Wie wäre das Wetter in einem Asteroidenhabitat?

Die Idee, Asteroiden auszuhöhlen, sie um ihre längste Achse zu drehen und sie mit Luft, Wasser und Erde zu füllen, ist in der Science-Fiction weit verbreitet ( Rendezvous with Rama oder 2312 für gute Beispiele). Der vollständig umschlossene Asteroid ist ein vollkommen autarker Mikrokosmos. Es sollte etwa so aussehen:

Künstlerische Darstellung eines hohlen Asteroiden

Ich bin gespannt, wie das Wetter in diesen Terrarien wird. Es gibt viele Faktoren, die die Atmosphäre in einem so geschlossenen Lebensraum interessant machen, aber zwei, auf die ich mich konzentrieren möchte, um diese Frage handhabbar zu machen, folgen.

Erstens, da die Schwerkraft durch Zentrifugalkraft erzeugt wird, variiert sie stark vom inneren Rand des Asteroiden (1G) zum Zentrum (0G). Dies bedeutet, dass es einen starken Coriolis-Effekt geben würde. Welche Auswirkungen hätte dies? Würden sich irgendwelche Wolken ständig in die Richtung bewegen, die der Rotation zu einem Beobachter auf der inneren Oberfläche entgegengesetzt ist? Die variable Schwerkraft bedeutet auch, dass der atmosphärische Druck von der Rotationsachse nach außen variabel wäre. Angenommen, der Asteroid wäre an der Oberfläche mit einem Druck von 1 Atmosphäre gefüllt, wie würde man dann den Druck im Zentrum berechnen und welche Auswirkung hätte der variable Druck auf das Wetter?

Zweitens ist das gesamte atmosphärische Volumen klein (zumindest im Vergleich zur Erde). Was bedeutet das für das Wetter? Sind Wettermuster wahrscheinlich weniger zufällig und eher periodisch, da es keine äußeren Einflüsse gibt?

Für die Zwecke der Frage wird der Asteroid so gedreht, dass die innere Kante bei 1 G liegt. Die Abmessungen des Asteroiden, Länge und Radius überlasse ich dem Leser. Mich würde eigentlich sehr interessieren, wie sich eine Änderung der Dimensionen auf das Wetter auswirkt. Das Licht wird von einer großen Glühbirne geliefert, die sich entlang einer Führungslinie durch die Mitte des Asteroiden hin und her bewegt und so einen 24-Stunden-Tag/Nacht-Zyklus erzeugt. Bei "Morgendämmerung" schaltet es sich an einem Pol ein, bewegt sich dann über den Asteroiden zum anderen Pol und wird bei Dämmerung dunkler, bis es die Helligkeit eines Vollmonds erreicht. Dann traversiert er zurück zum Startmast und startet erneut. Das Licht ist hell genug, um einen ganzen Tag auf der Erde nachzuahmen, und emittiert im gleichen elektromagnetischen Spektrum.

Welche Größe und Form hat der Asteroid? Sieht es so aus? i.kinja-img.com/gawker-media/image/upload/s--2T56HGc---/…
Ah nein. Es ist für den Weltraum geschlossen. Näher dran: visions2200.com/Images/SpaceHabitatAsteroid.jpg . Ich werde die Frage bearbeiten, um sie aufzunehmen.
Wie eine Kuppel. Ich verstehe, und welche Größe?
Mich interessiert, wie sich Größenunterschiede auf das Wetter auswirken würden, aber wenn Sie einen Ausgangspunkt wünschen, sagen wir 100 km entlang der Rotationsachse (von Pol zu Pol) und einen Durchmesser von 50 km an der breitesten Stelle .
Das Wetter auf der Erde wird stark von der Wärmeumverteilung auf einem stark ungleichmäßig erhitzten Globus bestimmt. In diesem Fall ... woher kommt Ihre Heizung/Kühlung in diesem System? Gibt es einen Unterschied zwischen Tag und Nacht, was die Heizung angeht? Gibt es eine Sonne, die an einem Ende des Asteroiden Energie hinzufügt und am anderen nicht? Ich werde einige Nachforschungen anstellen, aber ich denke, das Wetter wäre ziemlich negiert ... Wolken könnten ein interessanter zentraler Wirbel sein, wenn genügend Wärme / Energie vorhanden wäre, um Wolken aufzubauen, aber ich bin mir nicht sicher, ob dies der Fall wäre Schwerkraft in der Mitte, um es tatsächlich fallen zu lassen.
Hinzufügen zu @Twelfth - . . . oder wie es fallen würde.
@Zwölfter Ich hatte die Wärmeverteilung nicht berücksichtigt. Ich habe versucht, die Dinge etwas vereinfachend und vage zu halten, aber jetzt sehe ich, dass es dadurch nur noch schwieriger wird. Ich werde den ursprünglichen Beitrag mit weiteren Informationen zum Heizen und Kühlen aktualisieren.
Dies setzt voraus, dass Kolonisten viel Gestein usw. vollständig entfernen, anstatt es in interne Strukturen zu rekonstruieren, in denen es keinen nennenswerten freien Raum gibt.

Antworten (3)

Hier auf der Erde ereignen sich die meisten wetterbedingten Ereignisse in einer Schicht der Atmosphäre, die als Troposphäre bekannt ist . Es liegt von der Erdoberfläche bis etwa 20  km - am höchsten. Asteroiden können einige Meter groß werden 1 , 000  km , also ist es sehr wahrscheinlich, dass wir eine finden könnten, die eine geeignete Größe dafür hätte. Ich wähle einen aus 500  km Quer - Wikipedia behauptet übrigens, dass wahrscheinlich nur 3 dieser Größe im Asteroidengürtel existieren.

Nehmen wir also an, dass der Asteroid nicht ganz von seiner eigenen Schwerkraft gerundet wurde. Es geht um 375  km lang auf zwei Seiten und 500  km lang auf der anderen - Art wie eine Ellipse. Dies bedeutet, dass es bei einer sehr geringen Dicke eine effektive Atmosphäre hat 170  km hoch am höchsten. In dieser Höhe über der Erde befinden wir uns weit über der Atmosphäre, weil wir die Karman-Linie passiert haben . Aber wir tun so, als gäbe es überall im Inneren des Asteroiden eine Atmosphäre, denn jedes Gas hat die Tendenz, sich auszubreiten.

Es gäbe also eine anständige Troposphäre. Das bedeutet, dass es Wetter geben könnte. Hier haben wir allerdings ein Problem. Wolken bestehen aus Wassertröpfchen, die erst durch den Wasserkreislauf so hoch werden . Aber das flüssige Wasser auf der Erdoberfläche verdunstet nur durch Sonneneinstrahlung – die es hier nicht gibt. Aber vielleicht – und das ist ein ziemlich großes vielleicht – haben die Kolonisten große Strukturen im Inneren des Asteroiden errichtet und eine riesige künstliche Wärmequelle installiert, um den Wasserkreislauf in Gang zu halten. Problem gelöst.

Regen wäre auch interessant. Ich nehme an, es könnte in Richtung des Massenmittelpunkts fallen, aber der lokale Boden hätte auch einen großen Einfluss. Bei Wolken in geringer Höhe würde ich mir vorstellen, dass sie immer noch zu Boden fallen. Tatsächlich vermute ich, dass der einzige Ort, an dem es möglicherweise nicht zu Boden fallen würde, genau im Zentrum der Masse wäre - wo ein extrem instabiles Gleichgewicht herrscht. Irgendwann wird es regnen.

Mal schauen. Was sonst? Blitze wären immer noch möglich, und sie könnten über sehr kurze Entfernungen auftreten, also pass auf! Große Sturmsysteme können sich bilden oder auch nicht - es hängt davon ab, ob die künstliche Schwerkraft in der Lage ist, viel flüssiges Wasser an der Oberfläche zu halten oder nicht. Feuchtigkeit hilft Stürmen, also werden sie die meiste Zeit dorthin gehen, wo Wasser ist. Hurrikane, Wirbelstürme und andere große Wetterkatastrophen könnten möglich sein, aber ich bin mir nicht sicher, wie wahrscheinlich sie sind.

Wie du gesagt hast,

Sind Wettermuster wahrscheinlich weniger zufällig und eher periodisch, da es keine äußeren Einflüsse gibt?

Das würde ich denken! Die Wolken können sich eigentlich nur im Kreis drehen. Und weil die künstliche Wärmequelle kontrolliert werden konnte (ja?), konnten die Kolonisten sie vielleicht manipulieren, um die Wolken in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Sie konnten - bis zu einem gewissen Grad - das Wetter kontrollieren! Vielleicht könnten auch andere Apparate hoch am "Himmel" Einflüsse ausüben, um das Wetter zu kontrollieren und es regelmäßig zu halten. Maschinen könnten Wolken säen oder Feuchtigkeit freisetzen oder einfangen. Ich würde jedoch denken, dass das Wetter auch ohne dies normal wäre. Entweder würde es stagnieren - keine gute Sache - oder es würde sich in Schleifen bewegen, je nachdem, aus welcher Richtung der (künstliche?) Wind weht.

Ich bin mir nicht sicher, ob dies Ihre Frage vollständig beantwortet, aber hoffentlich ist es ein Anfang.

Heiße Gase bewegen sich nicht von einem Massenmittelpunkt weg. Sie werden aufgrund der höheren Dichte von kälterem Gas verdrängt. Der Schwerpunkt ist hier im Allgemeinen nicht hilfreich, denn je näher man sich an einem kugelförmigen Körper befindet, desto weniger Gravitationswirkung bemerkt man im Inneren (siehe Shell-Theorem). Außerdem wird das System per Definition von der Zentrifugalkraft dominiert. Ich bin mir auch nicht sicher über diese Argumentation für die Wetterstabilität; AFAIK, das Wetter ist unregelmäßig, weil es ein chaotisches System ist (siehe Chaostheorie), nicht so sehr aufgrund unregelmäßiger äußerer Einflüsse.
Ich sehe nicht, wie sich Wolken in Bodennähe bilden würden, da in Bodennähe mehr Schwerkraft herrscht und dichtere kalte Luft die weniger dichte heiße Luft verdrängen würde. Die heiße Luft wird daher vom Boden weg in Richtung der Achse des Asteroiden aufsteigen. Regen, der dichter ist als beide, würde immer noch auf den Boden fallen, egal wo er innerhalb der Struktur platziert wurde.
@MarchHo Meine ursprüngliche Überlegung war, das Gravitationsfeld des Asteroiden so zu behandeln, als würde es rein vom Massenmittelpunkt ausgehen und nicht irgendwo an den Seiten; In diesem Fall würde kalte Luft in die Mitte strömen. Ich denke aber, dass das ein Trugschluss meinerseits gewesen sein könnte. Ich gebe zu, dass ich darauf keine gute Antwort habe – wenn überhaupt.
@MarchHo Ich habe diesen Abschnitt vollständig gelöscht. Danke, dass du mich daran erinnert hast. Das Problem damit hatte ich bis jetzt vergessen.
@Vandroiy Ich habe den Abschnitt zu Wolken gelöscht. Ich hatte nur eine sehr, sehr schwache – wenn nicht völlig falsche – Logik dahinter. Danke für den Beitrag; Ich entschuldige mich dafür, dass ich mich nicht bei Ihnen gemeldet habe.
Ich denke, die ursprüngliche Größe des Asteroiden ist für den viel größeren Lebensraum nicht relevant. Ich mag die Vorstellung, dass ein metallreicher Asteroid mit einem großen Spiegel geschmolzen und dann wie ein Ballon aufgeblasen wird. Ich glaube, es wurde in einem Aufsatz von Asimov beschrieben. Ich dachte, es wäre eine großartige Kulisse für Geschichten.

Realistischerweise können Sie keinen wirklich großen rotierenden Luftzylinder haben. Das Problem ist nicht die Coriolis-Kraft, sondern die Luftgeschwindigkeitsdifferenz zwischen der Oberfläche (beträchtlich) und dem Zentrum (Null). Das wird eine Menge Turbulenzen verursachen. Wenn Ihr Lebensraum groß genug ist, müssen Sie etwas tun, um dies zu verhindern - sagen wir, Barrieren in verschiedenen Höhen. Sie müssten nichts Großes sein.

Ich habe das Problem der Turbulenz als Ergebnis unterschiedlicher Luftgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhen betrachtet, bin aber zu dem Schluss gekommen, dass sie aufgrund der Energieeinsparung nicht existieren können. Wenn der Zylinder gedreht wird, wird es mit Sicherheit viele Turbulenzen geben, aber sobald sich der Zylinder dreht, sehe ich nicht, wie dies Wind oder Turbulenzen im System verursachen könnte, ohne dass der Zylinder verlangsamt wird. Es erscheint mir nicht richtig, dass das versiegelte Innere eines rotierenden Zylinders ihn verlangsamen könnte, daher denke ich, dass es in einem stationären System keine Turbulenzen geben wird. Vielleicht?
@MikeNichols Energieerhaltung funktioniert so nicht. Sie haben Recht, dass Turbulenzen den Spin verlangsamen würden, die resultierende Energie, die als Wärme / Vibration / usw. verloren geht, der Schritt ist, den Sie verpasst haben. Der Spin wird dadurch mit der Zeit langsamer und braucht etwas, um ihn wieder hochzudrehen.
@TimB Nur als Gedankenexperiment, wenn ich eine Blechdose nehmen, sie mit einer Mischung aus Luft und Wasser füllen und sie mit einer guten Drehung sanft aus der ISS schieben würde, was würde passieren? Glauben Sie, dass sich die Drehung allmählich verlangsamen würde, bis sich die Dose nicht mehr dreht?
@MikeNichols Das würde davon abhängen, was mit der Luft in der Dose passiert. Wenn die Luft an Ort und Stelle gefriert oder sich nur glatt dreht, dann nein. Wenn die Luft durch den Drall drinnen turbulent ist, dann ja. Das Schleudern würde Turbulenzen erzeugen, die die Luft erhitzen würden, diese Wärme würde dann abstrahlen und die Dose würde (sehr allmählich) langsamer werden.
Ich denke, es würde nur Turbulenzen geben, bis die Atmosphäre innerhalb des rotierenden Asteroiden "in Ruhe" ist. Sobald dies erreicht ist, sollte es ruhig sein, es sei denn, Energie wird hinzugefügt. Stellen Sie es sich wie einen Feststoff vor.
@JoshBelmont Nein. Es gibt keinen stabilen Zustand.

Ist es eine harte Anforderung, ein riesiges Loch zu haben, das Dutzende von Kilometern hoch und lang ist?

Eine einfachere Lösung wären Tunnel und möglicherweise Hallen mit einer Höhe von einigen Dutzend Metern. Sie können Luft, Licht und Feuchtigkeit einfach mit vorhandenen Technologien steuern. Und in der Mitte nahe der Achse können Sie eine Fertigung bauen, die von der Schwerelosigkeit profitieren kann.

Eine solche Struktur wäre auch stärker und widerstandsfähiger, um zu sagen, dass sie von Weltraumschrott getroffen wird.

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