Dieser Artikel erklärt die wichtigsten Parameter und ihre Funktionsweise basierend auf der inneren Reibung von Drehimpuls und Gravitation im Baryzentrum, entstehend durch Rotation des Zentralkörpers gegenüber seiner gravitativen Bezugssysteme, sowie ihre Effekte: planetare Magnetfelder, Atmosphären und Superrotation.
von Michael Klejna, noch in Arbeit, V3Rev38
Inhaltsverzeichnis
1. Die Gravitationsrampe
Grundbedingung für das Vorhandensein einer Gravitationsrampe ist ein Zwei- oder ein Mehrkörpersystem.
1.1. Funktionsweise der Gravitationsrampe
1.1.1. Rotation in Relation zur Gravitationsachse
In folgenden beiden Fällen rotiert der Zentralkörper im Verhältnis zu der gemeinsamen Gravitationsachse mit einem weiteren Körper auf welcher auch die Gravitationsrampe liegt.
Als Rotation verstehen wir hier meist den Eigendrehimpuls, also einen rotierenden Zentralkörper welcher von einem oder mehreren Körpern umkreist wird (z.B. Sonne & Jupiter) oder in Ausnahmefällen zwei Körper die einen fixen Körper mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten umkreisen und sich dabei gegenseitig überholen (Bahndrehimpuls) , hier könnte man von indirekter Rotation sprechen, da die Körper dabei nicht zwangsläufig um sich selbst rotieren müssen. Diese indirekte Rotation ist zum Beispiel für die vulkanischen Aktivitäten und die Atmosphären der galiläischen Monde verantwortlich. Bei gebundener Rotation entsprich der Eigendrehimpuls dem Bahndrehimpuls somit findet keine Rotation im Bezug zur Gravitationsachse statt.
1.1.2. Gravitationsachse und Baryzentrum
Die Gravitationsachse zwischen zwei Körpern verläuft auf direkter Linie zwischen deren Schwerpunkten. Die meisten Sterne, Planeten und Monde sind kugelförmig und ihre Dichte steigert sich in Richtung ihres Zentrums, besitzen somit einen Kern der einen hohen Anteil der Gesamtmasse darstellt. Die Gravitation ist dadurch auf der Achse zwischen ihren Zentren und dort speziell im Baryzentrum, dem gemeinsamen Schwerpunkt beider Massen, am stärksten und nimmt von dort mit wachsender Entfernung ab.
Die Entfernung des Baryzentrums auf der Gravitationsachse vom Kern des Zentralkörpers wächst mit der Masse des zweiten Körpers. Die Gravitationskraft im Baryzentrum wird vom Produkt der Massen beider Körper und deren Abstand bestimmt.
1.1.3. Gezeitenkräfte und innere Reibung
Auf einen Körper der im Verhältnis zu einer seiner Gravitationsachsen rotiert wirken Gezeitenkräfte (z.B. Erde/Mond & Ebbe/Flut). Es entsteht Gezeitenreibung, durch sie nimmt die Rotation des Zentralkörpers ab und die Umlaufbahn des umkreisenden Körpers zu (wenn Eigen- und Bahndrehimpuls die gleiche Richtung haben).
Am stärksten ist diese Gezeitenreibung während der Kreuzung der Gravitationsachse. Im Detail betrachtet erfährt die Masse des rotierenden Körpers während des Überquerens der Gravitationsachse unterschiedliche Gravitationskräfte. Anders formuliert trifft der Drehimpuls des Zentralkörpers auf die am Baryzentrum herrschenden Kräfte.
Je nach Viskosität des Materials am Baryzentrum wird dieses durch Reibungsdruck erhitzt oder es erfährt ein Drehmoment, meist eine Mischung aus beidem. Dieses Fließgleichgewicht wird hauptsächlich durch die elliptischen Umlaufbahnen beeinflusst, in Mehrkörpersystemen auch von den Resonanzeffekten und Störungen ausgelöst durch bestimmte Konstellationen.
Entsteht an der Gravitationsrampe ein Drehmoment, entstehen ein Wirbel nördlich und ein entgegengesetzter Wirbel südlich der Gravitationsachse (Zum Verständnis stellen sie sich ihr Bein als Gravitationsachse vor und stellen sie es in einen Fluss, das Wasser entspricht der rotierenden Masse.).
Liegt das Baryzentrum innerhalb des Radius des rotierenden Zentralkörpers ist dort die Gravitationsrampe im rechten Winkel zur Gravitationsachse am steilsten. Ist der Wirbel lange genug stabil und stark genug bildet er dort den Boden eines Strudels. Dieser Strudel ist eine torsionale Strömung zur Wirbelströmung um 90 Grad versetzt, entlang ihrer Längsachse.
1.1.4. Mehrfaches Überqueren der Gravitationsrampe
Dieser Effekt der Gravitationsrampe wiederholt sich mit jeder Umdrehung je nach Lage des Baryzentrums entsteht ein Wirbel mit Sog nach außen (z.B. Sonnenflecken durch Jupiter) oder nach innen (z.B. Jupiters großer roter Fleck durch die galiläischen Monde).
Währen einer vollen Umdrehung des Zentralkörpers nimmt das an der Gravitationsrampe gewonnene Drehmoment ab, ist bei erneutem Überqueren der Gravitationsrampe ein Restdrehmoment vorhanden geschieht folgendes:
Es addieren sich die horizontalen Impulse und formen zwei, je nach Lage der Gravitationsachse meist äquatoriale Bänder mit gegenläufigen Abgrenzungen, welche sich in ihrer Rotationsrichtung, wiederum meist äquatorial, spiegeln.
Während sich die vertikalen Impulse teils negativ auswirken, die Differenz aus positiver und negativer Wirkung bestimmt die Breite der Bänder, somit auch ihre Durchgängigkeit und bis zu welchem Grad sich eine torsionale Rotation um beide Bänder aufbauen kann.
Bei mehrfachem Überqueren der Gravitationsrampe und starren Materialien baut ihre Wirkung auf der eventuell noch vorhandenen Restwärme des Materials aus den vorausgehenden Überquerungen der Gravitationsrampe auf.
1.1.5. Lage des Baryzentrums bezüglich des Zentralkörpers
Liegt das Baryzentrum innerhalb des Radius des Zentralkörpers wächst die Reibung je weiter das Baryzentrum von der Rotationsachse des Zentralkörpers entfernt ist, da mit der Entfernung von der Rotationsachse auch der Drehimpuls der rotierenden Teilchen wächst.
Liegt das Baryzentrum weit vom Zentralkörper entfernt wirkt die Gravitationsrampe, wenn überhaupt da sie mit wachsender Entfernung stark an Kraft verliert, horizontal.
1.1.6. Interaktion mehrerer Gravitationsrampen in einem Zentralkörper
In einem reinen Zweikörpersystem, wie zum Beispiel bei Erde und Mond, sind die Effekte der Gravitationsrampe stabil und ausbalanciert. In Mehrkörpersystemen entstehen ständig neue Konstellationen, wobei sich die Strömungen der Gravitationsrampen durch Resonanzen oder Störungen beeinflussen und somit ein chaotisches Gesamtbild vermitteln. Die zwei markantesten Varianten im Sonnensystem sind:
Das Mehrkörpersystem bestehend aus der Sonne und ihren Planeten, hier sind die Baryzentren bezüglich des Abstands vom Sonnenkern weit verteilt und können so eine Kette vom Kern bis über die Oberfläche hinaus bilden. Je mehr Glieder diese Kette hat desto stärker ist sie und desto seltener tritt sie auf, zudem benötigt sie langlebige Konstellationen um sich aufbauen zu können. Außerdem ist sie sehr störungsanfällig, sobald nur ein Glied in die falsche Richtung wirkt bricht sie komplett zusammen.
Im Gegensatz dazu das Mehrkörpersystem bestehend aus Jupiter und den galiläischen Monden, welche wegen der ähnlichen Kräfte und Kern-Abstände ihrer Baryzentren, in gleichbleibender Tiefe durch ständiges Wiederauffrischen des Drehmoments für eine eher konstante Strömung sorgen. Im Vergleich zur Zweikörperströmung besitzt dieser Gravitationsrampen-Ring dennoch Resonanz Maxima und Störungstäler, ist gleichzeitig aber stabiler als eine Gravitationsrampen-Kette, wie sie die Einflüsse der Planeten in der Sonne bilden können.
1.1.7. Weitere Parameter mit Einfluss auf die Strömungsdynamik
Eine hohe Neigung der Rotationsachse des Zentralkörpers bringt große Effektivitätsverluste mit sich wenn sich die Umlaufbahn des zweiten Körpers an der Ekliptikebene des Zentralkörpers orientiert. Genauso wie eine hohe Bahnneigung des zweiten Körpers relativ zur Zentralkörperbahn die Effektivität mindert. Sehr hilfreich bei der Visualisierung ist es sich anzusehen wie die Gravitationsachse zwischen Erde und Mond ob dieser Winkel aus Sicht des Mondes über die Erdoberfläche wandert (Hier der Link zum Orbit Viewer jsOrrery mit den entsprechenden Einstellungen).
1.1.8. Die Gravitationsrampe in der Praxis am Beispiel Jupiter
Jupiter erreichen nur 3,7% der Sonneneinstrahlung im Vergleich zur Erde. Ein Jupiter Tag dauert nur knapp zehn Stunden. Jupiter besitzt keine Kruste, seine Oberfläche ist nicht in Land und Wasser unterteilt. Die Neigung seiner Rotationsachse beträgt nur 3 Grad und nicht 23 Grad wie bei der Erde.
Daraus folgt es gibt keine Jahreszeiten und keine Tag/Nacht oder Land/See Temperaturunterschiede folglich auch keinen Grund für ein Wetter vergleichbar mit dem auf der Erde. Und dennoch wird der Große Rote Fleck als größter Wirbelsturm im Sonnensystem beschrieben.
Die auf der Jupiteroberfläche sichtbaren Strömungen entstehen tief in Jupiter und reflektieren die Drehmomente welche entstehen wenn Jupiter über die Gravitationsrampen rotiert die er zusammen mit den galiläischen Monden bildet.
Der Große Rote Fleck ist das Ergebnis einer Dreifachkonstellation der galiläischen Monde bei der sich entweder drei Gravitationsrampen überlagern und zu einer gemeinsamen addieren oder aber auch so gleichmäßig verteilen das ein möglichst hohes andauerndes Drehmoment garantiert wird. Diese Konstellation tritt circa alle 300 Jupiter-Tage auf, scheinbar zeitweise so synchron zu Jupiters Rotationsperiode das es möglich ist das Drehmoment und damit auch den großen roten Fleck über viele Jahre aufrecht zu erhalten.
2. Effekte der Gravitationsrampe
2.1. Das Ringmagnet Modell – Wie Planetare Magnetfelder durch die Gravitationsrampe gestärkt werden
Der durch die Gravitationsrampe entstehende Magnetfeldanteil eines Planeten entsteht durch die Rotation der Wirbel, welche sich während des Überquerens der Gravitationsrampe nördlich und südlich der Gravitationsachse bilden, in der magnetischen Remanenz des Zentralkörpers.
Sind die Strömungen dieser Wirbel während einer kompletten Rotation des Zentralkörpers stabil bilden sich zwei Ringmagnete um den Kern des Zentralkörpers. Diese Ringmagnete werden durch die Gravitationsachse getrennt und sind wie die Wirbel unterschiedlich gepolt, sie harmonieren mit der magnetischen Remanenz des Zentralkörpers und bauschen so das planetare Magnetfeld besonders in der äquatorialen Ebene, beziehungsweise entlang der Gravitationsachse auf.
Wenn sie die folgenden Ekliptik- und Achswerte von Erde, Mond und Sonne (Bild 2) mit der abgebildeten Gravitationsrampenmechanik (Bild 1) gedanklich multiplizieren erhalten Sie den Einfluss des Mondes und der Erdrotation auf das Erdmagnetfeld wie im folgenden Bild 3 zu Sehen.
2.2. Wie planetare Atmosphären durch die Gravitationsrampe entstehen
Durch die an der Gravitationsrampe entstehenden Verwirbelungen und die Gezeitenkräfte im Allgemeinen entstehen im Vergleich zu nicht rotierenden Körpern, welche ausbalanciert ruhen, zusätzliche Druck- und Temperaturschwankungen und somit zusätzliche chemische Prozesse.
Dabei entstehende Elemente diffundieren, schwere Richtung Kern, leichte athmosphärenbildend Richtung Schale.
Wie stark Körper diesem Prozess ausgesetzt waren kann man an der Größe ihres Kerns erkennen (z.B. Merkur) und somit auch Rückschlüsse auf ihre frühere Rotationsgeschwindigkeit ziehen (siehe auch Pluto und Charon).
Um eine ausgedehnte Atmosphäre zu halten benötigt ein Körper ein Magnetfeld als Sonnenwind-Schutz. Wobei ein indirektes Magnetfeld innerhalb des Feldes eines dominierenden Körpers (z.B. Titan & Saturn) das Halten leichter Elemente im Vergleich zu einem eigenen direkten Magnetfeld erschwert.
Ob ein Planet eine Atmosphäre halten kann ist also weniger eine Frage seiner Masse. Vielmehr eine der Balance aus Produktion und Verlust leichter Elemente.
2.3. Wie Superrotation durch die Gravitationsrampe entsteht
Befindet sich ein Körper in einer Konstellation die alle ihn beeinflussenden Gravitationsachsen auf einer Seite bündelt, entsteht auf der entgegengesetzten Seite Superrotation. Gut zu beobachten anhand Jupiters großen roten Flecks, dieser wächst in diesen Phasen und wandert scheinbar nach vorne. Er wächst durch die Addition der Gravitationsachsen während nur seine Oberflächenmanifestation weiter in Rotationsrichtung wandert, angetrieben durch gesteigerte Superrotation.
Polwärts nimmt die Superrotation ab auch weil der äquatoriale Materiesog dort als Materiequelle eine Gegenströmung bildet. Äquatorial kann Superrotation die Effekte des Gravitationsachsenübergangs verstärken da sie den Drehimpuls erhöht.
3. Der Lebensvektor im Zweikörpersystem
Der Lebensvektor ist die isolierte Kraft hinter der Gravitationsrampe.
4. Anteil der Corioliskraft
Die Hauptablenkungsrichtung an der Gravitationsrampe ist nördlich bzw. südlich um die Gravitationsachse also parallel zur Rotationsachse und somit nicht relevant für die Corioliskraft. Jede Bewegung mit abweichendem Winkel wird anteilig von der Corioliskraft verzerrt was das Erkennen der Mechanik an der Oberfläche erschwert.