Ist es möglich, in einem Gasriesen zu kreisen?

Wenn wir über Umlaufbahnen sprechen, stellen wir uns oft ein Schiff oder eine Station vor, die einen Planeten außerhalb seiner Atmosphäre umkreisen.

Ist es möglich, dass ein Schiff innerhalb seiner Atmosphäre in die Umlaufbahn gehen könnte (vielleicht um sich vor anderen Fahrzeugen zu verstecken) oder würde es durch die Schwerkraft und Atmosphäre des Planeten auseinandergerissen werden?

Ich habe so manchen Kerbal durch dieses Unterfangen verloren.
@AaronLavers, am besten, wenn sie in einer Wissenschaftsstation komprimiert werden, deren Zusammenbau Jahre gedauert hat ... aber wenn Sie schließlich in dieser Atmosphäre schweben können ... wäre das keine Umlaufbahn, also vergessen Sie das.
Die meisten Antworten hier sagen Ihnen "nein", weil sie die Umlaufgeschwindigkeit mit der atmosphärischen Geschwindigkeit zusammenführen. Im Prinzip spricht insbesondere für einen Gasgiganten nichts dagegen, dass sie ähnlich sind.
@imallett Wenn Sie eine alternative Antwort haben, posten Sie diese bitte auf jeden Fall als Antwort (anstatt als Kommentar). Denken Sie daran, dass Kommentare dazu dienen, eine Klärung des Beitrags zu erbitten oder Verbesserungen für den Beitrag vorzuschlagen, an den der Kommentar angehängt ist.
@MichaelKjörling Es gibt bereits 6 Antworten, von denen 5 - einschließlich der akzeptierten Antwort - dieser Klarstellung unterliegen. (Es ist per se kein Fehler, da die Bedingungen, unter denen atmosphärische Geschwindigkeit und Orbitalgeschwindigkeit gleich sind, wahrscheinlich selten sind, aber es ist immer noch etwas, was Leser der Zukunft über praktisch alle Antworten wissen sollten.)
@imallett Also, wenn sich der Planet schnell genug drehen würde, um sich selbst auseinanderzureißen, wäre eine vernünftige Luftgeschwindigkeit in die gleiche Richtung am Äquator eine Umlaufbahn.
@JDługosz Es müsste sich nicht auseinanderreißen. Einzelne Gasteilchen hätten genug kinetische Energie für eine niedrige Umlaufbahn , was sich stark von der Fluchtgeschwindigkeit unterscheidet .
Noch ein Hinweis: Das Umlaufen innerhalb der Atmosphäre ist sehr machbar, abhängig von der genauen Konfiguration. ZB kreist die ISS in der oberen Atmosphäre, aber sie ist über der Kármán-Linie, also auch im "Weltraum". Bei Objekten wie Pluto könnten Sie sehr hoch und sehr langsam umkreisen und sich dennoch ohne große Auswirkungen vielleicht im größten Teil der Atmosphäre befinden.
Guter Punkt für die Fluchtgeschwindigkeit. Ich habe eine neue Frage zu Hight-Spin-Welten gestartet.

Antworten (6)

Es würde durch den Luftwiderstand an Geschwindigkeit verlieren und hineinfallen.

Wenn Sie Schub geben, um die Geschwindigkeit beizubehalten, fliegen Sie einfach wie ein Flugzeug und versuchen Sie nicht, es zu umkreisen. Die Hyperschallgeschwindigkeit der Orbitalgeschwindigkeit wäre sowieso auffällig, kein guter Weg, sich zu verstecken.

Haben Sie eine Ahnung, wie hoch die Umlaufgeschwindigkeit ist? Die niedrige Erdumlaufbahn beträgt etwa 17500 Meilen pro Stunde. Stell dir vor, du tust das, während du noch Luft um dich herum hast. Die Hitze des "Wiedereintritts" wird durch den Staudruck verursacht: Stellen Sie sich das die ganze Zeit vor ! Machen Sie sich jetzt klar, dass die benötigte Geschwindigkeit um den Jupiter herum ein oder zwei Größenordnungen schneller wäre, ein Vielfaches größer: etwa 94200 Meilen pro Stunde, wie von Michael Kjörling geschätzt.

Ich bezweifle eher, dass die Schätzung höchstens auf mehr als zwei signifikante Stellen genau ist , zumal die Ausgangszahl (der Wert für die Fluchtgeschwindigkeit, v e ) ist nur auf drei signifikante Stellen genau und die v Ö Die Berechnung ist zunächst nur eine Annäherung. Die resultierende Geschwindigkeit verdeutlicht jedoch sehr schön die damit verbundene Größenordnung.

Wie JDługosz schrieb, was in dem von Ihnen beschriebenen Szenario Probleme verursachen wird, ist nicht so sehr Ihre Umlaufbahn, sondern die Tatsache, dass Sie sich in der Atmosphäre des Gasriesen befinden .

Ich werde hier Jupiter verwenden, um einen bestimmten Gasriesen als Beispiel zu haben. Fühlen Sie sich frei, die relevanten Daten für jeden anderen Gasgiganten nachzuschlagen, oder lassen Sie sich Ihre eigenen einfallen.

Für den Fall, an dem wir interessiert sind, eine kleine Masse, die eine viel größere Masse umkreist, wobei der Radius der Umlaufbahn gleich dem Radius des größeren Körpers ist (einfach Ihre Zehen in die Jupiter-Atmosphäre eintauchen), kann die Umlaufgeschwindigkeit angenähert werden als

v Ö ≈ v e 2

Die Fluchtgeschwindigkeit von Jupiter beträgt ungefähr 59,5 km/s, so dass wir, um unsere Zehen in die Atmosphäre zu tauchen, eine Umlaufgeschwindigkeit von ungefähr erhalten

v Ö ≈ 59   500   Frau 2 ≈ 42   100   Frau

Um eine Vorstellung davon zu geben, wie wahnsinnig schnell das ist, es entspricht ungefähr 152.000 km/h oder 94.200 Meilen pro Stunde. Es bringt Sie in 2,5 Stunden zwischen Erde und Mond . Mitte 1976 erreichte ein Flugzeug 3.530 km/h , was etwa 1/43 der Umlaufgeschwindigkeit am Rand der Jupiteratmosphäre entspricht. Das Beste, was wir auf Wiederholungsbasis geschafft haben, liegt bei etwa 2.500 km/h oder 1/60 dessen, was Sie brauchen würden.

Zum Vergleich: Jupiters Windgeschwindigkeiten erreichen Spitzenwerte von über 150 m/s . Obwohl es ein ziemlich steifer Sturm ist, ist das bei weitem nicht in der Nähe der Umlaufgeschwindigkeit; nach der obigen Schätzung etwa 1/280 (und das setzt voraus, dass die höchsten Windgeschwindigkeiten in den obersten Schichten der Atmosphäre auftreten, was möglicherweise nicht der Fall ist). Bei einem so großen Unterschied zwischen Umlaufgeschwindigkeiten und Windgeschwindigkeiten können wir Windgeschwindigkeiten für die Zwecke dieser Frage weitgehend ignorieren. Selbst in einer perfekten Situation trägt die Windgeschwindigkeit weniger als 0,36 % zur erforderlichen Geschwindigkeit bei. (Interessanterweise haben die Jupiter-Windgeschwindigkeiten laut derselben Quelle einen Höhepunkt sehr nahe am Äquator, was für uns gut funktioniert.)

Vorausgesetzt, dass Jupiter einen äquatorialen Durchmesser von 142.984 km hat und dass dies der Umfang eines Kreises ist π d , 42,1 km/s ergibt eine Umlaufzeit (wenn man es orbital nennen kann) von 142984 π 42.1 ≈ 10   700   Sekunden oder knapp drei Stunden. Zum Vergleich gibt Wikipedia Jupiters siderische Rotationsperiode ("Tag") von 9,925 Stunden an (eine Schattierung über 9 Stunden 55 Minuten).

Zum Vergleich: Um in eine halbwegs stabile Erdumlaufbahn zu gelangen, benötigt man eine Geschwindigkeit von etwa 7,8 km/s (entsprechend einer Umlaufzeit von etwa 90 Minuten ). Um zum Mond zu gelangen (was der Fluchtgeschwindigkeit ziemlich nahe kommt), benötigen Sie ungefähr 10,5 km / s relativ zur Erde. Die tatsächliche Fluchtgeschwindigkeit der Erde beträgt 11.186 m/s. Vergleichen Sie Apollo anhand der Zahlen: Translunar Injection und sehen Sie sich insbesondere die Earth Fixed-Geschwindigkeitszahlen für die verschiedenen Mondmissionen an.

Nehmen wir an, Sie können das Problem der absoluten Geschwindigkeit irgendwie mit der Hand wegwinken. (Schließlich sind Sie irgendwie dorthin gekommen, und das erfordert schon einiges an Geschwindigkeit.) Sagen wir auch, dass Ihr Fahrzeug ein sehr, sehr langer, perfekter Zylinder mit einem vorderen Querschnitt von 1 Quadratmeter ist, der gebaut wurde, um einem konstanten Orkan standzuhalten -Niveau Windgeschwindigkeiten . Jede Sekunde bewegt man sich durch 42.100 Meter Atmosphäre. Das bedeutet, dass Ihr Fahrzeug jede Sekunde 42.100 Kubikmeter atmosphärische Gase beiseite schieben muss, während es seine Geschwindigkeit beibehält (zumindest wenn Sie vorhaben, in dieser Höhe zu bleiben). Wikipedia gibt die Zusammensetzung von Jupiters Atmosphäre ungefähr an 89.8 ± 2.0 %   H 2 und 10.2 ± 2.0 %   Er . Trotz der Tatsache, dass diese beiden Gase zu den leichtesten bekannten gehören und die Dichte in der Höhe, über die wir sprechen, immer noch gering sein wird, wird das Wegdrücken von über 40.000 Kubikmetern Gas pro Sekunde einen massiven Luftwiderstand verursachen .

Und das, mein Freund, wird dazu führen, dass sich Ihr Schiff aufheizt , sehr schnell an Geschwindigkeit verliert und schließlich in die Atmosphäre absinkt, was Ihnen den Tag ruiniert .

Meine Rückseite des Umschlags war, dass die Geschwindigkeit, mit der ich falle , ungefähr gleich ist (1 g), aber ich muss eine Größenordnung weiter reisen, um um den Rand des Planeten zu fallen.
Was wäre, wenn ein Gasriese extrem schnell rotieren würde und eine diffuse Atmosphäre hätte, die sich bis nahe zu dem Punkt ausdehnt, an dem die Umlaufgeschwindigkeit nicht allzu viel höher als die Rotationsgeschwindigkeit ist? Offensichtlich wird es bis zu diesem Punkt keine Atmosphäre geben, da das der Punkt ist, an dem Material nach außen geschleudert wird. Eine so schnelle Rotation würde es einer Scheibe näher bringen als einer Kugel. Dies ist wahrscheinlich nicht plausibel, da der atmosphärische Druck, der eine Atmosphäre nahe an der Grenze hält, wahrscheinlich ein instabiles Gleichgewicht ist, wenn es überhaupt ein Gleichgewicht gibt. Auswurf oder Gravitationskollaps.
@PeterCordes Die atmosphärischen Gase wären zu diesem Zeitpunkt extrem diffus, bis zu dem Punkt, an dem Sie kaum argumentieren könnten, dass Sie sich überhaupt in der Atmosphäre befinden. (Denken Sie daran, dass LEO-Erdsatelliten aufgrund der Erdatmosphäre einem Luftwiderstand ausgesetzt sind, bis zu dem Punkt, dass die ISS alle paar Monate regelmäßig neu geladen werden muss, um ihre Höhe beizubehalten.) Ich habe auch Zweifel, dass ein Gasriese unter solchen Bedingungen zusammenhalten würde. Und wenn der Rotationsvektor nicht perfekt mit dem Orbitalvektor übereinstimmt, werden Sie natürlich immer noch Probleme haben.
Ja, das funktioniert natürlich nur am Äquator. Ich spreche von einer Situation, die sich extrem von der Erde oder dem Jupiter unterscheidet, wo die Rotation so schnell ist, dass die äußersten Schichten der Atmosphäre fast umkreisen. Die Frage ist, ob es unter allen Umständen möglich ist, dass sich eine nicht allzu diffuse Atmosphäre mit nur ein paar tausend Metern pro Sekunde unter der Umlaufgeschwindigkeit bewegt. Es ist sicherlich plausibel, dass dies nicht stabil sein kann, aber es ist nicht offensichtlich.
@PeterCordes An diesem Punkt würden die Gase, wenn sie sich fast im Orbit befänden, aufgrund von Sternwinden in den Weltraum abfließen

Während JDługosz und Michael mit ihren Antworten wissenschaftlich korrekt sind, denke ich, dass wir hier etwas übersehen.

Wenn Ihr fiktives Raumschiff unbegrenzt fliegen kann, kann es in die Atmosphäre eindringen und alleine um den Planeten herumfliegen. Dies ist nicht dasselbe wie eine Umlaufbahn, da es motorisierte Manöver erfordert, sondern eher wie das Fliegen eines Flugzeugs auf der Erde. Die Bedingungen der Atmosphäre von Gasriesen, die wir kennen, unterscheiden sich jedoch stark von denen der Erde, so dass dies einige Handbewegungen oder ernsthaftere Forschung erfordern wird. Aber mit ausreichend fortschrittlicher Technologie wäre dies auf Jupiter machbar.

XKCD hat dazu etwas zu sagen:

Unsere Cessna kann nicht auf Jupiter fliegen; Die Schwerkraft ist einfach zu stark. Die Energie, die benötigt wird, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten, ist dreimal so groß wie die auf der Erde.

Wenn Ihr Raumschiff ungefähr die Größe und das Gewicht einer Cessna 172 Skyhawk hat und dreimal so viel Schub liefern kann wie dieses Flugzeug, kann es (wahrscheinlich) sicher auf Jupiter fliegen (seien Sie nur vorsichtig, dass Sie nicht in Stürme geraten). Bei größeren, schwereren Schiffen geht es nur darum, die Leistung nach Bedarf zu erhöhen.

Jetzt könnten Sie sagen, dass dies ein weiteres Problem in Frage stellt, Sie benötigen eine kontinuierliche Anwendung von Strom. Und wenn Sie keine erneuerbaren Energiequellen nehmen, die Sie dort verwenden können, ist diese Strategie schlecht. Aus diesem Grund wollten Sie in erster Linie im Orbit sein - Sie möchten keinen Treibstoff ausgeben, um Ihr Fahrzeug in dieser Atmosphäre fliegen zu lassen.

In Ordnung. Öffnen Sie einfach einen oder mehrere Ballons. Zugegeben, Sie brauchen vielleicht viele wirklich große Ballons, aber noch einmal ... Sie könnten sich in Jupiters Atmosphäre eines Gasriesen verstecken, während Sie weitgehend vermeiden, in den Planetenkern zu fallen. Seien Sie nur vorsichtig, um Stürme zu vermeiden.

Bearbeiten: Wie JDługosz und Ross betonten, wäre ein mit Wasserstoff oder Helium gefüllter Ballon in der Atmosphäre des Jupiter nicht schwimmfähig, es sei denn, Sie könnten diese Gase so erhitzen, dass sie heißer als die umgebende Atmosphäre sind, und selbst dann wäre er möglicherweise nicht schwimmfähig genug. Diese Ballon-Idee würde bei den Gasriesen unseres Sonnensystems höchstwahrscheinlich nicht funktionieren ... Sie würde jedoch bei einem fiktiven Gasriesen funktionieren, dessen Atmosphäre aus schwereren Elementen besteht. Ich habe diese Inspiration von einem Videospiel (Windforge) bekommen, für das die Welt ein Gasriese mit einer Atmosphäre aus Stickstoff/Kohlendioxid/Sauerstoff ist und der Spieler und die NPCs in Flugzeugen und Zeppelinen durch sie navigieren. Also ... Einige Teile des Handwinkens und der Aufhebung des Unglaubens können notwendig sein, damit diese Idee beträchtlich ist.

JDługosz sprach bereits davon, ähnlich wie ein Flugzeug durch die Atmosphäre zu fliegen. Das ist kaum Raketenwissenschaft. (Haha.)
Ja, aber er schlägt vor, mit Orbitalgeschwindigkeit zu fliegen (was eher kerbalistisch als realistisch wäre: D). Ich schlage einen langsamen, regelmäßigen Alltagsflug auf der Erde vor, anstatt in einer Atmosphäre zu kreisen.
Ich sagte "und versuche nicht zu kreisen" und sei nicht mit so hoher Geschwindigkeit auffällig.
Womit gefüllte Ballons in einer Wasserstoffatmosphäre? Das Einzige, was schwimmfähig wäre, wäre heißer Wasserstoff. Du brauchst also sowieso Strom für deinen Heißluftballon.
Vakuum, das durch wahnsinnig hohe elektrische Ladung aufgeblasen wird? Nein, ich glaube nicht.
@JDługosz danke, dass du mich darauf aufmerksam gemacht hast, dass es um Balloos in einem Gasriesen geht.
@RossPresser Und diese elektrische Energie kommt von ... woher?
@MichaelKjörling Ich dachte, es wären einmalige Stromkosten, keine laufenden wie bei einem heißen Wasserstoffballon. Dann wurde mir klar, dass sich eine geladene Hülle in einer Atmosphäre schnell entladen würde ...
Statt wahnsinniger elektrischer Ladung vielleicht Supraleiter-Flux-Pinning? Aber darum geht es in dieser Frage nicht ... Ich habe eine neue Frage zum Schweben gestellt.
Wenn Sie den Wasserstoff für Kraftstoff ernten würden, wäre Kraftstoff vorherrschend. Irgendwann würden Sie jedoch genug davon verbrauchen, um einen Bereich mit geringerer Dichte zu schaffen, und sich so einem Rennen mit ausreichend fortschrittlicher Technologie ausliefern. Sie wären aus der Ferne unsichtbar.

Verstecke dich im Orbit

Das Verstecken von Raumfahrzeugen ist wirklich einfach, weil der Weltraum so groß ist. Jupiter hat bereits eine Menge Trümmer umkreist, wenn Sie mit den Trümmern umkreisen und Ihre Motoren und Ihr Radio ausschalten, wird niemand ein weiteres Trümmerstück bemerken, besonders wenn Ihr Schiff dunkelgrau und matt ist.

Drehen Sie die Heizung niedrig und isolieren Sie gut, um sich besser im Infrarotlicht zu verstecken, aber da die Felsen durch Gezeiten und durch Kollisionen erhitzt werden, ist selbst ein warmes Raumschiff nicht offensichtlich.

Europa hat eine Oberflächentemperatur von etwa 50-110 K. Das ist ziemlich kalt, selbst für das Äußere eines Raumfahrzeugs.
@MichaelKjörling Io auf der anderen Seite schmilzt fast...
Siehe diese Frage zum Verstecken im Orbit .
Schau dir an, wie ich deine Formatierung bearbeitet habe. Sie brauchen keine br-Tags; verwenden Sie Leerzeilen für Absätze; Es gibt eine Symbolleistenschaltfläche für Kopfzeilen .

Nur wenn Sie irgendwie in der Lage wären, das Schiff gegen die Reibung der Atmosphäre immun zu machen oder es durch Materie hindurchtreten zu lassen. Bei ersterem müssten Sie wahrscheinlich weiterhin eine Art Antrieb hinzufügen.

Sie müssen sich vor niemandem verstecken, wenn Sie sie durchlaufen können :)
@DiligentKeyPresser Wenn Sie Dinge wie das Durchlaufen von Materie zulassen, warum bauen Sie Ihr Schiff nicht einfach aus dunkler Materie und lassen es durch irgendetwas kreisen? Das Einsteigen könnte jedoch schwierig werden.
Hängt davon ab, welche Art von Technologie die folgenden haben, die auch Phasing und Phased Matter beinhalten. :)

Einfach ausgedrückt, der Unterschied zwischen Umkreisen und Fliegen ist die Reibung, die durch die Atmosphäre verursacht wird.

Wenn Sie "umkreisen", fallen Sie schnell genug, dass Sie den Boden verfehlen, und langsam genug, dass Sie nicht in eine Richtung sausen.

Das Fliegen nutzt den Druck der Atmosphäre und die Geschwindigkeit, mit der Sie Auftrieb erzeugen.

Wenn Sie schnell genug fahren würden, um den Boden in der Atmosphäre zu verfehlen, hätten Sie so viel Reibung mit dieser Atmosphäre, dass Sie langsamer werden und auf dem Boden aufschlagen würden. Der Begriff wird normalerweise als Air-Breaking bezeichnet. Sie können schnell genug gehen, um die Atmosphäre ein wenig zu "überfliegen", und am Ende mit einer niedrigeren Aspoapsis enden, aber wenn Sie zu lange in der Atmosphäre bleiben, werden Sie einfach immer langsamer.

Wenn Sie einen kontinuierlichen Schub anwenden, dann fliegen Sie. Und Ihr Ziel ändert sich von schnell genug, um den Boden zu verfehlen, zu schnell genug, um Auftrieb zu erzeugen.

Sie können also nicht in einer Atmosphäre kreisen. Sie könnten jedoch theoretisch von einer niedrigen Umlaufbahn in einen Flug in großer Höhe wechseln und dann nach einer Weile wieder in eine niedrige Umlaufbahn zurückkehren. Für ein Raumflugzeug wäre es jedoch ziemlich schwierig und würde eine TONNE Treibstoff verschwenden.

Bremsen, nicht bremsen. Luftbrechende Geräusche wie brechender Wind :P
@PeterCordes Was ist falsch daran, Wind zu brechen, anstatt Wind zu bremsen? ;-)
Ist es möglich, in einem Gasriesen zu kreisen?
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