Dynamík snúnings og byltingar reikistjarnanna
Snúningur og bylting eru tvær grundvallarhreyfingar sem móta „takt“ reikistjörnunnar. Snúningur er snúningur reikistjörnunnar um möndul sinn, en bylting er hreyfing reikistjörnunnar umhverfis móðurstjörnuna sína - í sólkerfinu okkar er sú stjarna sólin. Þessar tvær hreyfingar kunna að hljóma einfaldar, en gangverkið á bak við þær felur í sér ríka eðlisfræði: þyngdarafl, skriðþunga, tog, sjávarfalla og áhrif ókúlulaga lögunar reikistjörnunnar. Út frá þessu fæðast ýmis mikilvæg fyrirbæri, svo sem skipti dags og nætur, árstíðir, mismunur á daglengd og jafnvel langtímastöðugleiki loftslags.
1. Snúningur: Dagleg tímavél plánetunnar
Snúningur ákvarðar lengd sólarhrings reikistjörnunnar. Jörðin tekur um 23 klukkustundir og 56 mínútur að snúast einu sinni miðað við fjarlægar stjörnur (stjörnudagur), en um 24 klukkustundir miðað við sólina (sólardagur) vegna þess að jörðin snýst einnig um sólina. Aðrar reikistjörnur hafa mjög mismunandi snúningstíma. Júpíter snýst mjög hratt - um 10 klukkustundir - á meðan Venus snýst mjög hægt, um 243 jarðdaga, jafnvel í gagnstæða átt (afturvirkur).
Í eðlisfræði er snúningur tengdur hornmómentum. Þegar reikistjarna myndast úr diski úr gasi og ryki (frumreikistjarna), þá hafa árekstrar og massaaukning tilhneigingu til að valda upphaflegum snúningi. Þar sem hornmómentum hefur tilhneigingu til að varðveitast halda reikistjörnurnar snúningi sínum nema verulegir ytri kraftar valdi á þeim. Hins vegar er snúningur ekki alveg „fastur“; hann getur breyst hægt vegna þyngdarkraftsbreytinga við önnur himintungl, sérstaklega sjávarfalla.
Snúningur hefur einnig áhrif á lögun reikistjörnunnar. Reikistjörnur sem snúast hratt verða oft flatar: þær bunga út við miðbaug og fletjast örlítið út við pólana. Júpíter og Satúrnus sýna greinilega þessi áhrif. Þessi flata lögun er meira en bara lögun; hún hefur áhrif á þyngdarsvið reikistjörnunnar og getur haft áhrif á brautarhreyfingar fylgitungla hennar.
Auk þess hefur snúningur jarðar kraftmikil áhrif á andrúmsloftið og hafið með Coriolis-kraftinum. Á jörðinni sveigir þessi kraftur vindum og hafstrauma frá, mótar hnattræn hringrásarmynstur, hjálpar til við að mynda fellibyljir og hvirfilbylji og hefur áhrif á varmadreifingu. Á hraðsnúandi reikistjörnum geta stormar verið mun stærri og langvarandi, eins og til dæmis Stóri rauði bletturinn á Júpíter.
2. Bylting: Árleg ferð og brautarrúmfræði
Snúningar reikistjarnanna stjórna „árinu“ og uppbyggingu árstíðanna. Samkvæmt lögmálum Keplers eru brautir reikistjarnanna almennt sporbaugar með sólina í öðrum brennipunktinum. Hraði reikistjarnanna er einnig breytilegur: þær færast hraðar nálægt sólhimnu (punktinum sem er næst sólinni) og hægar við sólhimnuafjarlægð (punktinum sem er fjærst sólinni). Þessi meginregla er afleiðing af varðveislu skriðþunga og orku brautarinnar.
Umferðartíminn fer eftir meðalfjarlægð frá stjörnunni: því fjær sem reikistjarna er, því lengra er árið hennar. Þetta er dregið saman í þriðja lögmáli Keplers: ferningur umferðartíminns er í réttu hlutfalli við þriðjung langásar brautarinnar. Þess vegna tekur Merkúríus aðeins 88 jarðdaga að ljúka einni umferð, en Neptúnus tekur um 165 jarðár.
En bylting snýst ekki bara um að „hringjast“; hún felur einnig í sér brautaróm. Sumar reikistjörnur og gervihnettir geta verið fastar í ákveðnu, stöðugu hlutfalli brautartíma. Frægt dæmi er 3:2 ómurinn milli Plútós og Neptúnusar, sem hjálpar til við að koma í veg fyrir að þeir rekast saman jafnvel þótt brautarbrautir þeirra virðist skerast í vörpun.
3. Áshalli og árstíðir
Árstíðir eru fyrst og fremst undir áhrifum halla snúningsásar jarðar (skáhalla) miðað við brautarplan hennar. Jörðin hallar um 23,5°, þannig að á meðan hún snýst upplifir sú jarðarhvel sem hallar að sólinni sumar, en hin jarðarhvelið upplifir vetur. Ef snúningsáshallinn er nálægt 0° verða árstíðirnar mjög veikar. Aftur á móti, ef hallinn er mikill geta árstíðirnar verið mjög öflugar.
Úranus er dramatískt dæmi: áshalli hans er um 98°, eins og hann sé að „veltast“ umhverfis sólina. Þar af leiðandi getur einn póllinn snúið að sólinni áratugum saman og framkallað árstíðabundin birtumynstur sem eru mjög frábrugðin birtumynstri jarðar. Þessi breyting hefur mikil áhrif á hitastig andrúmsloftsins, skýjamyndun og hnattræna vindhegðun.
Auk öxulhalla getur miðskekkja brautarinnar (hversu sporöskjulaga brautin er) einnig haft áhrif á árstíðirnar. Mars hefur meiri miðskekkja en jörðin, þannig að fjarlægð hans frá sólinni er breytilegri yfir árið. Þetta veldur því að árstíðirnar á Mars eru mismunandi að styrk milli norður- og suðurhvels jarðar.
4. Sjávarfallavíxlverkun og snúningsþróun
Einn mikilvægasti þátturinn sem breytir snúningi með tímanum er sjávarfallakraftur. Þegar reikistjarna er nálægt annarri massamikilli hnatt — eins og tungli eða stjörnu — togar þyngdaraflið ekki jafnt í alla hluta hennar. Þessi munur á aðdráttarafli skapar sjávarfallaþyrpingu. Ef þessi þyrping er ekki fullkomlega í takt við línuna sem tengir hnattana tvo (til dæmis vegna snúnings), myndast togkraftur sem getur hægt á eða hraðað snúningnum.
Á jörðinni hægja sjávarföll á snúningi jarðar (lengja daginn) og ýta tunglinu samtímis frá um nokkra sentimetra á ári. Á jarðfræðilegum skala voru dagar jarðar styttri áður fyrr. Svipað ferli getur valdið því að fyrirbæri festist við sjávarfalla, þar sem snúningstíminn er jafn byltingartíminn, þannig að önnur hliðin snýr alltaf að sjávarfallafyrirbærinu. Tunglið er bundið við sjávarfalla; margar reikistjörnur utan sólar nálægt stjörnum þeirra eru taldar einnig vera bundnar við sjávarfalla, með miklum afleiðingum fyrir loftslagið (önnur hliðin alltaf dagur, hin nótt).
Merkúríus er áhugavert dæmi: hann er í 3:2 snúnings-brautaróm. Þetta þýðir að Merkúríus snýst þrisvar sinnum fyrir hverjar tvær brautir sem hann fer um sólina. Þetta stöðuga ástand er vegna samspils af miðskekkju brautarinnar og sjávarfalla frá sólinni.
5. Precession, breyting á stefnu og ás „vagg“
Snúningsás reikistjörnu bendir ekki alltaf á sama punkt á himninum. Hún getur gengist undir niðurfall, hæga, óstöðuga hreyfingu eins og snúningsþota. Á jörðinni á sér niðurfall stað yfir í um 26.000 ár, aðallega undir áhrifum þyngdarafls sólar og tungls á möndul jarðar. Vegna niðurfallsins breytist „pólstjarnan“ með tímanum: hún heitir nú Pólstjarnan, en hún var önnur fyrir þúsundum ára.
Auk framrásar er til breyting á stefnubreytingu, sem er lítil sveifla í framrásarhreyfingunni sem verður fyrir áhrifum af breytingum á braut tunglsins og öðrum þáttum. Framrás og breyting á stefnubreytingum stuðla að langtíma loftslagsbreytingum þegar þær eru sameinaðar breytingum á miðskekkju og áshalla — sem oft er rætt í samhengi við Milankovitch-hringrásir.
6. Áhrif á veður, loftslag og búsetuhæfni
Snúnings- og byltingarhreyfingar eru mikilvægar, ekki aðeins fyrir stjörnufræði heldur einnig fyrir búsetu reikistjarnanna. Lengd dags hefur áhrif á hitastigsmun dags og nætur. Of hæg snúningur getur valdið því að daghliðin hitni óhóflega og næturhliðin kólni óhóflega, nema lofthjúpurinn sé nógu þykkur til að dreifa hita. Áshalli hefur áhrif á árstíðabundnar sveiflur; miklir hallar geta ógnað stöðugleika vistkerfisins. Mikil sérkenni geta valdið því að reikistjörnur upplifa mikinn mun á hita yfir árið.
Á jörðinni skapar samsetning tiltölulega hraðrar snúnings, virks lofthjúps og hafs, ásamt hóflegri öxulhalla, tiltölulega stöðugt loftslag sem stuðlar að flóknu lífi. Þessi stöðugleiki er þó ekki tryggður; hann er afleiðing mjög langtíma jafnvægis.
Niðurstaða
Snúningur reikistjarna og bylting eru tvær einfaldar hreyfingar sem hafa flóknar afleiðingar. Snúningur mótar daginn, hefur áhrif á lögun reikistjörnunnar, stjórnar lofthjúpshringrásinni og hefur samskipti við sjávarfallakrafta. Snúningur ákvarðar árið, brautarlögun, óm og orkumóttökumynstur frá stjörnunni. Áshalli, miðskekkja brautar, sjávarfallalás og framrás sýna að „klukkur“ reikistjarna eru stöðugt að breytast og þróast. Með því að skilja þessa virkni skiljum við ekki aðeins hvernig reikistjörnur hreyfast heldur einnig hvers vegna þær hafa árstíðir, veður og jafnvel möguleika á að styðja líf.
