Vorherrschende Winde in einem rotierenden Weltraumlebensraum

Ein üblicher, materieeffizienter Science-Fiction-Lebensraum ist ein hohler Zylinder oder Ring im Weltraum, der gedreht wird, um die Anziehungskraft der Schwerkraft auf seiner Innenfläche zu simulieren. Diese Lebensräume wurden so klein wie ein Raumschiff mit einem Radius von nur wenigen Metern bis hin zu einer Ringwelt mit einem Radius von 1 AE vorgestellt.

Angenommen, wir haben einen rotierenden Lebensraum im Weltraum, der die Schwerkraft und Atmosphäre der Erde auf Meereshöhe nachahmen soll. Nehmen Sie an, dass sich der Lebensraum so lange gedreht hat, wie es dauert, um den Gleichgewichtszustand zu erreichen, der erreicht werden kann. Wird die Rotationsbewegung des Habitats Winde in seiner Atmosphäre erzeugen? In welche Richtung werden sie sich durchsetzen, spinward (mit Drehrichtung) oder antispinward (dagegen)? Werden sie den Ring in einer einzigen Richtung umrunden oder gibt es antiparallele Winde in verschiedenen Höhen?

Idealerweise wären die Antworten auf rotierende Lebensräume unterschiedlicher Größe anwendbar, wenn die Antworten jedoch zwischen den Lebensräumen stark variieren würden, verwenden Sie bitte einen Ring mit einem Radius von 10.000 km für die Antwort.

Bearbeiten: Es gab einige frühere Fragen zum Wetter in rotierenden Lebensräumen wie meinem eigenen . Wie wäre das Wetter in einem Asteroidenlebensraum? und Wetter auf einer Mini-Ringwelt/Banks Orbital . Diese Fragen sind ziemlich weit gefasst, da das Wetter ein komplexes Thema ist, um es milde auszudrücken, und daher nicht sehr gut zu beantworten waren. Hier habe ich versucht, den Fokus der Frage auf einen einzigen Aspekt des Wetters, den Wind, zu beschränken, in der Hoffnung, vollständigere Antworten zu erhalten.

@Aify Es ist lustig, dass mir gesagt wird, dass meine Frage ein Duplikat meiner eigenen Frage von vor fast 4 Jahren ist. Ich denke, ein Grund dafür, warum diese alte Frage nicht viele nützliche Antworten hervorgebracht hat, ist, dass sie viel zu weit gefasst war. Ich habe absichtlich versucht, diese Frage einzugrenzen, um nur den Wind zu diskutieren, der meiner Meinung nach viel beantwortbarer ist und sicherlich in keiner der Antworten auf die vorherige Frage behandelt wurde.
Ein Betrüger ist ein Betrüger. Der letzte Absatz der akzeptierten Antwort auf diese Frage enthält ausdrücklich eine Zeile, die besagt, dass das Wetter (also die Luft und damit der Wind) je nachdem, in welche Richtung der "Wind" weht, entweder stagniert ("Wind" bewegt sich mit dem Drehung) oder in Schleifen (gegen die Drehung) fahren.
10.000 km sind mehr als das Doppelte des Erdradius. Das ist wirklich groß .
@RonJohn, Larry Nivens Ringwelt ist wirklich groß. Soweit außerirdische Megastrukturen gehen, ist dies nur ein Golfball. 😝
@Aify Aber meine Frage ist: "In welche Richtung wird der Wind wehen?" Offensichtlich eine Antwort, die den Satz "je nachdem, in welche Richtung der Wind (künstlich?) weht" enthält. beantwortet nicht die Frage, woher der Wind weht, oder? Es gibt auch das größere Problem, dass HDE anscheinend nicht berücksichtigt hat, dass sich der Lebensraum des Asteroiden dreht. Es war eine schlecht geschriebene Frage, die ziemlich viel Verwirrung stiftete.
„In welche Richtung weht es“ – spielt es eine Rolle? An einem Ende der Röhre bläst es von links nach rechts, an der anderen Seite bläst es von rechts nach links, das einzige, was wirklich zählt, ist "bläst es", was davon abhängt, "drehst du dich mit oder gegen den Wind" - etwas, das HDE in seiner Antwort anscheinend berücksichtigt hat.
Ich stimme nicht zu, dass dies ein Duplikat ist. Meine Antwort spricht nur kurz über Windmuster und beschreibt definitiv nicht, in welche Richtungen sie sich bewegen. Ich habe die Zeile verwendet "Entweder würde es stagnieren - keine gute Sache - oder es würde sich in Schleifen bewegen, je nachdem, in welche Richtung der Wind (künstlich?) weht.", aber ich sage nicht ausdrücklich, dass der Wind reisen würde in Schleifen. Es war eine Vermutung, eine unbewiesene Vermutung, und es wurde nicht wirklich ausführlich darauf eingegangen. Ich glaube nicht, dass meine Antwort dort diese Frage beantwortet, und daher denke ich nicht, dass diese Frage ein Duplikat ist.
@ HDE226868 Ich nehme an, wenn Sie, der Antwortende, nicht glauben, dass die Frage beantwortet wurde, dann folgt logischerweise, dass es nicht dieselbe Frage ist. Ich habe meine enge Abstimmung zurückgezogen.
Ist der Lebensraum vollständig umschlossen, wie Rama, oder offen, wie eine Ringwelt? Ist es das gleiche Setup wie in der ersten verknüpften Frage?
@Upper_Case Nehmen wir an, es ist offen wie eine Ringwelt, aber nicht annähernd so groß. Ich möchte, dass es klein ist, damit sich die Winkelgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe erheblich ändert. In diesem Fall würde es aufgrund seiner Größe eher einem Bischofsring oder einem Banks-Orbital ähneln .
20.000 km im Durchmesser sind cool, aber wie breit ist es? Die Breite des Ringbodens wird einige interessante potenzielle Effekte haben.
@Ash Ich habe die Breite nicht angegeben, weil ich es nicht für wichtig hielt. Ich bin sehr daran interessiert zu hören, welche möglichen Auswirkungen Sie Ihrer Meinung nach haben werden. Nehmen wir an, der Ring ist 200 km breit.

Antworten (5)

Die wirkliche Antwort ist, dass wir es nicht wissen, aber wir können einige Vermutungen anstellen.

Beginnen wir mit Bodeneffekten; Die Reichweite der rein physikalischen Topographie auf die Atmosphäre beträgt ohne Berücksichtigung der Erwärmung nur etwa einen halben Kilometer. Auf der Erde ist dies rein vertikal, ebenso wie eine Reihe anderer Effekte, über die wir sprechen werden, aber auf einer Struktur vom Typ Ringworld sind die Effekte auch horizontal wegen der Seitenwände, die die Atmosphäre drinnen halten. So nahe am Boden und an den Wänden Die Winde werden relativ turbulent sein, aber das vorherrschende Windmuster wird eine sanfte Anti-Spinward-Brise sein, da die Luft von der Bodentopographie und den Wänden gezogen wird, sich aber nicht ganz so schnell wie der Boden bewegt. Der Boden wird sich ungefähr bewegen 10000 m / s versorgen 1 g der Pseudogravitation, wenn die Luft direkt darüber nur einen Mittelwert von sagen wir macht 9990 m / s lokale Winde könnten aufgrund turbulenter Strömungen ziemlich stark sein, aber die Luftmasse als Ganzes wird es tun 10 m / s , oder 36 k m / h , Anti-Spinward; Obwohl ich mir der Größenordnung nicht sicher bin, würde ich erwarten, dass dies der Fall ist.

Dann gibt es Hitzeeffekte; Der Boden des Rings wird aufgrund von Sonnenwinkeleffekten heißer als die Wände. Dadurch entsteht ein Windsystem, das einer Hadley-Zelle sehr ähnlich ist, wobei die Mitte des Rings der Äquator / die Tropen und die Wände die subtropische Wüstenzone sind. Der Grund, warum ich nach der Breite des Rings gefragt habe, ist, dass dieser Effekt über Millionen von Kilometern, wie Nivens Ring, nicht so einzigartig wäre, aber ein "schmaler" 200-km-Ring wird eine fast perfekte einzigartige Formation sehen.

Nettoeffekt; Oberflächenwinde werden turbulent sein, aber überwiegend von der Kante nach innen entlang des Bodens des Rings mit einer Anti-Spinward-Verdrehung blasen, ähnlich dem Coriolis-Effekt , aber mit weniger Ablenkung, Höhenwinde werden ziemlich laminar sein und kommen von Mitte des Rings nach außen in Richtung der Wände mit immer mehr Anti-Spinward-Drift, wenn sie an Höhe gewinnen. Die Wandbereiche werden relativ trocken sein, da der meiste Regen fallen wird, da die Luft zunächst nahe der Mitte des Rings aufsteigt.

Beachten Sie, dass diese Antwort eher von relativ vertikalen Wänden als von einer glatten Schalenform ausgeht, nicht sicher, wie das gehen würde, wahrscheinlich weitgehend ähnlich. Es wird auch angenommen, dass der Ringboden "flach" ist, was nicht besonders glatt bedeutet, aber ohne Profilierung über die gesamte Breite in entweder einer "^"- oder "v"-Form. Ich habe die Auswirkungen eines Shadow Square-Systems überhaupt nicht in dieses Modell aufgenommen, ich kann es versuchen, aber sie werden extrem komplex sein und je nach proportionaler Tageslänge und einer Reihe anderer Variablen erheblich variieren.

Hervorragende Antwort, Ihre Annahmen zur Ringform sind alle vernünftig. Ich habe mich gefragt, ob Sie die Auswirkung der Rotation des Systems auf steigende und fallende heiße und kalte Luftströme berücksichtigt haben. Wenn sich Luft in der Nähe der Oberfläche des Rings erwärmt und aufsteigt, hat sie eine größere Spinward-Geschwindigkeit als die kühle Luft, die sie verdrängt, die wiederum eine große Anti-Spinward-Geschwindigkeit im Vergleich zu der Luft hat, in die sie absinkt. Ich denke, dies würde Ihren theoretisierten Luftzellen eine weitere Dimension hinzufügen, die aufsteigende warme Luft nach hinten und kühle Luft nach hinten ablenken.
Ein weiterer interessanter Aspekt dieses Modells, den Sie integrieren könnten, wenn Sie möchten, ist der Eötvös-Effekt. Dies ist einfach die Idee, dass Spinward-Winde effektiv schwerer sein werden als "stationäre" Luft-Anti-Spinward-Winde leichter sein werden. Die Auswirkungen sind auf der Erde relativ gering, aber ich stelle mir vor, dass sie auf dem sich schnell drehenden Ring verstärkt würden.
@MikeNichols In Bezug auf die Geschwindigkeitsunterschiede in aufsteigender und fallender Luft würden Sie feststellen, dass dies im Vergleich zu den Turbulenzen, die durch die Land- und Wandreibung verursacht werden, und der Art und Weise, wie sich die Oberflächenwinde entlang des Mittelstreifens des Ringbodens auf der Temperatur stützen, basiert Mischeffekte würden durch größere Effekte überwältigt und verdeckt. Der Eötvös-Effekt kann erheblich vergrößert werden, da Ω effektiv verdoppelt wird, aber ich bin mir nicht sicher, ob das Eötvös-Effektmodell in dieser Situation für die Atmosphäre gilt, ohne Bodenkontakt auf einer Ringwelt werden die Dinge etwas seltsam.
Eine großartige Antwort, ich könnte eine glatte Schalenform hinzufügen, würde die Hadley-Zelle wahrscheinlich hervorheben, da der kontinuierliche Temperaturgradient dazu beitragen würde, sie stärker zu stabilisieren
@taylorswift Es mag sein, aber ich denke, der relativ geringe Unterschied im Einfallswinkel zwischen Boden und Wänden einer Schüssel würde den Gesamteffekt tatsächlich schwächen.
idk, Konvektion erfordert eine kalte Region, in die die aufsteigende Luft fallen kann. Wenn der gesamte Boden flach ist, dann ist die gesamte Oberfläche effektiv heiß, abgesehen von den Schattenbereichen, die von den Stützwänden geworfen werden, vorausgesetzt, sie sind relativ zur Breite des Rings hoch genug. aber da sich die schattierten Bereiche bewegen würden, wären die Zirkulationsmuster viel komplexer
@taylorswift Die Wände selbst sind viel kälter als der Boden, sie bekommen sehr wenig Sonnenlicht pro Quadratmeter ab, sie kühlen die Luft, die sich den Rändern nähert. Auf beiden Seiten des Rings befindet sich eine permanente Kaltzone.
"aber bewegt sich nicht ganz so schnell wie der Boden" Warum sollte es nicht? Bei einer Struktur vom Typ Ringworld würde sich die gesamte Atmosphäre mit der Struktur bewegen. Es gibt keine Kraft, um es zu verlangsamen, oder?
@endolith Atmosphärische Reibung, die Basis der Luftsäule wird vom Oberflächengelände mitgerissen, überträgt jedoch nur Energie an höhere Schichten durch Partikelkollisionen, die die gesamte Luftmasse verlangsamen.
@Ash Du meinst, wenn es (irgendwie) im Stillstand mit Luft geladen und dann hochgedreht würde? Aber nachdem es sich viele Jahre dreht, wird sich die Luft alle zusammen mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit bewegen, oder? Glaubst du, es gibt eine Kraft, die die höheren Schichten verlangsamt?
@endolith Sie müssten den Ring hochdrehen, bevor Sie versuchen würden, Atmosphäre über einen sehr minimalen Punkt hinaus hinzuzufügen. Nein, das Beschleunigen der Luft verliert ständig Energie durch Partikelkollisionen, Sie können nicht die gesamte Masse mit der gleichen Geschwindigkeit zusammenbewegen, weil Sie nur eine sehr dünne Schicht nahe der Oberfläche bewirken können. Das Aufsteigen in die oberen Schichten wird der Konvektionsluft immer kinetische Energie entziehen, wenn sie sich ausdehnt und abkühlt.
@Ash Ja, also drehst du den Ring hoch und fügst dann Atmosphäre hinzu, und die Atmosphäre dreht sich mit dem Ring. Es gibt keinen Unterschied in der (Dreh-)Geschwindigkeit in verschiedenen Höhen und keine Kraft, die einen solchen Unterschied verursachen würde.
@endolith Diese Aussage ignoriert die Realitäten der Rotationsphysik vollständig. Abgesehen davon erhält nur die Atmosphäre, die sich in der direkten topografischen Wechselwirkungszone am Boden der Atmosphäre befindet, jemals Rotationsenergie, die sich mit einer von Feigenbaums Zahl vorgegebenen Geschwindigkeit in richtungslose Turbulenzen auflöst. Ohne die Wirkung von Konvektionsströmungen würde der größte Teil der Luftsäule niemals irgendeine Rotationsenergie gewinnen, weil sie niemals nahe genug am Boden wäre. Die Luft in Bodennähe gewinnt gegenüber der in der Höhe jederzeit an Energie.
@Ash Es braucht überhaupt keine Turbulenzen oder Zirkulation. Jede Schicht wird durch Reibung mit der darunter liegenden Schicht auf die gleiche Geschwindigkeit beschleunigt. Nach einer ausreichend langen Zeit (ohne Berücksichtigung der Auswirkungen der Sonnenwärme) würden alle Zirkulationen und Turbulenzen aufhören und die Luft würde sich nur mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit drehen.
@Ash Anders ausgedrückt, wenn Sie damit beginnen , dass sich die gesamte Luft mit derselben Drehzahl dreht, ohne Turbulenzen oder Zirkulation und mit der richtigen Dichte in verschiedenen Höhen, die bereits vorhanden sind, welche Kraft existiert Ihrer Meinung nach, die dies verursachen würde die oberen Schichten zu verlangsamen?
@endolith Nein, einfach nein. Luft ist eine Flüssigkeit, die ständig Turbulenzen im molekularen Maßstab (Brownsche Bewegung) ausgesetzt ist, die ihre Nettobewegung in einer bestimmten Richtung im Laufe der Zeit verlangsamen. Kanteneffekte in einem völlig glatten rotierenden Ring würden immer noch Reibungswärme verursachen, wo die Luft mit der Struktur interagiert und den Luftstrom stören. Sie können keine turbulenzfreie Umgebung haben, in der eine Flüssigkeit mit einer festen Struktur in Kontakt ist, die sich permanent in Bewegung befindet.
@Ash Es unterscheidet sich nicht von völlig stiller Luft, die auf der Oberfläche eines nicht rotierenden Planeten sitzt. Thermische Bewegung wird die einzige Bewegung sein. Ohne Energiequelle gibt es keine Kraft, die Turbulenzen oder Konvektion erzeugt. Welche Kraft existiert Ihrer Meinung nach im rotierenden Fall, die dazu führen würde, dass die oberen Schichten langsamer werden?
@endolith Es ist völlig anders, die Bewegung des Bodens wirkt sich auf die Luft aus, die direkt damit in Kontakt kommt, mehr noch, wenn es eine Topographie gibt, als wenn der Boden völlig glatt ist (weil die Boden / Luft-Grenzfläche einen größeren Querschnitt hat), die Rotation , und die Reibung, die zwischen dem Boden an der Basis der Luftsäule auftritt, IST ein Energieeintrag; ein ungleichmäßiger, der Erwärmung und Turbulenzen erzeugt. Die oberen Schichten werden auf eine Reihe von Arten verlangsamt, die ich wiederholt aufgelistet habe, und ich bin nicht daran interessiert, dies noch einmal zu tun.
@Ash Es gibt keine Bewegung des Bodens relativ zur Luft ...
@endolith Du sprichst von Luft, als wäre es ein homogener Feststoff, das ist es nicht , es ist eine heterogene Flüssigkeit in ständiger innerer Bewegung. Selbst wenn sich der größere Körper der Atmosphäre mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Ringboden bewegt, was nicht wiederholt so detailliert sein wird, bewegen sich die Luftmoleküle die ganze Zeit in alle möglichen Richtungen.
@Ash Ohne eine Energiequelle zur Erzeugung von Konvektion wird es schließlich in einen bewegungslosen Zustand versetzt (relativ zur Rotation). Wir sprechen über den größeren Körper der Atmosphäre, nicht über die einzelnen Partikel (die sich unabhängig davon immer in thermischer Bewegung befinden und was irrelevant ist). Meine Behauptung ist, dass sich die gesamte Atmosphäre mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Ringboden bewegt, da es keine Kraft gibt, die seiner Rotation entgegenwirkt. Ich denke, wir sollten das auf Physics.SE fragen, da sich diese Kommentare nur im Kreis drehen (wie die Atmosphäre) ...
@Ash Macht es für dich mehr Sinn, wenn das Orbital Wände hat? Wenn Sie zum Beispiel einen Zylinder nehmen und ihn mit Wasser füllen und ihn dann lange Zeit mit konstanter Geschwindigkeit drehen würden, glauben Sie, dass sich das Wasser in der Mitte nicht mit dem Rest drehen würde?
@endolith Du sprichst immer noch von einem Luftkörper wie einem einheitlichen Feststoff, nicht einer aktiven Atmosphäre, im thermischen Fluss, der durch das Gelände gerührt wird. Das Video zeigt Flüssigkeit auf einer flachen rotierenden Scheibe, dies ist die Mischung, die wir dann vielleicht auf einer Alderson-Scheibe erwarten würden, die jedoch keinerlei Einfluss auf das vorgeschlagene Modell hat. Wände machen Ihr turbulenzfreies Modell noch weit hergeholter.
@Ash Ja, ich spreche von einem Luftkörper in gleichmäßiger Festkörperrotation. Ich habe ausdrücklich gesagt, dass es keine thermische Konvektion gibt. Gelände oder kein Gelände ist irrelevant, da die Luft relativ dazu stationär ist. Wände sind auch irrelevant; Ich füge sie nur hinzu, um Ihr Verständnis zu erleichtern.
@endolith Sie sprechen von etwas, das nicht existiert, nicht existieren kann, nicht in der Natur, nicht im Szenario der Frage, nicht in irgendeinem außer dem theoretischsten idealisierten Modell für ideale Gase, die alle besagen: " das ist keine reale Sache" in ihren Gründungsparametern.
@Ash Welcher Teil meines Kommentars ist Ihrer Meinung nach unmöglich?
@endolith Luft, die mit einem sich bewegenden festen Objekt in Kontakt kommt, führt zu Turbulenzen, es sei denn, die Reaktion ist reibungsfrei. In diesem Fall findet per Definition kein Energieaustausch statt. Sie schlagen einen Luftkörper vor, der sich in Bezug auf Turbulenzen reibungsfrei verhält und dennoch kinetische Energie aufnimmt, nein. Sie schlagen auch einen Luftkörper vor, der aufgrund seines einheitlichen Verhaltens keinen Druck- oder Temperaturgradienten aufweisen darf, jedoch durch Reibung beeinflusst wird, um Geschwindigkeit aufzunehmen, und daher Wärmeenergie aufnimmt, und eine Atmosphäre ist, die zu Vakuum verblasst , ein Druckgradient, wieder nein.
@Ash Es gibt keine Turbulenzen, weil die Luft und das feste Objekt zusammen in Bewegung sind . Relativ zu ihrer eigenen Bewegung hat die Luft keinen Kontakt mit einem sich bewegenden festen Objekt. Die relative Bewegung existierte, als es zum ersten Mal gedreht wurde, aber all diese turbulente Energie hat sich seitdem aufgelöst. Nein, es hätte einen Druckgradienten wie unsere Atmosphäre, dichter an der Ringoberfläche und weniger dicht, zum Vakuum hin verblassend, näher am Zentrum des Rings.
@endolith Nein, das sind sie nicht, Luft ist eine Flüssigkeit, sie kann nicht, kann nicht als fester Block fungieren, und sie müsste dies tun, um eine homogene Bewegung so zu erreichen, wie Sie darauf bestehen, dass dies irgendwie der Fall ist.
@Ash Ja, auf makroskopischer Ebene können Flüssigkeiten absolut als fester Block fungieren. Nach einer langen Zeit zerstreut sich jegliche Zirkulations- oder Turbulenzenergie, und die einzige Bewegung ist die zufällige thermische Bewegung der einzelnen Moleküle. en.wikipedia.org/wiki/Hydrostatik
@endolith Nein, Sie können Luft- oder Wasserkörper als feste Blöcke unter bestimmten sehr besonderen Bedingungen modellieren, z. B. laminare Strömung und adiabatische Bewegung, aber dies sind äußerst instabile Situationen, die selten auftreten und ohne weiteres nicht andauernde Systemzustände zusammenbrechen.
@Ash Nein, es ist kein "sehr eigenartiger Zustand"; es ist der natürliche Zustand einer Flüssigkeit. Hydrostatik ist die stabile Situation. Fließende Flüssigkeiten sind in dem Sinne „instabil“, dass sich alle fließenden Flüssigkeiten schließlich in ein hydrostatisches Gleichgewicht einpendeln , ohne dass eine äußere Kraft sie am Fließen hält. Ich habe eine grobe Simulation der Flüssigkeit und des Rings für Sie gemacht: algodoo.com/algobox/details.php?id=232826 :D
@endolith Peculiar bedeutet, dass sowohl seltene als auch besondere laminare Strömung sowohl adiabatische Bewegung weniger selten, aber genauso besonders ist. Der Schlüsselsatz dort ist "ohne eine äußere Kraft, die sie am Laufen hält". wie eine massive kontinuierliche Zufuhr von kenetischer und thermischer Energie, diese Art von äußerer Kraft? Sie scheinen eine Simulation erstellt zu haben, in der A. einen Endpunkt angibt und B. tatsächlich nichts tut. Sie haben auch eine Simulation erstellt, die die Realität der Situation ignoriert, nach der das OP fragt.
@Ash Ich verstehe deinen ersten Satz nicht, kannst du ihn noch einmal eingeben? "wie eine massive kontinuierliche Zufuhr von kenetischer und thermischer Energie, diese Art von äußerer Kraft" Wie was? Ein rotierender Ring im Vakuum des Weltraums erfordert keine Kraft, um ihn in Rotation zu halten. "Sie scheinen eine Simulation erstellt zu haben, dass A. einen Endpunkt angibt" Ich weiß nicht, was das bedeutet. „B. macht eigentlich nichts“ Die Simulation hat einen sich drehenden Ring und eine Flüssigkeit in der Mitte. Durch Reibung/Kollisionen wird jedes Partikel der Flüssigkeit schließlich auf die gleiche Rotationsgeschwindigkeit wie der Ring in Festkörperrotation geschleudert.
@Ash Die Flüssigkeit erreicht schließlich ein hydrostatisches Gleichgewicht relativ zum Ring und es fließt kein Fluss mehr. Meine Kommentare beziehen sich nicht auf die Frage von OP, sondern auf Ihre Antwort: „Heizungseffekte nicht eingeschlossen … das vorherrschende Windmuster wird eine sanfte Anti-Spinward-Brise sein, da die Luft von der Bodentopographie mitgerissen wird … sich aber nicht bewegt ziemlich schnell wie der Boden" Welche Kraft ist Ihrer Meinung nach vorhanden, die verhindert, dass die Atmosphäre mit genau der gleichen Geschwindigkeit wie der Boden mitgerissen wird? Das ist meine grundsätzliche Frage. Ich sehe keinen Grund, warum die Geschwindigkeiten unterschiedlich sein sollten.

Konvektion ist die Antwort.

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Auto und fahren mit (um nur eine beliebige Geschwindigkeit zu sagen) 65 Meilen pro Stunde. Sie, Ihre Kleidung, Ihr Sitz und (natürlich) die Luft im Auto werden mit der gleichen Geschwindigkeit reisen: 65 Meilen pro Stunde. Und Sie spüren keinen Luftzug im Inneren, obwohl Sie sich schnell bewegen.

Wenn Sie ein isoliertes Gas in einem rotierenden Zylinder oder Ring (unabhängig von der Größe) haben, dreht sich das Gas mit der gleichen Geschwindigkeit wie die anderen Objekte im Zylinder oder Ring, sodass Sie überhaupt keinen Wind spüren. ABER (hier kommt der interessante Teil): Was die Windströmungen in der Atmosphäre wirklich verursacht, sind die thermischen Unterschiede . Und hier noch eine Erklärung:

Wenn Ihr Zylinder einen „Nacht“- und einen „Tag“-Teil hat, ist der Teil im Tageslicht heißer als der Teil im Dunkeln. Daher haben Sie dann den ersten "Konvektionskreislauf": Der heiße Boden am Tag erwärmt die Luft in der Nähe, und die Luft steigt (wie ein Heißluftballon) auf und zieht kalte Luft von der Nachtseite mit sich. Wenn Wasser involviert ist (Seen, Ozeane), fungiert das Wasser als Wärmespeicher und enthält zusätzliche Konvektionskreisläufe im Kreislauf.

Und natürlich gibt es die Städte. Die Städte erzeugen viel heiße Luft, die nach oben geht und zusätzliche Luftströmungen erzeugt.

Und schließlich, jetzt, da Sie "bewegte Luft" haben, ja, Ihre sich bewegende Luft wird von der Rotation Ihrer Raumstation genauso beeinflusst, wie die Meeres- und Luftströmungen von der Erdrotation beeinflusst werden.

Je "realistischer" das Modell Ihrer Luftströmungen sein soll, desto mehr Variablen müssen Sie in Ihr Modell aufnehmen. Und, naja... es ist eigentlich eine Wissenschaft für sich. Aber Sie können einen sehr guten Ausgangspunkt haben, um Ihre Tag- und Nachtregionen und Ihre Wasserregionen zu definieren.

Eine interessante Anmerkung (obwohl ich nicht weiß, ob sie Ihre Antwort ändern wird), aber die Luft in Ihrem Auto bewegt sich tatsächlich (oder schwappt herum), wenn Sie beschleunigen oder abbremsen . Luft kann man sich als sehr dünne Flüssigkeit vorstellen. In einem rotierenden Zylinder haben Sie Luft in der Nähe der Achse, die sich nicht bewegt, und Luft in der Nähe der Oberfläche, die sich schnell bewegt, und zusammen mit der Konvektion könnten Sie meiner Meinung nach auch etwas Wind durch die Unterschiede in diesen Schichten bekommen. Natürlich spielt die Größe der Station eine Rolle. Sie werden diesen Effekt möglicherweise nicht auf der Ringwelt bemerken.
Außerdem wäre dieser Effekt bei einem Ring ganz anders als bei einem Zylinder. In einem luftgefüllten Zylinder haben Sie einen Punkt in der Mitte, an dem sich die Dinge nicht bewegen, und die gesamte Außenfläche bewegt sich. In einem geschlossenen Ring würde sich auch die Decke bewegen, und so würden die untere Luft und die höhere Luft fast gleichmäßig mitgezogen. Dies unterscheidet sich auch von einem großen offenen Ring wie der Ringwelt, wo nichts als die Zentripetalkraft die Luft festhält, aber an der Achse immer noch keine ruhende Luft ist, da sich die Achse im Vakuum befindet.
Dies ist wirklich keine Antwort, obwohl es ein Ausgangspunkt für eine Simulation sein könnte, die die Antwort liefern könnte
@ AndyD273 Der rotierende Lebensraum beschleunigt oder verlangsamt sich jedoch nicht
@endolith Das sollte nur veranschaulichen, dass Luft schwappt. Der Punkt war, dass Sie Bereiche mit mehr oder weniger Luftbewegung haben werden, je nachdem, wie nahe Sie am Rotationszentrum sind. Ein Ring hätte weniger davon als ein Zylinder, da er sowohl einen Boden als auch eine Decke hat, um die Luft entlang zu ziehen, sowie alle internen Strukturen. Ein Zylinder hat das in der Nähe des "Bodens", aber weniger in der Nähe der Rotationsachse. Dies könnte Turbulenzen und möglicherweise Wind erzeugen.
@ AndyD273 Die Luft dreht sich mit der Struktur, egal wie nah oder weit von der Rotationsachse entfernt, oder?
@endolith Hast du jemals daran teilgenommen, einen "Whirlpool" in einem Schwimmbad zu bauen? Wenn nicht, dann bringt man ein paar energiegeladene Kinder dazu, um die Außenseite eines runden Pools herumzuschwimmen, bis sich das Wasser ziemlich schnell bewegt. Wenn Sie versuchen, sich gegen den Strom zu bewegen, ist es wirklich schwierig, aber wenn Sie sich in die Mitte bewegen, ist es sehr ruhig, fast ohne Bewegung. Wenn sich Luft ähnlich wie eine sehr dünne Flüssigkeit verhält, haben Sie eine sich schnell bewegende Luft an den Rändern und eine ruhige Luft in Richtung der Mitte. Macht das Wind? Ich weiß nicht, vielleicht? Es ist zumindest eine gute Hypothese, gegen die man testen kann.
@ AndyD273 Ja, die Luft bewegt sich außen schneller als in der Mitte, aber alles bewegt sich mit der Luft, also gibt es keinen Wind

Beispiel mit einem O´Neill-Zylinder

Da dies eine wissenschaftlich fundierte Frage ist, nehmen wir einen Standard-O´Neill-Zylinder. Dies war ein Siedlungsdesign im Weltraum, das der amerikanische Physiker Gerard K. O'Neill in seinem 1976 erschienenen Buch „ The High Frontier: Human Colonies in Space “ vorschlug. Weitere Informationen finden Sie hier:
https://en.wikipedia.org/wiki/O%27Neill_zylinder

Dieses Design ist ein Zylinder mit sechs Streifen entlang. 3 davon als Siedlung (Land) und 3 davon als Fenster. Jedes der Fenster hat einen beweglichen Spiegel, der den Tag-Nacht-Zyklus simuliert. Es gibt viele Dokumentationen zu diesem Konzept. Unter diesem Link finden Sie ein schönes Diagramm (ich füge auch das Bild hinzu): https://www.artstation.com/artwork/28NNB
Oneill Space Colony

Und so kann es von innen aussehen:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Diese Weltraumkolonie sieht von der Oberseite des Zylinders aus wie folgt aus:
Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und die Sonne wird auf diese Weise in die Weltraumkolonie eintreten (denken Sie daran, dass sich die Spiegel öffnen und schließen, um Tag und Nacht zu simulieren):Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Jetzt kommt die Antwort auf die Windfrage:
Die 3 Landstreifen werden durch das direkte Sonnenlicht erwärmt und die 3 Glasfenster werden kalt (genau wie das Glasfenster in Ihrem Haus, wenn Sie es an einem sehr kalten Tag berühren. Raum ist ziemlich kalt, wenn nicht im Sonnenlicht, und die Fenster müssen transparent sein, damit die Sonne eindringen kann. Daher werden die Fenster kalt und das Land heiß sein. Das erzeugt den ersten Konvektionskreislauf (die ersten Winde in Ihrem Zylinder):Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Zylinder muss sich jedoch drehen , um die Schwerkraft zu erzeugen. Und die Windpartikel (wie oben in den vorherigen Antworten erwähnt) drehen sich schneller in den Positionen, die von der Mitte des Zylinders entfernt sind, und bewegungslos in der Achse entlang der Mitte des Zylinders. Daher werden die Schleifen der Windströmungen eine leichte Verformung erfahren, wie unten dargestellt. Beachten Sie den zusätzlichen Effekt der 3 Spiegel in der Mitte des Zylinders: Die 3 Spiegel erwärmen direkt die Luft in der Mittelachse. Wenn man dies also zu den Konvektionsströmen hinzufügt, führt dies zu einem Bereich bewegungsloser heißer Luft in der Mittelachse des Zylinders.Geben Sie hier die Bildbeschreibung einDenken Sie zum Schluss bitte daran (und hier kommt der Haftungsausschluss), dass noch nie jemand so etwas gebaut hat (na ja, nicht in unserem Sonnensystem). Wir können uns also wirklich nicht ganz sicher sein über die Winde oder irgendetwas, was mit dem Wetter in einer solchen Kolonie zusammenhängt (wir können nicht einmal unser eigenes Wetter hier auf der Erde vollständig vorhersagen).

Die Antworten von Ash und Boxcartenant behaupten beide, dass es auf dem Habitat einen konstanten Wind geben wird, der von den Bewohnern aufgrund des "Widerstands" gegen das Drehen als anti-spinward empfunden wird. Nach einigen langen Gesprächen bin ich mir jedoch ziemlich sicher, dass dies ein Missverständnis ist, und werde meine eigene Antwort hinzufügen:

Thermisches Gleichgewicht

Beachten Sie, dass dies die thermischen Effekte naher Sterne ignoriert , sodass Sie ein Universum mit gleichmäßiger Hintergrundstrahlung haben (um das Gefrieren der Flüssigkeit zu verhindern), und Sie drehen einen Ring oder Zylinder oder Torus mit darin enthaltener Flüssigkeit.

Der Torus ist am einfachsten, also fange ich damit an:

Zuerst wird die Flüssigkeit, die die Oberfläche berührt, mitgezogen (aufgrund der "Kein-Schlupf"-Bedingung ), und die Flüssigkeit in der Mitte des Rohrs nicht (aufgrund der Trägheit). Es hat das gleiche parabolische Geschwindigkeitsprofil wie eine laminare Strömung in einem Rohr:

Parabolisches Strömungsgeschwindigkeitsprofil

Aus der Perspektive einer Person, die auf der Innenseite der Röhre steht, würde dies als "Jetstream" des Windes in der mittleren Höhe über ihren Köpfen erscheinen.

Nach einer ausreichenden Zeitspanne, in der sich das Rohr mit konstanter Geschwindigkeit dreht und nicht mehr beschleunigt, wird der Impuls von der Oberfläche von den äußeren Schichten auf die inneren Schichten übertragen und so weiter, bis die gesamte Flüssigkeit mitrotiert die gleiche konstante Rate wie die Röhre. Die Flüssigkeit befindet sich nun im hydrostatischen Gleichgewicht , der gesamte Lebensraum in gleichmäßiger Festkörperrotation, und es weht kein Wind. Jegliche Turbulenzen oder Zyklen verschleißen und werden in Wärme umgewandelt. Dies ist der Zustand, in dem es für immer bleiben wird, ohne Eingriffe von außen.

Aufgrund der Rotation wird die Flüssigkeit in der Nähe der Außenwand stärker komprimiert als die Flüssigkeit in der Nähe der Innenwand, sodass sie einen Druckgradienten wie die Erdatmosphäre aufweist.

In einem ummauerten Zylinderlebensraum wird dasselbe passieren, außer dass es keine Innenwand gibt, um die Flüssigkeit zu ziehen.

In einem offenen Zylinder oder Ring, wie einem Banks-Orbital, driftet die Flüssigkeit in der Mitte einfach ab und geht verloren, weil es keine Wände gibt und sie nicht an der Oberfläche haftet. Nur Partikel, die mit der Oberfläche kollidieren, werden mitgerissen.

Anfänglich drehen sich die Teilchen nicht, aber solange sie eine Driftgeschwindigkeit ungleich Null haben, treffen sie schließlich auf den Ring, der dem Teilchen einen Impuls verleiht und es dann einfängt.

Es gibt also keinen Eigenwind, nur weil sich der Lebensraum dreht. Dies geschieht nur beim Hochfahren oder Herunterfahren (wie in Rendezvous mit Rama beschrieben ).

Nicht Gleichgewicht

Wenn Sie einen Stern in der Nähe hinzufügen, werden die thermischen Gradienten von Tag- und Nachtzyklen natürlich neue Flüssigkeitsströme relativ zur Oberfläche verursachen.

Ich bin viel verschwommen, was in diesem Fall passiert. Der Coriolis-Effekt wirkt vertikal statt horizontal, also gibt es entweder keine Wirbelstürme oder sie haben keine bevorzugte Rotationsrichtung. Dieser Effekt kann auch einen vorherrschenden Wind verursachen, ich weiß es nicht.

Ich stimme Ihnen zu, dass das Gleichgewichtssystem ohne thermische Effekte eine Festkörper- oder Starrkörperbewegung aufweisen wird. Vielen Dank für diesen Einblick. Das ist ein sehr cooles Physik-Simulationsprogramm. Ich glaube, dass der vertikale Coriolis-Effekt einen vorherrschenden Wind mit Zyklen von nach unten abgelenktem Spinward-Wind, nach unten abgelenktem Wind gegen Spinward, nach oben abgelenktem Anti-Spinward-Wind und nach oben abgelenktem Wind verursacht. Dies sollte einen vorherrschenden Anti-Spinward-Wind in der Nähe der Außenfläche des Rings erzeugen, vorausgesetzt, der Effekt ist stark genug.
@MikeNichols Ich weiß jedoch nicht, dass der Coriolis-Effekt so stark ist. Ich denke, die Konvektion von Tagtemperatur und Nachttemperatur wird viel stärker sein? Und dies geschieht sowohl bei Sonnenaufgang als auch bei Sonnenuntergang in entgegengesetzten Richtungen? Können wir einen Meteorologen anheuern, um dies zu beantworten?
Die Größe der Coriolis-Kraft hängt davon ab, wie schnell sich die Welt dreht. Ein Orbitalring dreht sich viel, viel schneller als die Erde, daher ist seine Coriolis-Kraft viel stärker. Als zusätzliche Folge führt die schnellere Rotation zu kürzeren Tagen und Nächten (in der Größenordnung von Stunden oder sogar Minuten) und damit zu geringeren Temperaturschwankungen und weniger Wind, der durch Konvektion zwischen Tag und Nacht angetrieben wird. Heiße Luft wird immer noch von der Oberfläche aufsteigen, jedoch gleichmäßiger, und durch die Coriolis-Kraft in den Spin getrieben werden. Aus diesen Gründen denke ich, dass Coriolis-Winde die vorherrschenden sein werden.
@MikeNichols Ich denke an ein Banks-Orbital, das sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde dreht und den gleichen Tag-Nacht-Zyklus hat
Ah, ja, für einen Ring in der Größenordnung von Millionen Kilometern Durchmesser wäre die Coriolis-Kraft viel weniger wichtig, aber für meine Zwecke versuche ich, etwas mehr in der Größenordnung von Zehntausenden Kilometern Radius darzustellen . Trotzdem ist es aufschlussreich zu erkennen, dass Coriolis-Kräfte und unterschiedliche Erwärmung beide eine Funktion der Ringgröße sind, danke.

Angenommen, dies ist ein offener Ring (dh keine Decke), damit die Atmosphäre am Rand des Rings dicht ist, müssten die Gase in der Atmosphäre von denselben Zentrifugalkräften beeinflusst werden, die die Schwerkraft simulieren, also sie müssen mit dem Ring drehen. Solange es überhaupt Reibung oder Behinderung auf der Oberfläche des Rings gibt, wird er das Gas mit sich ziehen. Im Allgemeinen wird es sich also anfühlen, als gäbe es keinen Wind an der Oberfläche

Jetzt wird die Luft, die näher an der Mitte des Rings liegt, weniger von Reibung und Hindernissen auf der Oberfläche beeinflusst (zusätzlich zu einer langsameren linearen Geschwindigkeit). Wenn der Ring offen ist, wird die obere Atmosphäre nicht so motiviert sein, mit der Winkelgeschwindigkeit an der Oberfläche Schritt zu halten, so dass Menschen, wenn sie auf einen hohen Berg steigen, etwas Wind in der Anti-Spinward-Richtung spüren. (Für Beobachter wird es sich wie Wind anfühlen, aber die Luft hat wirklich nur eine langsamere Winkelgeschwindigkeit).

Wie Carlos Zamora jedoch sagte, je mehr Variablen Sie hinzufügen, desto realistischer wird Ihr Modell. Wenn Sie einen anderen Körper in der Nähe des Rings haben, wird seine Schwerkraft Gezeiten und Wind beeinflussen; Wenn Sie einen Tag-Nacht-Zyklus haben, wirkt sich die Temperatur auf den Wind aus. Wenn Sie Berge haben, beeinflussen sie die Form des Windes, indem sie ihn behindern, und ihre Schwerkraft beeinflusst den Luftdruck dort. etc..

Ich folge Ihrem Argument für Anti-Spinward-Winde in großer Höhe nicht vollständig. Ich stimme Ihnen zu, dass in großer Höhe nur sehr wenig Kraft auf die Luft einwirken wird, damit sie mit der Oberfläche des Rings Schritt hält. Damit es jedoch eine Anti-Spinward-Geschwindigkeit hat, muss eine gewisse Kraft gegen den Wind wirken und ihn verlangsamen, um der geringen Reibung entgegenzuwirken, die den Wind beschleunigt. Andernfalls erreicht das System schließlich ein Gleichgewicht, in dem es keinen Nettowind gibt. Was ist diese "Widerstandskraft"?
Die Kraft, die dem Wind entgegenwirkt, ist die Tatsache, dass er sich geradeaus bewegen will, aber immer wieder die Richtung ändern muss, um sich mit dem Ring zu drehen. Dies bedeutet, dass es seinen eigenen Schwung nicht halten kann und immer dazu neigt, ein wenig langsamer zu werden.
"dann wird die obere Atmosphäre nicht so motiviert sein, mit der Winkelgeschwindigkeit an der Oberfläche Schritt zu halten" Warum sollte es nicht so sein? Es hat Reibung, die es dreht, und nichts hindert es daran, sich zu drehen
@endolith Da es ständig die Richtung ändern muss (rotieren), neigt es dazu, langsamer zu werden.
@boxcartenant Das ist die Zentrifugalkraft, die es nach unten zur Oberfläche zieht. Es würde seine Geschwindigkeit relativ zur Oberfläche nicht ändern
@endolith Richtig, aber wenn es die Oberfläche berührt, prallt es ab, es findet eine Impulsübertragung zwischen der Oberfläche und der Luft statt. Diese Impulsübertragung verursacht (ich schlage vor) eine Änderung der Geschwindigkeit.
Aber das ist es, was die Luft mit der Oberfläche trägt, oder? Die Luft wird einfach auf der Oberfläche sitzen und sich mit ihr drehen, als würde sie auf der Oberfläche eines Planeten sitzen und sich mit ihr drehen. Für jemanden, der auf der Oberfläche sitzt, würde es keinen Wind geben, nur atmosphärischen Druck.
@endolith Sehen Sie sich dieses Video ab etwa 0:48 an, in dem sich der Eimer mit dem gefärbten Wasser dreht. Das Wasser in der Mitte des Eimers dreht sich nicht so schnell wie das Wasser am Rand des Eimers. Wenn also eine Person auf der Innenfläche des Eimers stehen und nach oben schauen würde, würde es so aussehen, als würde sich die hohe Luft hineinbewegen die Antispinward-Richtung youtu.be/EQCzO4RfZAM?t=48
@boxcartenant Ja, wenn ein stationärer Wassereimer hochgeschleudert wird, wird das passieren, aber nach einer ausreichenden Zeit, in der er sich bei konstanter Rotation dreht, dreht sich der gesamte Wassereimer mit der gleichen Geschwindigkeit wie ein "fester Körper". . Es könnte hilfreich sein, sich einen mit Flüssigkeit gefüllten Torus vorzustellen, der zunächst stationär ist und sich dann dreht. Zuerst drehen sich die Kanten und die Mitte nicht mit einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil aufgrund des Zustands "kein Schlupf", aber nach einer Weile des Rotierens mit konstanter Geschwindigkeit holt auch die Mitte auf.
@endolith Würde es sich diesem Zustand nicht bestenfalls asymptotisch nähern? Und nur dann, wenn sich im Eimer keine anderen Körper befinden, die sich auf andere Weise bewegen und den Fluss stören (z. B. Anwohner des Bahnhofs)? Und da es sich um einen extrem großen Gasbehälter handelt, würde es nicht extrem lange dauern, diesen Zustand aus dem Ruhezustand zu erreichen, selbst wenn die Bedingungen dafür perfekt wären? Wenn wir heute eine Ringwelt bauen und sie unbewohnt lassen (keine variablen Hindernisse), würde der Erdkern zuerst aufhören sich zu drehen.
@boxcartenant Wenn es asymptotisch ist, wenn der "Wind" kleiner wird als die thermische Bewegung der Partikel, gibt es meiner Meinung nach keinen Unterschied. Die Unterbrechung der Strömung sollte irrelevant sein, sie wird sich schließlich unabhängig von Turbulenzen in eine Festkörperrotation einpendeln. Ich weiß nichts über die Zeitanforderungen; Ich habe seit dem College keine Flüssigkeitsberechnungen mehr gemacht. :) Für eine offene Ringwelt oder ein Orbital muss die Flüssigkeit jedoch bereits beschleunigt werden, um sich mit der Oberfläche zu bewegen, oder sie driftet einfach seitwärts und entweicht in den Weltraum.
Vorherrschende Winde in einem rotierenden Weltraumlebensraum
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