a bit more in one particular direction, setting its spin in motion. When the gas cloud then collapsed, the cloud's rotation sped up — just as figure skaters spin faster when they tuck their arms and legs in.

Because there isn't much in space to slow things down, once something starts rotating, it usually keeps going. The rotating baby solar system in this case had lots of what's called angular momentum, a quantity that describes the object's tendency to keep spinning. As a result, all the planets likely spun in the same direction when the solar system formed.

Today, however, some planets have put their own spin on their motion. Venus rotates in the opposite direction as Earth, and Uranus' spin axis is inclined 90 degrees. Scientists aren't sure how these planets got this way, but they have some ideas. For Venus, maybe a collision caused its rotation to flip. Or maybe it began rotating just like the other planets. Over time, the sun's gravitational tug on Venus' thick clouds, combined with friction between the planet's core and mantle, caused the spin to flip. A 2001 study published in Nature suggested that gravitational interactions with the sun and other factors might have caused Venus' spin to slow down and reverse.

In the case of Uranus, scientists have suggested that collisions — one huge crash with a big rock or maybe a one-two punchwith two different objects — knocked it off kilter, Scientific American reported.

Despite these kinds of disturbances, everything in space rotates in one direction or another. "Rotating is a fundamental behavior of objects in the universe," Naoz said.

Asteroids rotate. Stars rotate. Galaxies rotate (it takes 230 million years for the solar system to complete one circuit around the Milky Way, according to NASA). Some of the fastest things in the universe are dense, whirling objects called pulsars, which are the corpses of massive stars. Some pulsars, which have a diameter about the size of a city, can spin hundreds of times per second. The fastest one, announced in Science in 2006 and dubbed Terzan 5ad, rotates 716 times per second.

Black holes can be even faster. One, called GRS 1915+105, may be spinning anywhere between 920 and 1,150 times per second, a 2006 study in the Astrophysical Journal found.

But things slow down, too. When the sun formed, it spun once around its axis every four days, Naoz said. But today, it takes about 25 days for the sun to spin once, she said. Its magnetic field interacts with the solar wind to slow its rotation, Naoz said.

Even Earth's rotation decelerates. Gravity from the moon pulls on Earth in a way that ever so slightly slows it down. A 2016 analysis in the journal Proceedings of the Royal Society A of ancient eclipses showed that Earth's rotation slowed by 1.78 milliseconds over a century.

So, while the sun will rise tomorrow, it just may be a tad late.

Editor's Note: This story was updated to remove an incorrect calculation. Earth's rotation did not slow down by 6 hours over the last 2,740 years.


Earth Rotation

Atmospheres are found on the Sun, 8 planets, and 7 of the 60-odd satellites, for a total count of 16—in addition to the atmospheres that exist around the ∼200 known gas giant planets orbiting other stars. Each has its own brand of weather and its own unique chemistry. They can be divided into two major classes: the terrestrial-planet atmospheres, which have solid surfaces or oceans as their lower boundary condition, and the gas giant atmospheres, which are essentially bottomless. Venus and Titan form one terrestrial subgroup that is characterized by a slowly rotating planet, and interestingly, both exhibit a rapidly rotating atmosphere. Mars, Io, Triton, and Pluto form a second terrestrial subgroup that is characterized by a thin atmosphere, which in large measure is driven by vapor-pressure equilibrium with the atmosphere's solid phase on the surface. Both Io and Triton have active volcanic plumes. Earth's weather turns out to be the most unpredictable in the solar system. Part of the reason is that its mountain ranges frustrate the natural tendency for winds to settle into steady east–west patterns, and a second reason is that its atmospheric eddies, the fluctuating waves and storm systems that deviate from the average, are nearly as big as the planet itself and as a result strongly interfere with each other. [Vedere Venus: Atmosphere Io: The Volcanic Moon Triton and Pluto.]

Earth has many planetary attributes that are important to the study of its atmosphere and oceans, and conversely there are several ways in which its physically and chemically active fluid envelope directly affects the solid planet. Earth orbits the Sun at a distance of only 108 times the diameter of the Sun. The warmth from the Sun that Earth receives at this distance, together with a 30 K increase in surface temperature resulting from the atmospheric greenhouse effect, is exactly what is needed for H2O to appear in all three of its phases. This property of the semimajor axis of Earth's orbit is the most important physical characteristic of the planet that supports life. (One interesting consequence is that Earth is the only planet in the solar system where one can ski.)

Orbiting the Sun at just over 100 Sun diameters is not as close as it may sound a good analogy is to view a basketball placed just past first base while standing at home plate on a baseball diamond. For sunlight, the Sun-to-Earth trip takes 499 s or 8.32 min. Earth's semimajor axis, un3 = 1.4960 × 10 11 m = 1 AU (astronomical unit), and orbital period, τ3 = 365.26 days = 1 year, where the subscript 3 denotes the third planet out from the Sun, are used as convenient measures of distance and time. When the orbital period of a body encircling the Sun, τ, is expressed in years, and its semimajor axis, a, is expressed in AU, then Kepler's third law is simply τ = a 3 / 2 , with a proportionality constant of unity. [Vedere Solar System Dynamics: Regular and Chaotic Motion.]

1.1 Length of Day

The Earth's rotation has an enormous effect on the motions of its fluid envelope that accounts for the circular patterns of large storms like hurricanes, the formation of western boundary currents like the Gulf Stream, the intensity of jet streams, the extent of the Hadley cell, and the nature of fluid instabilities. All of these processes are thoroughly discussed in Sections 2–5. Interestingly, the reverse is also true: The Earth's atmosphere and oceans have a measurable effect on the planet's rotation rate. For all applications but the most demanding, the time Earth takes to turn once on its axis, the length of its day, is adequately represented by a constant value equal to 24 hours or 1440 minutes or 86,400 seconds. The standard second is the Système International (SI) second, which is precisely 9,192,631,770 periods of the radiation corresponding to the transition between two hyperfine levels of the ground state of the 133 Cs atom. When the length of day is measured with high precision, it is found that Earth's rotation is not constant. The same is likely to hold for any dynamically active planet. Information can be obtained about the interior of a planet, and how its atmosphere couples with its surface, from precise length-of-day measurements. Earth is the only planet to date for which we have achieved such accuracy, although we also have high-precision measurements of the rotation rate of pulsars, the spinning neutron stars often seen at the center of supernova explosions.

The most stable pulsars lose only a few seconds every million years and are the best-known timekeepers, even better than atomic clocks. In contrast, the rotating Earth is not an accurate clock. Seen from the ground, the positions as a function of time of all objects in the sky are affected by Earth's variable rotation. Because the Moon moves across the sky relatively rapidly and its position can be determined with precision, the fact that Earth's rotation is variable was first realized when a series of theories that should have predicted the motion of the Moon failed to achieve their expected accuracy. In the 1920s and 1930s, it was established that errors in the position of the Moon were similar to errors in the positions of the inner planets, and by 1939, clocks were accurate enough to reveal that Earth's rotation rate has both irregular and seasonal variations.

The quantity of interest is the planet's three-dimensional angular velocity vector as a function of time, Ω(t). Since the 1970s, time series of all three components of Ω(t) have been generated by using very long baseline interferometry (VLBI) to accurately determine the positions of quasars and laser ranging to accurately determine the positions of man-made satellites and the Moon, the latter with corner reflectors placed on the Moon by the Apollo astronauts. [Vedere Planetary Exploration Missions.]

The theory of Earth's variable rotation combines ideas from geophysics, meteorology, oceanography, and astronomy. The physical causes fall into two categories: those that change the planet's moment of inertia (like a spinning skater pulling in her arms) and those that torque the planet by applying stresses (like dragging a finger on a spinning globe). Earth's moment of inertia is changed periodically by tides raised by the Moon and the Sun, which distort the solid planet's shape. Nonperiodic changes in the solid planet's shape occur because of fluctuating loads from the fluid components of the planet, namely, the atmosphere, the oceans, and, deep inside the planet, the liquid iron–nickel core. In addition, shifts of mass from earthquakes and melting ice cause nonperiodic changes. Over long timescales, plate tectonics and mantle convection significantly alter the moment of inertia and hence the length of day.

An important and persistent torque that acts on Earth is the gravitational pull of the Moon and the Sun on the solid planet's tidal bulge, which, because of friction, does not line up exactly with the combined instantaneous tidal stresses. This torque results in a steady lengthening of the day at the rate of about 1.4 ms per century and a steady outward drift of the Moon at the rate of 3.7 ± 0.2 cm/year, as confirmed by lunar laser ranging. On the top of this steady torque, it has been suggested that observed 5 ms variations that have timescales of decades are caused by stronger, irregular torques from motions in Earth's liquid core. Calculations suggest that viscous coupling between the liquid core and the solid mantle is weak, but that electromagnetic and topographic coupling can explain the observations. Mountains on the core–mantle boundary with heights around 0.5 km are sufficient to produce the coupling and are consistent with seismic tomography studies, but not much is known about the detailed topography of the core–mantle boundary. Detailed model calculations take into account the time variation of Earth's external magnetic field, which is extrapolated downward to the core–mantle boundary. New improvements to the determination of the magnetic field at the surface are enhancing the accuracy of the downward extrapolations.

Earth's atmosphere causes the strongest torques of all. The global atmosphere rotates faster than the solid planet by about 10 ms −1 on average. Changes in the global circulation cause changes in the pressure forces that act on mountain ranges and changes in the frictional forces between the wind and the surface. Fluctuations on the order of 1 ms in the length of day, and movements of the pole by several meters, are caused by these meteorological effects, which occur over seasonal and interannual timescales. General circulation models (GCMs) of the atmosphere routinely calculate the global atmospheric angular momentum, which allows the meteorological and nonmeteorological components of the length of day to be separated. All the variations in the length of day over weekly and daily timescales can be attributed to exchanges of angular momentum between Earth's atmosphere and the solid planet, and this is likely to hold for timescales of several months as well. Episodic reconfigurations of the coupled atmosphere–ocean system, such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO), cause detectable variations in the length of day, as do changes in the stratospheric jet streams.


Planet Formation: Evolution vs. Revelation

Evolutionary ideas of planetary formation are fraught with problems. Man’s ideas about the origin of the solar system have changed, and they will continue to change. However, the Word of God does not change. While the Bible does not tell us much about how the solar system came into being, it does give us some information about when the earth and the rest of the solar system came into existence. The Christian has confidence that what God has revealed to us is true, so we ought to compare man’s ideas to the revealed truth. The current thinking of solar system formation disagrees with the Genesis creation account, so we know that it is not correct.


Guarda il video: Արեգակ (Luglio 2022).


Commenti:

  1. Lumumba

    Mi scuso, ma penso che tu abbia torto. Mi offro di discuterne. Scrivimi in PM, ne parliamo.

  2. Shazil

    Blimey!

  3. Eran

    Ben fatto, l'idea meravigliosa

  4. Bami

    Tutto, tutto.

  5. Bara

    Secondo me stai sbagliando. Discutiamo di questo. Mandami un'e-mail a PM.

  6. Davie

    Si Certamente. E mi sono imbattuto in questo. Discutiamo di questo problema.

  7. Alder

    Esattamente! Mi piace il tuo pensiero. Ti invito a correggere il tema.



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