Życie pod niebem bez Księżyca – naukowy domysł Understand article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Strasznie wysokie temperatury, powodzie, wichury…. Jaką by nasza planeta była, gdyby nie miała Księżyca?

Dzięki uprzejmości: Erin
Tranfield / Goloverez /
iStockphoto

Księżyc, the Moonder Mondla lune. Jego nazwa, a nawet jej rodzaj gramatyczny są różne w różnych językach, niemniej jednak jest on bez wątpienia ważnym składnikiem naszego wizerunku Ziemi. Czy potrafisz wyobrazić sobie Ziemię bez Księżyca? Bez owego pięknego, jasnego obiektu przemierzającego nocne niebo, wiszącego nad horyzontem, zaglądającego zza drzew w mroźną, zimową noc. Nie ma tego romantycznego światła, nie ma piosenki Blue Moon, ani lądowań na Księżycu. Nie tylko mogłoby go nam brakować – bez Księżyca moglibyśmy wcale nie istnieć.

Wyobraźmy sobie dwa scenariusze: (i) Ziemia nigdy nie miała księżyca i (ii) nasz Księżyc nagle zniknął. Wpierw jednak nieco o oddziaływaniu Księżyca na Ziemię.

Czas i pływy – oddziaływanie Księżyca na Ziemię

Ziemia nie zawsze miała księżyc. Skąd zatem on się wziął? Wiodąca teoria głosi, że około 4,5 miliarda lat temu z Ziemią zderzyła się Theia – obiekt o wielkości Marsa. Uderzając ukośnie, podniosła obłok szczątków, które później połączyły się, tworząc Księżyc. Wpłynęło to głęboko na dalsze losy Ziemi.

Księżyc ma dopiero powstać
jakieś 4,5 miliarda lat temu,
kiedy obiekt wielkości Marsa
uderzy z dużą prędkością w
młodą Ziemię. Powstałe
wskutek tego: roztopiona
skała, para i gruz, razem z
odłamkami Ziemi; utworzyły
pierścień wokół naszej
planety. Z czasem te
pozostałości połączyły się,
formując Księżyc.

Dzięki uprzejmości NASA /
JPL-Caltech

Ziemia i jej nowo uformowany Księżyc oddziaływały wzajemnie siłą grawitacji, co spowolniło rotację Ziemi i wydłużyło ziemski dzień z 5 do 24 godzin (Touma & Wisdom, 1998). Księżyc nadal spowalnia obrót Ziemi o 0,002 sekundy na 100 lat (rysunek 1).

Rysunek 1: Ziemia (A) obraca się, okrążana przez Księżyc (B).Przyciąganie grawitacyjne Księżyca powoduje wybrzuszenie pływowe (C) – woda na Ziemi jest przyciągana ku Księżycowi.

1) Ziemia wiruje szybciej niż Księżyc ją okrąża, co jest przyczyną oporu ruchu gdy jej powierzchnia wiruje pod wybrzuszeniem pływowym. Tarcie pomiędzy lądem i wybrzuszeniem pływowym „ciągnie” wybrzuszenie do przodu (C), które dlatego wyprzedza linię działania sił między Ziemią i Księżycem (D).

2) Siła tarcia (F) między Ziemią i oceanami działa jak hamulec. Mówimy o hamowaniu pływowym. Siła ta „ciągnie” Ziemię do tyłu, skutecznie spowalniając jej obrót. Hamowanie pływowe ma również wpływ na Księżyc za pośrednictwem siły (E), która „ciągnie” Księżyc do przodu na jego orbicie, skutecznie go przyspieszając. Wskutek tego orbita Księżyca powoli wydłuża się, a on sam powoli oddala się od Ziemi. Kliknij zdjęcie, aby je powiększyć.
Dzięki uprzejmości Nicola Graf

Przyciąganie grawitacyjne Ziemi i Księżyca ustabilizowało także nachylenie ziemskiej osi obrotu. Obecne nachylenie to wynosi 23,5° i w rezultacie mamy na Ziemi pory roku i przewidywalny, dość stały klimat (rysunek 2). Bez Księżyca ta oś kołysała by się, podobnie jak to się dzieje na bezksiężycowym Marsie.

Rysunek 2: Przyciąganie grawitacyjne Ziemi i Księżyca stabilizuje nachylenie osi obrotu Ziemi, dając Ziemi przewidywalny, dość stały klimat i pory roku. Ponieważ Księżyc jest bliżej Ziemi niż którakolwiek planeta, jego przyciąganie jest najsilniejsze i prawie stałe. Gdyby nie było Księżyca, Ziemia poddana byłaby oddziaływaniu innych planet, podczas ich orbitowania wokół Słońca. Gdyby blisko był Jowisz, ciągnąłby Ziemię w swoim kierunku, gdyby Mars był blisko, ciągnąłby ją ku sobie. Na Ziemię działałyby zatem siły przyciągania różne się w czasie, a jej oś obrotu kołysałaby się. (Obraz nie jest w skali.) Kliknij zdjęcie, by powiększyć.
Dzięki uprzejmości NASA / JPL

Inną cechą naszej planety są jej oceany. Więcej niż 70% powierzchni Ziemi pokrywa woda morska, wznosząca się i opadająca w 12,5 h cyklu pływów. Siły odpowiedzialne za pływy są złożone. Poza siłą odśrodkową rotacji Ziemi składają się na nie: przyciąganie Księżyca i Słońca (rysunek 3). Wpływ Księżyca jest dwukrotnie większy niż Słońca, gdyż siła grawitacji, jaką jeden obiekt działa na drugi zależy zarówno od ich mas jak i od odległości pomiędzy nimi.

Rysunek 3: Zarówno Księżyc jak i Słońce mają udział w istnieniu pływów, ponieważ oddziałują grawitacyjnie na Ziemię. Grawitacja Księżyca wybrzusza oceany w jego kierunku. Jednocześnie drugie wybrzuszenie pojawia się po przeciwnej stronie Ziemi, także przyciąganej przez Księżyc (niezależnie od wody po tamtej stronie). Ponieważ Ziemia obraca się, wybrzuszenia (przypływy, A) występują w dowolnym miejscu dwa razy na dobę.

Pływy wykazują zależność od faz Księżyca. Gdy Księżyc i Słońce znajdują się w jednej linii podczas nowiu (B) lub pełni (C), ich łączna siła grawitacji jest największa i pływy są najwyższe (pływy syzygijne). Gdy Księżyc jest w pierwszej (D) lub trzeciej kwadrze (E), pływy są najniższe (pływy kwadraturowe). Kliknij obraz by go powiększyć.
Dzięki uprzejmości Nicola Graf

Nie wiemy w jakiej odległości od Ziemi Księżyc się uformował, ale wiemy, że było to dalej niż 12 000 km i bliżej niż obecna odległość (ok. 384 400 km). Oznacza to, że początkowo wywoływał on pływy znacznie większe niż obecnie. Uważa się, że było to bardzo ważne dla mieszania się wód oceanicznych oraz dla początków ewolucji, jakieś 3,8 miliarda lat temu (Comins, 1996).

Co ciekawe, zarówno pływy jak i ruch obrotowy Ziemi mają wpływ na Księżyc i powodują, że oddala się on od Ziemi – w tempie 3,82 cm na rok (rysunek 1).

Żółwie morskie
(Chelonioidea) składają jaja
podczas pływów syzygijnych,
gdy są najwyższe przypływy.
Fale pozwalają wtedy
samicom wpływać daleko na
plażę, gdzie składają jaja
powyżej zasięgu wody
wysokiej (dla dobra wylęgu).

Dzięki uprzejmości Kubrak78
/ iStockphoto

Scenariusz 1: Co by było jeśli nigdy nie byłoby księżyca?

Co mogłoby dziać się na Ziemi gdyby te 4.5 miliarda lat temu Theia ominęła ją spokojnie i nie doszłoby do zderzenia, ani pojawienia się Księżyca? No cóż…, jakieś życie pewnie istniałoby na Ziemi, ale ludzie prawie na pewno nie. Pomyśl tylko o długotrwałym procesie ewolucji, o tych małych zmianach, delikatnych adaptacjach organizmów do ich środowisk. Niemal niezauważalne zmiany w ziemskim środowisku zupełnie zmieniały bieg ewolucji. Ja nie pisałbym tego artykułu – a ty byś go nie czytał.

Gdyby Księżyc się nie uformował, Ziemia musiałaby być obecnie całkowicie inną. Dzień ziemski trwałby ledwie 8-10 godzin. Szybsza rotacja byłaby przyczyną wichrów omiatających jej powierzchnię z szybkością 160-200 km/h. Oś obrotu Ziemi chwiałaby się, wywołując duże zmiany temperatury na przestrzeni tysięcy lub milionów lat. Nasze morza podlegałyby pływom, ale te pływy byłyby o wiele mniejsze – wywoływałoby je tylko Słońce.

Poproś uczniów o formułowanie pomysłów dotyczących organizmów, które byłyby w stanie wyewoluować na Ziemi nie mającej Księżyca, zdolnych znieść ekstremalne temperatury, silne wiatry, małe pływy i krótkie dni.

Scenariusz 2: Co by było gdyby nasz Księżyc nagle zniknął?

Meduza (Cnidaria) i wiele
innych odmian morskiego i
słodkowodnego
zooplanktonu przemieszcza
się w górę i w dół kolumny
wody w rytmie dobowym.
Gdyby zniknął Księżyc,
ziemskie dni stałyby się
krótsze i zwierzęta te
musiałyby dostosować się
do krótszego rytmu
dobowego.

Dzięki uprzejmości Nicolas
Hoizey / Flickr/span

Przypuśćmy, że Księżyc jutro miałby po prostu zniknąć. Wtedy my i wszystkie inne organizmy na Ziemi znaleźlibyśmy się w poważnych tarapatach. Przystosowani do życia w określonym układzie warunków, znaleźlibyśmy się w zupełnie odmiennym środowisku. Zmiany mogłyby trwać tysiące lub miliony lat, co być może wydaje się długo, ale byłyby dramatyczne.

Gdyby Księżyca zabrakło, stabilność osi obrotu Ziemi na powrót by zniknęła, a z nią przewidywalność temperatur. Weźmy pod uwagę dwa miasta: Rzym i Sztokholm. Najwyższa, średnia temperatura w Rzymie latem wynosi 29 °C, a zimą 13 °C. W Sztokholmie, latem jest to 20 °C, a zimą 0 °Cw1. Gdyby nachylenie osi obrotu Ziemi uległo zmianie, temperatury w tych dwóch także uległyby zmianie. Wyobraź sobie, że zmieniły się wymiennie. Okazałoby się, że infrastruktura (np. klimatyzacja, czy pługi śnieżne) byłaby w tych miastach po prostu nieodpowiednia, aby zapewnić ludziom właściwy komfort życia, pracy i jedzenia. Włosi, Szwedzi i całe życie na Ziemi musiałoby się dostosować albo wymrzeć.

Wiele gatunków, jak choćby
jelenie, kojarzy się w pary w
określonych porach roku.
Jakie znaczenie miałoby dla
tych organizmów zniknięcie
Księżyca i pór roku?

Zdjęcie dzięki uprzejmości Alex
Groundwater / Flickr

Przemieszczanie się mogłoby być jedną z opcji dostosowania, ale nie dla wszystkich organizmów. Rafy koralowe, na przykład, złożone i wrażliwe ekosystemy, mogłyby nie zdołać dostatecznie szybko dostosować się do zmieniającej się temperatury wody i prawdopodobnie by wymarły (Saxby i in., 2003).

Co więcej, gdyby zmieniła się temperatura, Ziemia straciłaby swoje bieguny zimna, na których zgromadziły się ogromne ilości lodu. Ten lód stopiłby się, a poziom oceanów podniósłby się, zmieniając linie wybrzeży na całym świecie. Kraje takie jak Holandia zostałyby zalane.

Brak stabilności nachylenia osi obrotu Ziemi oznaczałby utratę regularności pór roku, ze wszelkimi tego konsekwencjami. Pomyśl ile organizmów dorasta, migruje, łączy się w pary, hibernuje w określonych porach roku. Zmiany temperatury rozregulowałyby okres wegetacji roślin i klimat dla nich, co skomplikowałoby znacznie produkcję żywności na Ziemi.

Jak utrata Księżyca, a tym
samym regularności pór
roku, mogłaby oddziałać na
drzewa liściaste – te, które
zapewniają owe piękne
jesienne barwy w Lake
District w UK?

Dzięki uprzejmości
midlander1231 / Flickr

Czyste szaleństwo?

Nikt nie spodziewa się tak dużej ilości domysłów w artykule naukowym. Jednakże wyobrażanie sobie świata bez Księżyca jest zabawnym ćwiczeniem, ujawniającym na jakie sposoby Księżyc czyni z Ziemi tak wspaniałą planetę, którą znamy. Takie ćwiczenie nie tylko wprowadza fragmenty trudnej fizyki w prostym kontekście, ale też daje uczniom okazję do rozważań o procesie ewolucji i o zależności każdego aspektu naszego życia od środowiska, w którym żyjemy.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Erin Tranfield uzyskała doktorat w maju 2007 r. w Zakładzie Patologii i Medycyny Laboratoryjnej na University of British Columbia w Vancouver, w Kanadzie. Następne dwa lata spędziła w NASA Ames Research Center w Moffett Field w Kalifornii, w USA, badając wpływ pyłu księżycowego na ludzką fizjologię i patologię. Obecnie Erin jest w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu, w Niemczech, gdzie pracuje nad trójwymiarową rekonstrukcją wrzeciona podziałowego (mejoza), za pomocą tomografii elektronowej wysokiej rozdzielczości.

Erin jest adiunktem w International Space Universityw2 i członkiem zespołu badawczego toksyczności pyłu księżycowego w Europejskiej Agencji Kosmicznej.


Review

Księżyc był zawsze obecny w naszym życiu i większość z nas nie uświadamia sobie jego znaczenia. Przed zapoznaniem się z tym artykułem, uczniowie mogą rozważać i dyskutować na temat wpływu Księżyca na Ziemię. Dyskusje mogą być prowadzone w grupach, gdzie wszyscy członkowie mają możliwość wyrażenia swoich opinii.

Ponieważ artykuł zawiera informacje o roli Księżyca w początkach i podczas ewolucji życia, można go użyć jako wprowadzenia do lekcji o ewolucji. Uczniowie mogą następnie omówić jak ludzie oddziałują na środowisko.

Na koniec, artykuł ten zawiera też kontekst do nauki koncepcji fizycznych, szczególnie tych, które dotyczą pola grawitacyjnego i dlatego przyczynia się do zwiększenia zainteresowania uczniów tym tematem.

Artykuł ten może być stosowany jako ćwiczenie na zrozumienie, po dołączeniu pytań takich jak:

  • Jakie jest pochodzenie Księżyca?
  • Jak Księżyc oddziałuje na Ziemię?
  • Jaka była rola Księżyca na początku i podczas ewolucji życia na Ziemi?
  • Co by się stało, gdyby Księżyc nagle zniknął?

Mireia Guell Serra, Hiszpania




License

CC-BY-NC-ND