Astronomie

Écluse de marée de la terre et de la lune

Écluse de marée de la terre et de la lune

Comme la Lune est verrouillée par la marée sur la Terre, cela signifie que depuis la Terre, nous ne pouvons jamais voir qu'un côté de la Lune.

Pouvons-nous voir toutes les faces de la Terre, depuis la Lune ?


La Terre et la Lune fais interagissent, mais parce qu'ils ont des tailles et des masses différentes, l'effet sur chacun est différent.

La Lune tourne une fois sur son orbite autour de la Terre, lui faisant constamment montrer le même visage. C'était l'effet de la Terre sur la Lune en raison de l'entraînement des marées par gravité.

C'est assez stable, la Lune continuera à montrer la même face à la Terre même si les forces de marée la font orbiter de plus en plus loin.

Nous voyons en fait un peu plus de 50% de la Lune. L'orbite de la Lune fait incliner son aspect parce que son orbite est légèrement elliptique et shimmy parce qu'elle n'orbite pas directement au-dessus de l'équateur. Au fil du temps, nous voyons en fait près de 60% de la surface de la Lune (un effet appelé libration).

L'effet de la Lune sur la Terre a été de ralentir sa rotation quotidienne à 24 heures. Dans le passé, la Lune était beaucoup plus proche de la Terre et la journée était beaucoup plus courte. Au fur et à mesure que le temps passe et que la Lune se déplace sur une orbite plus large, la durée du jour de la Terre augmentera (voir par exemple ce billet de Scientific American).

J'ai lu que la Lune reculerait jusqu'à un certain point, puis recommencerait à s'approcher de la Terre, mais malheureusement, le Soleil deviendra une géante rouge avant cela et avalera la Terre et la Lune.


Oui. Le verrouillage de marée de la lune par rapport à la terre signifie que la lune tourne une fois et son axe exactement dans le même temps qu'il faut pour orbiter la terre. Pour voir toujours le même côté de la Terre, il faut la mettre en orbite en même temps que la Terre doit tourner autour de son axe, c'est-à-dire en 24 heures. L'orbite de la lune autour de la terre prend environ 27 jours, donc à partir de la lune, vous verrez la terre tourner en dessous de vous, et avec le temps, vous pourrez en voir tous les côtés.

La période de l'orbite est dictée par la distance à la terre ; les objets plus éloignés de la terre orbiteront plus lentement, les objets plus proches plus rapidement. Afin de toujours voir le même côté de la terre, un objet doit être à un endroit particulier, un orbite géostationnaire, qui est dans le plan équatorial. C'est à 42 000 km du centre de la terre, soit environ 36 000 km au-dessus de sa surface.
La télévision et les autres satellites de communication sont sur une orbite géostationnaire, et cette orbite est tellement encombrée que les satellites se trouvent à quelques dizaines de kilomètres de leurs voisins. Tout le monde veut que son satellite soit à la bonne longitude pour desservir l'Amérique du Nord ou l'Europe.

La 3e loi de Kepler dit qu'il existe une relation fixe entre la période orbitale au carré et la distance au cube. Par exemple, la période de la lune en jours au carré est d'environ 750. Si vous divisez la distance de la lune au cube par la distance de l'orbite géostationnaire au cube, vous obtenez le même nombre.


Lorsqu'une lune a une masse considérable, comme la lune de la Terre, ce qu'on appelle un force de marée se produit. La force de marée fait référence à l'attraction gravitationnelle inégale entre deux objets. C'est aussi là que grandes marées et marées basses naissent, en fonction de l'océan le plus proche de la lune à un moment donné. Au cours de l'histoire, la forte attraction gravitationnelle de la Lune par la Terre a modifié la rotation de la Lune, aboutissant finalement à des modèles d'orbite correspondants. Cette rotation uniforme est exactement ce que l'on veut dire quand on dit que la lune est verrouillé par les marées à la terre.

En termes simples, en raison d'années de décalage causé par une gravité déséquilibrée, lorsque la Terre tourne, la Lune copie sa rotation exacte, ce qui rend impossible de voir l'autre côté de la Lune à moins d'un vaisseau spatial.


Contenu

Lunes[modifier | modifier la source]

La plupart des lunes sont verrouillées par marée sont verrouillées par marée avec leurs primaires, car elles orbitent très étroitement et la force de marée augmente en diminuant la distance. Pluton et Charon est un exemple particulier d'écluse de marée où Charon est une grande lune par rapport à sa principale et a une orbite relativement proche. Les autres lunes de Pluton sont chaotiquement bloquées par les marées en raison de l'effet de Charon. La rotation et les périodes orbitales de la Lune de la Terre sont liées par la marée, donc peu importe quand la Lune est observée depuis la Terre, le même hémisphère de la Lune est toujours vu.  Lorsque la Terre est observée depuis la Lune, la Terre ne le fait pas. t semble être vu à travers le ciel mais semble rester au même endroit, tournant sur son propre axe.

Le verrouillage des marées des astéroïdes est actuellement largement inconnu.

Planètes[modifier | modifier la source]

Mercure a un spin-orbite de 3:2, tournant trois fois pour deux tours autour du Soleil, ce qui donne le même positionnement à ces points d'observation. Mercure a été dans l'état de rotation 3:2 peu après sa formation, environ 10 à 20 millions d'années. Vénus et la Terre ont une orbite extrêmement proche, inconnue si un blocage de marée en résulte.
L'exoplanète Proxima Centauri b orbite autour de son étoile mère qui est verrouillée en raison de la marée, exprimant à la fois une rotation synchronisée et une ressemblance spin-orbite de 3:2 comme Mercure

Étoiles[modifier | modifier la source]

Les étoiles binaires proches sont verrouillées par la marée, avant d'être formées en 1 étoile. Tau Boötis, un exemple inhabituel, une étoile pourrait être bloquée par la marée par sa planète Tau Boötis b. Étant donné que les étoiles sont des corps gazeux qui tournent à des vitesses différentes à différentes latitudes, l'écluse de marée est due au champ magnétique de Tau Boötis.


Récession lunaire

  • Se traduit par une nette accélération vers l'avant de la Lune
  • Déplace la Lune dans un légèrement plus grand orbite

Le taux de récession lunaire est mesurable à l'aide d'expériences de télémétrie laser qui utilisent des réseaux de rétroréflecteurs laissés sur la Lune par les missions Apollo (Apollo 11, 14 et 15) et deux atterrisseurs soviétiques (Lunakhod 1 et 2). Les télescopes sur Terre font rebondir les faisceaux laser sur les réseaux de réflecteurs et mesurent la distance à la Lune avec une précision millimétrique.


Impacts planétaires

3.3 Évolution de la biosphère

Les preuves du système Terre-Lune suggèrent que le taux de cratère s'était essentiellement stabilisé à quelque chose approchant une valeur constante de 3,0 Ga. Bien que les principaux impacts de formation de bassin ne se produisaient plus, il y avait encore des impacts occasionnels entraînant des cratères de la taille d'un quelques centaines de kilomètres. Les archives terrestres contiennent des vestiges des structures de Sudbury, au Canada, et de Vredefort, en Afrique du Sud, qui ont des diamètres de cratères d'origine estimés à ∼250 km et ∼300 km, respectivement, et des âges de ∼2 Ga. Il est peu probable que des événements de cette taille ont causé d'importants changements à long terme dans la géosphère solide, mais ils ont probablement affecté la biosphère de la Terre. En plus de ces véritables cratères d'impact précambriens, un certain nombre de lits de sphérules anormaux avec des âges allant de ∼2,0 à 3,5 Ga. ont été découverts relativement récemment en Australie et en Afrique du Sud. Des preuves géochimiques et physiques (quartz choqué) indiquent une origine d'impact pour certains de ces lits à l'heure actuelle, cependant, leurs cratères sources sont inconnus. Si, comme indiqué, l'un de ces lits de sphérules en Australie est temporellement corrélé à un en Afrique du Sud, son étendue spatiale dépasserait 32 000 km 2 .

À l'heure actuelle, le seul cas de lien physique et chimique direct entre un événement d'impact important et des changements dans les données biostratigraphiques se trouve à la «limite Crétacé-Tertiaire», qui s'est produite il y a environ 65 millions d'années (Ma). Les preuves physiques mondiales de l'impact comprennent : des caractéristiques de déformation planaire microscopique produites par des chocs dans le quartz et d'autres minéraux la présence de stishovite (un polymorphe à haute pression du quartz) et de diamants d'impact des minéraux à haute température que l'on croit être des condensats de vapeur et divers, généralement sphérules altérées, fondues par impact. La preuve chimique consiste principalement en une anomalie géochimique, indiquant un mélange de matériel météoritique. Dans les sections nord-américaines non perturbées, qui ont été établies dans des marécages et des mares sur terre, la limite se compose de deux unités : une inférieure, liée aux éjectas balistiques, et une supérieure, liée à la dispersion atmosphérique dans la boule de feu d'impact et aux retombées subséquentes sur une période de temps. Cette couche de boule de feu est présente dans le monde entier, mais l'horizon des éjectas n'est connu qu'en Amérique du Nord.

La limite Crétacé-Tertiaire marque une extinction massive dans les archives biostratigraphiques de la Terre. À l'origine, on pensait que la poussière dans l'atmosphère à la suite de l'impact avait entraîné un assombrissement global, l'arrêt de la photosynthèse et un refroidissement. D'autres mécanismes de destruction potentiels ont été suggérés. La suie, par exemple, a également été identifiée dans des gisements limitrophes, et son origine a été attribuée à des incendies de forêt dispersés dans le monde. La suie dans l'atmosphère a peut-être accentué ou même dépassé les effets produits par les nuages ​​de poussière mondiaux. Récemment, l'accent a été mis de plus en plus sur la compréhension des effets des éjectas vaporisés et fondus sur l'atmosphère. Les modèles du rayonnement thermique produit par la rentrée balistique des éjectas condensés par le panache de vapeur et de fonte de l'impact indiquent l'occurrence d'une impulsion de rayonnement thermique sur la surface de la Terre. Le modèle de survie des animaux terrestres il y a 65 Ma est en accord général avec le concept selon lequel cette intense impulsion thermique a été le premier coup global porté à la biosphère.

Bien que l'enregistrement dans les dépôts de la limite Crétacé-Tertiaire soit cohérent avec l'occurrence d'un impact majeur, il est clair que de nombreux détails du ou des mécanismes de destruction potentiels et de l'extinction de masse associée ne sont pas entièrement connus. Le « cratère tueur » a été identifié comme une structure de 180 km de diamètre, connue sous le nom de Chicxulub, enfouie sous ∼1 km de sédiments sur la péninsule du Yucatan, au Mexique. Les variations dans la concentration et la taille des grains de quartz choqués et l'épaisseur des dépôts limites, en particulier la couche d'éjecta, pointent vers un cratère source en Amérique centrale. Des minéraux choqués ont été trouvés dans des gisements à la fois intérieurs et extérieurs à la structure, ainsi que des roches fondues à impact, avec un âge isotopique de 65 Ma.

Chicxulub peut détenir la clé de mécanismes d'extinction potentiels. Les roches cibles comprennent des lits d'anhydrite (CaSO4), et les calculs du modèle pour l'impact de Chicxulub indiquent que le SO2 libéré aurait envoyé entre 30 et 300 milliards de tonnes d'acide sulfurique dans l'atmosphère, selon les conditions exactes d'impact. Des études ont montré que l'abaissement des températures à la suite de grandes éruptions volcaniques est principalement dû aux aérosols d'acide sulfurique. Les modèles, utilisant à la fois les estimations supérieures et inférieures de la masse d'acide sulfurique créée par l'impact de Chicxulub, conduisent à une baisse calculée de la température mondiale de plusieurs degrés Celsius. L'acide sulfurique finirait par revenir sur Terre sous forme de pluie acide, ce qui provoquerait l'acidification de la partie supérieure de l'océan et entraînerait potentiellement des extinctions marines. De plus, le chauffage par impact de l'azote et de l'oxygène dans l'atmosphère produirait du NOX gaz qui affecteraient la couche d'ozone et, par conséquent, la quantité de rayonnement ultraviolet atteignant la surface de la Terre. Comme les aérosols soufrés, ces gaz réagiraient avec l'eau de l'atmosphère pour former de l'acide nitrique, ce qui entraînerait des pluies acides supplémentaires.

La fréquence des événements de la taille de Chicxulub sur Terre est de l'ordre d'un tous les ∼100 Ma. Des impacts plus petits, mais toujours importants, se produisent sur des échelles de temps plus courtes et pourraient affecter le climat terrestre et la biosphère à des degrés divers. Certains calculs de modèles suggèrent que la poussière injectée dans l'atmosphère à partir de la formation de cratères d'impact aussi petits que 20 km pourrait produire des réductions globales de la lumière et des perturbations de température. De tels impacts se produisent sur Terre avec une fréquence d'environ deux ou trois tous les millions d'années, mais ne sont pas susceptibles d'avoir un effet sérieux sur la biosphère. La composante la plus fragile de l'environnement actuel, cependant, est la civilisation humaine, qui dépend fortement d'une infrastructure organisée et technologiquement complexe pour sa survie. Bien que nous pensions rarement à la civilisation en termes de millions d'années, il ne fait aucun doute que si la civilisation dure assez longtemps, elle pourrait souffrir gravement ou même être détruite par un événement d'impact.

Les impacts peuvent se produire sur des échelles de temps historiques. Par exemple, l'événement de Tunguska en Russie en 1908 était dû à l'explosion atmosphérique d'un corps relativement petit à une altitude de ∼10 km. L'énergie libérée, basée sur celle nécessaire pour produire les perturbations sismiques observées, a été estimée comme étant équivalente à l'explosion de ∼10 mégatonnes de TNT. Bien que le souffle d'air ait entraîné la dévastation de ∼2000 km 2 de forêt sibérienne, il n'y a eu aucune perte de vie humaine. Des événements tels que Tunguska se produisent sur des échelles de temps de mille ans. Heureusement, 70 % de la surface de la Terre est constituée d'océans et la majeure partie de la surface terrestre n'est pas densément peuplée.


La théorie de la rotation du « verrou de marée » de la Lune - Qu'est-ce qui ne va pas ?

Le but pour moi en créant cette menace est de trouver une explication rationnelle, pas nécessairement scientifique, pour laquelle la rotation de la lune est verrouillée sur son orbite autour de la terre.

« L'écluse de marée » est problématique car, même ici sur Terre, les scientifiques n'ont pas d'explication décente pour expliquer pourquoi il y a deux marées chaque jour, une du côté proche de la Lune et une du côté opposé. Cela contredit carrément notre compréhension de la gravité. (Pourquoi les océans ne prennent-ils pas la forme d'un blanc d'œuf, la terre étant le jaune ?) Nous observons les marées depuis des milliers d'années, mais nous ne pouvons en expliquer la moitié. Prétendre que nous « savons » que la rotation de la Lune est causée par un « verrou de marée » - où nous NE POUVONS PAS observer de marées, et encore moins de « forces de marée », est de la pure hypocrisie, pas de la science.
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La tâche autoproclamée de la science est d'observer les phénomènes et de les expliquer avec une théorie. Mais chaque théorie n'est valable que jusqu'à ce qu'UNE contradiction ait été trouvée. Les gens doivent se rendre compte que la science n'offre que des théories, PAS des connaissances. Il appartient à chacun de décider quelle explication ou théorie est adéquate et laquelle ne l'est pas.

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"Le couple est défini comme le produit croisé de la distance et de la force du bras de levier, qui tend à produire une rotation."
Pour expliquer mon désaccord, je considérerai d'abord une lune solide et dont le centre de gravité est éloigné de son axe de rotation. En essayant de tourner, la gravité le ralentira, car le "couple" d'un côté serait plus grand que de l'autre. Cependant, lorsque le centre de gravité atteint l'autre côté, le couple applique la même force pour le réaccélérer.

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SI une lune est une sphère parfaite, mais qu'elle contient des océans ou d'autres liquides, alors la gravité terrestre attirera les liquides plus près, la faisant ainsi bomber ou être comprimée (d'où le nom "force de marée"). La forme allongée du métal en fusion au cœur d'une lune la rendrait essentiellement asymétrique, provoquant un déséquilibre des forces de couple et ralentissant ainsi sa rotation. Contrairement à l'exemple ci-dessus avec la lune solide, le centre de gravité ne basculera PAS de l'autre côté (donc ne le ré-accélère pas).

Cependant, cet effet de couple ne s'appliquerait pas à l'eau. En raison de sa faible "viscosité" (résistance à l'écoulement : miel contre eau), l'eau s'écoule facilement, et aussi vite que la gravité lui commande de le faire. Par conséquent, la forme allongée pointera toujours directement vers la terre. Avec le centre de gravité NON retiré de l'axe de symétrie, les forces de couple s'appliquent également aux deux, du côté qui approche comme du côté qui se détourne.

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D'autre part, les liquides en mouvement provoquent des frictions. Avec le frottement, la force de marée génère de la chaleur, qui est une perte d'énergie, réduisant l'inertie (tendance à maintenir sa vitesse) de la rotation.

Regardons notre Lune actuelle. Il a un noyau qui est fondu dans une certaine mesure. En raison de sa petite taille (par rapport à l'ensemble de son corps), de la viscosité élevée et de la pression élevée qui empêche tout mouvement important, le gonflement ou tout autre mouvement semblerait minime. L'étendue du renflement doit être calculée en fonction de ces facteurs avant même de pouvoir examiner le couple qu'il provoquera.

Conclusion : Pour déterminer combien de millions ou de milliards d'années il faudrait pour qu'un tel renflement provoque le « verrouillage de la marée » d'une lune ou d'une planète nécessite un calcul monstrueux, de nombreux facteurs n'étant guère plus que de vagues estimations. Ce n'est guère quelque chose qui peut être affirmé avec les connaissances et les capacités technologiques d'aujourd'hui à mesurer. Je considérerais cela comme notre "meilleure théorie scientifique disponible", une hypothèse plausible, pas une connaissance.

Où pensez-vous que je suis correct ou incorrect? J'espère obtenir des critiques et/ou des corrections de mes explications et conclusions. Je n'ai pas besoin qu'on me dise que je suis « têtu obstiné », ou toute autre interprétation erronée pour avoir refusé d'accepter une théorie simplement parce que c'est LA théorie considérée comme « connaissance » par les scientifiques traditionnels - pourtant, il me semble qu'elle se contredit ou qu'elle manque de raisonnement rationnel et logique.


Une plongée profonde dans l'écluse de marée

Mentionnez les zones habitables des naines rouges et l'écluse de marée apparaît invariablement. Si une planète est suffisamment proche d'une étoile rouge sombre pour maintenir des températures propices à la vie, ne garderait-elle pas un visage tourné vers elle à perpétuité ? Mais l'écluse de marée, comme l'explique Ashley Baldwin dans l'essai ci-dessous, est plus complexe qu'on ne le pense parfois. Et bien qu'il existe des moyens de produire des modèles de climat tempéré pour de telles planètes, le verrouillage des marées lui-même est un facteur non seulement pour les naines M, mais aussi pour les étoiles de classe K et même G comme le Soleil. Inversez quelques conditions de départ et la Terre elle-même pourrait avoir été bloquée par les marées. L'infatigable Dr Baldwin surveille de près les dernières recherches sur les exoplanètes, équilibrant en quelque sorte sa bourse d'études en astronomie avec une carrière de psychiatre consultant au 5 Boroughs Partnership NHS Trust (Warrington, Royaume-Uni). Lisez la suite pour en savoir plus sur la position actuelle de la pensée sur un sujet essentiel à la question de l'habitabilité des naines rouges.

par Ashley Baldwin

Le “verrouillage de la marée”, la “rotation capturée” ou le “verrouillage de l'orbite”, etc. se produisent sous la forme la plus connue lorsqu'un corps astronomique en orbite (que ce soit une lune, une planète ou même une étoile) présente toujours le même visage vers l'objet en orbite. Dans ce cas, l'orbite du corps du “satellite” peut être appelée “synchrone”, ce qui signifie que le corps verrouillé par les marées met autant de temps à tourner autour de son propre axe qu'à orbiter son partenaire. Cela se produit en raison de la gravité du corps principal qui fléchit le corps en orbite en une forme allongée et allongée. Celui-ci est à son tour exposé à des interactions gravitationnelles variables avec le corps central.

Figure 1: Contraintes de marée et blocage des marées

Au fur et à mesure que l'orbiteur tourne, son axe désormais allongé se désaligne de la masse centrale, ce qui le perturbe par conséquent lors de sa rotation sur son orbite. Il devient ainsi soumis à des couples induits par la gravitation qui peuvent agir comme un frein par échange et dissipation d'énergie, cette dernière via la perte de chaleur induite par frottement dans le corps en orbite perturbé. Comme les zones habitables des naines M sont plus proches de leur étoile centrale et que leur influence gravitationnelle est donc plus grande, il est facile de voir comment cette chaleur dissipée peut contribuer de manière substantielle au flux d'énergie global d'une exoplanète et peut même affecter son potentiel d'habitabilité. le faisant basculer dans un scénario de serre incontrôlable. (Kopparapu 2013).

Sur des millions d'années (ou plus), ce processus peut conduire à une “synchronisation orbitale”. Cela se produit lorsque le corps en orbite atteint un état où il n'y a plus d'échange net de rotation au cours d'une orbite terminée (Barnes 2010). La sortie d'un état de verrouillage de marée ne serait possible qu'avec l'ajout d'énergie au système. Cela pourrait se produire si un autre objet massif (comme une planète ou une étoile dans, disons, un système binaire) rompait l'équilibre. Si les masses des deux corps (par exemple Pluton & Charon) sont similaires, ils peuvent se verrouiller l'un à l'autre.

Tous les verrouillages de marée n'impliquent pas une synchronisation. La “super-synchronisation” se produit lorsqu'un corps en orbite est verrouillé par marée sur son corps parent mais tourne à une vitesse fixe mais plus rapide. Un exemple d'actualité en est l'ancienne “orbite de transfert géosynchrone” (GTO). Nous voyons cela tout le temps sur les spécifications du lanceur : “Payload to GTO”. Cette orbite est externe à l'orbite géosynchrone, où de nombreux satellites commencent leur vie opérationnelle, mais permet des changements d'inclinaison d'insertion pré-orbitale, ce qui coûte moins de propulseur avant l'insertion finale. Alternativement, de telles orbites peuvent être utilisées comme dépotoirs pour les satellites non fonctionnels ou les débris associés, appelés « ceintures géo-cimetières » (Luu 1998). Les simulations suggèrent que de nombreuses exoplanètes pourraient exister dans des variantes de ces types orbitaux.

L'interaction gravitationnelle avec une étoile centrale entraîne un ralentissement progressif de la rotation d'un corps planétaire plus petit comme Mercure via l'échange d'énergie et la dissipation de chaleur. Cela est dû aux variations subtiles mais importantes de la force de marée à travers le corps en orbite (rappelez-vous que la gravité est inversement proportionnelle au carré de la distance entre deux corps quelconques, donc des gradients gravitationnels existent à travers les corps solides, conduisant à des renflements) . Cependant, si l'orbite planétaire initiale est significativement excentrique, cet effet varie considérablement au cours de la période orbitale (en particulier au périapse - le point d'interaction gravitationnelle la plus forte) et peut à la place entraîner une résonance spin-orbite. Dans le cas de Mercure, il s'agit de 3:2 (trois rotations pour deux orbites), mais d'autres rapports peuvent se produire de 2:1 à 5:2 (Mahoney 2013). Il convient de noter que cet effet est plus prononcé pour les planètes plus proches où les effets gravitationnels sont les plus importants, de sorte que l'effet devrait être encore plus pertinent pour les architectures exoplanétaires serrées (par exemple TRAPPIST-1) qui semblent prévaloir.

Dans les cas extrêmes où l'orbite du corps en orbite est presque circulaire ET a une inclinaison axiale minimale ou nulle, comme avec la Lune, le même hémisphère (permettant la libration) fait face à la masse primaire.

Cela dit, par souci de simplicité, nous supposerons maintenant qu'un corps de masse plus petite (exoplanète) est en orbite autour d'un corps beaucoup plus massif (étoile) - c'est l'objet de cette revue, avec un clin d'œil inévitable à l'habitabilité.

Pour des raisons de brièveté et concernant également le sujet des exoplanètes des articles récents, nous nous limiterons au cas spécifique des exoplanètes terrestres et de leurs orbites autour d'étoiles de la séquence principale plus petites.

Le temps de blocage des marées peut même être décrit par l'équation adaptée :

Tfermer à clé wa 6 (0,4 m*R 2 ) / (3 Gmp 2 kR 5 ) (Goldreich, Goldreich & Soter 1966) (Peale 1977) (Gladman 1996) (Greenberg 2009)

Où Tfermer à clé est “temps de verrouillage de marée”, w et k sont des constantes qui peuvent être ignorées pour des raisons de simplicité, m* est la masse de l'étoile, mp est la masse de la planète, R est le rayon de l'exoplanète et “G” est la constante gravitationnelle de Newton.

Tfermer à clé est considérablement allongé par l'augmentation du demi-grand axe planétaire (à la sixième puissance !). Le temps de verrouillage des marées est également augmenté de 0,4 X m* dans cette équation. Cependant, il est important de se rappeler le contexte et à quel point une étoile, en fait N'IMPORTE QUELLE étoile, est — même une étoile naine M — plusieurs fois, des ordres de grandeur même, plus massive qu'une planète. Une étoile joue ainsi le rôle majeur dans le verrouillage des marées des planètes qui l'accompagnent.

La constante gravitationnelle G garantit que l'augmentation de la masse stellaire diminuera considérablement Tfermer à clé. Toutes choses étant égales par ailleurs, l'augmentation de la masse stellaire est un facteur majeur dans la réduction du temps de verrouillage des marées.

Figure 2: Type de masse stellaire & par rapport au demi-grand axe orange / graphique rouge avec T superposésynchronisation pour 0,1,1 et 10 gigaan fois pour une planète de masse terrestre. (Penz 2005)

Le concept de synchronisation est relativement nouveau, remontant au séminal de Stephen Dole Planètes habitables pour l'homme au début de l'ère spatiale au début des années 1960. Le concept était purement théorique, avec des paramètres quelque peu arbitraires à ce stade, mais cela impliquait que le verrouillage des marées serait un obstacle majeur aux exoplanètes « habitables » et conviviales que Dole avait en tête pour son livre. C'est ici que les orbites et les planètes verrouillées par les marées dans les systèmes nains M ont été liées pour la première fois, d'une manière négative qui existe encore dans une certaine mesure aujourd'hui (avant même d'arriver aux éjections de masse coronale, EUV et éruptions stellaires et al !) geler du côté de la planète opposé à l'étoile n'est pas le moindre de ces problèmes.

Ce n'est qu'en 1993 que Kasting et al ont utilisé une modélisation climatique 1D sophistiquée pour décrire ce qui constituaient des planètes habitables. Les planètes habitables signifiaient essentiellement maintenant des planètes avec des conditions qui pourraient maintenir de l'eau liquide à leur surface. Il s'agit d'une barre plutôt inférieure à celle fixée par Dole trente ans plus tôt, mais bien plus applicable et toujours un pilier de la science des exoplanètes aujourd'hui. Plus important encore, l'équipe de Kasting a également simulé l'interaction gravitationnelle étoile/planète.

Ils l'ont fait en utilisant le modèle "Equilibrium Tide" (ET). Des variantes raffinées de cela sont maintenant devenues LA base de toutes les études connexes ultérieures, car elles ont également «évolué». Le modèle suppose essentiellement que la force gravitationnelle du marégraphe (étoile) produit une forme allongée dans le corps perturbé (exoplanète) et que son grand axe est légèrement désaligné par rapport à une ligne imaginaire reliant les deux centres de masse.

Le désalignement est crucial et est dû aux processus de dissipation au sein de l'exoplanète "déformée", conduisant à l'évolution de l'orbite et des moments angulaires de spin. À partir de là, diverses équations peuvent être créées qui tracent l'histoire de l'évolution orbitale et rotationnelle des exoplanètes au fil du temps (voir ci-dessus). ET a été à l'origine dérivé du système Terre/Lune par Darwin en 1880 avant d'être affiné par Pearle en 1977. Les itérations varient de manière subtile mais significative et sont utilisées comme base pour des simulations de plus en plus sophistiquées à mesure que la puissance de calcul augmente. Barnes 2017 a effectué un examen détaillé de la synchronisation et de la modélisation ET (voir ci-dessous).

Kasting et al ont montré la synchronisation d'exoplanètes putatives en orbite dans les zones habitables des naines M, des étoiles d'une masse allant jusqu'à 0,42 MSoleil, dans les 4,5 milliards d'années. Ils ont introduit le terme désormais familier “rayon de verrouillage de marée”. Bien qu'il s'agisse d'un grand pas en avant, cela a eu pour conséquence malheureuse de continuer à propager une vision pessimiste des exoplanètes habitables en orbite autour de telles étoiles. Il est important de noter que la masse stellaire était toujours considérée comme la principale, sinon la seule cause de synchronisation. Le graphique ci-dessous (de Yang et al 2014), bien que basé sur une modélisation sophistiquée, capture toujours ce type de pensée. Ici, diverses gammes de modèles de zones habitables sont superposées sur un graphique d'insolation stellaire relative (et de type d'étoile) par rapport à des exemples de demi-grand axe d'exoplanètes connues, ajoutant une perspective réaliste. Vous noterez aussi que pour un 0,42 MSoleil étoile, avec une température d'environ 3500 K, la plage habitable intérieure 1-D est très proche de la valeur attribuée au TOI 700d récemment découvert au milieu des années 80.

figure 3: Graphique de la température de l'étoile en fonction du flux stellaire avec des classes d'étoiles colorées superposées et une ligne grise en pointillés du rayon de verrouillage de la marée.

Les effets d'autres facteurs tels que l'excentricité orbitale de départ (déjà rencontrée ci-dessus avec Mercure), le taux de rotation de base, la présence de corps compagnons (Greenberg, Corriea 2013), les marées thermiques provenant des atmosphères (Leconte et al 2015) et les et les intérieurs planétaires (Driscoll & Barnes 2015), l'inclinaison orbitale (Barnes 2017) — n'ont pas été pris en compte. Comme on peut le voir, ce n'est qu'au cours des cinq dernières années environ que ces éléments ont été ajoutés aux simulations. En effet, les résultats de ces études modifient considérablement l'ensemble du paradigme de verrouillage des marées avec une pertinence particulière pour les zones habitables, qui malgré le raffinement (Kopparapu 2013, Selsis 2007) n'ont que légèrement changé, un grand compliment aux travaux de Kasting en 1993.

Dans l'ensemble, les planètes de la zone habitable des étoiles M, K et G ont toutes le potentiel de devenir bloquées par les marées. Pas seulement les nains M — bien que leur potentiel reste le plus grand et surtout pour < 0,1 MSoleil étoiles telles que TRAPPIST-1. Même la Terre, si sa rotation de départ avait été supérieure à seulement trois jours, selon Barnes 2017, aurait pu devenir synchrone.

Par souci de concision, cette revue s'est largement concentrée sur la masse stellaire en tant que moteur majeur de la synchronisation exoplanétaire. Comme on l'a vu plus haut, au fur et à mesure que les connaissances progressent dans ce domaine, d'autres processus entrent en compte. Il devient également de plus en plus difficile de les distinguer des moteurs de l'habitabilité exoplanétaire. À cette fin, nous devons donc examiner plus en détail certains des facteurs mentionnés ci-dessus.

La planète Vénus est inhabituelle à bien des égards, mais une en particulier se démarque : sa vitesse de rotation rétrograde et lente qui est plus longue que sa période orbitale. Pourquoi? Qu'est-ce qui rend Vénus différente ? Un facteur est qu'il s'agit d'une planète rocheuse avec une atmosphère substantielle (92 bars à sa surface). Nous connaissons tous le tristement célèbre effet de serre incontrôlable que cela entraîne, faisant de Vénus la planète la plus chaude du système solaire, bien qu'elle soit plus éloignée du Soleil que Mercure (résonante en rotation/orbite). Cependant, cette atmosphère a-t-elle d'autres effets ?

Sur Terre, le cycle jour/nuit entraîne des variations de répartition de la chaleur dans l'atmosphère. On sait que l'heure la plus chaude de la journée sur Terre ne se produit pas lorsque le Soleil est à son zénith et donc au plus près de la Terre, mais plutôt plusieurs heures plus tard. Ceci est dû à l'inertie thermique. Il y a un délai entre le chauffage solaire et la réponse thermique, conduisant à une redistribution de masse. L'atmosphère et la surface de la Terre étant généralement bien liées par frottement, cela va engendrer des couples thermiques non négligeables.

Ces couples sont apparentés aux couples résultant de l'interaction gravitationnelle inégale du Soleil avec la Terre décrite ci-dessus, mais pas aussi puissants. Sur la Terre avec son orbite étendue de 1 UA, ils sont largement sans conséquence, mais pour 0,3 UA plus près de Vénus, ils deviennent significatifs. Selon leur direction, ils peuvent soit ralentir OU accélérer la rotation planétaire, mais dans tous les cas, ils aident à résister à la synchronisation. Au fil du temps, les couples survenant dans Vénus ont ralenti sa rotation, à tel point qu'elle s'est inversée pour devenir le modèle rétrograde que nous voyons aujourd'hui.

Alors si c'est vrai pour Vénus, qu'en est-il des exoplanètes ? Ces couples atmosphériques peuvent-ils résister ou au moins retarder la synchronisation et le verrouillage des marées dans les zones vulnérables autour d'une étoile ? Cela a été largement modélisé par Leconte et al 2015 et la réponse a été un oui retentissant, en particulier pour les étoiles plus petites et moins lumineuses avec des zones habitables proches, et pas seulement pour les exoplanètes avec des atmosphères de 90 bars non plus. 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).

Figure 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”.

Figure 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.

Figure 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. Astronomical Journal, 71, 1966

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

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

Greenberg, R. Frequency dependence of tidal Q, Le Journal d'Astrophysique, 698, L42-45, 2009

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

Kopparapu, R K et al. Habitable zones around main sequence stars: New Estimates. Le Journal d'Astrophysique, 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. Le Journal d'Astrophysique 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. Les lettres du journal astrophysique: 771:L45, July 2013

Yang, J et al. Strong dependence of the inner edge of the habitable zone on planetary rotation rate. Les lettres du journal astrophysique: 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.

Oui. 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. The moon est 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.


Voir la vidéo: Biarritz: marée basse. marée haute High tide. low tide (Septembre 2021).