Weltenbau & Klima: Wie wirkt sich die Sonne auf eine einfache Kugel mit Atmosphäre aus?

Diese Abfrage ist Teil des Worldbuilding- Ressourcen-Artikels .

Ich arbeite daran, ein Verfahren zu entwickeln, das mir helfen wird, das Klima der Welten zu verstehen, die ich erschaffe. Ich beginne mit einfach und baue zu komplex auf, weil ich ehrlich gesagt, da mir alles fehlt, was selbst im schwächsten Licht als Doktor der Klimatologie ausgelegt werden könnte, wenn Def Leppard auf dem Hof ​​nebenan auf ablenkenden Ebenen spielt, am Anfang beginnen muss .

Lassen Sie mich innehalten und Ihnen einen Witz erzählen. Der Mob war es leid, die Bullen abzuwehren, wenn sie die Rennen reparierten, also „luden“ sie einen Physiker ein, ihnen einen Simulator zu bauen, der jedes Mal das Siegerpferd vorhersagen würde. Nach monatelanger „motivierter“ Arbeit hat der Physiker endlich sein Meisterwerk fertig gestellt. Ein begeisterter Mob wettete groß auf „Haley’s Shadow“, mit Gewinnchancen von 9 zu 1 – und verlor alles. Als der Mob vorschlug, dass etwas mehr als ein Pfund des Fleisches des Physikers erforderlich wäre, sagte der sehr perplexe Mann: „Ich verstehe nicht!

Beginnen wir also mit einem kugelförmigen Pferd.

Was sind die spezifischen Wettermuster, die sich unter den folgenden Bedingungen im Laufe der Zeit entwickeln und (ich nehme an) stabilisieren würden?

  • Gegeben ist ein Sol ähnlicher Stern, der ein Stern der G2V-Klasse mit einer Sonnenleuchtkraft (L☉) von 1,0 ist.

  • Angesichts der Tatsache, dass sich die Kugel (ich zögere an dieser Stelle, das Wort „Planet“ zu verwenden) immer innerhalb der bewohnbaren Zone des Sterns befindet .

  • Gegeben ist eine Sphäre von Masse und Volumen ähnlich der Erde.

  • Gegeben sei eine Atmosphäre mit erdähnlicher Zusammensetzung und Dichte.

  • Schließlich (und das ist der wichtige Teil) dreht sich die Kugel NICHT, kreist NICHT, hat eine perfekt glatte Oberfläche, und die Oberfläche trägt NICHT zu klimatologischen Auswirkungen bei. (Ich glaube, es gibt genug Fiktion in dieser einzelnen Kugel, um die Frage hier zu rechtfertigen ... aber Sie können mir alles andere sagen.)

Ich suche nach einer ersten Erklärung. Einfach, einfach, einfach, einfach, einfach. Mit einer Ausnahme...

Es wäre cool, wenn die Antwort Variationen der Sonnenhelligkeit und des Volumens der Kugel (OK, des Planeten) berücksichtigen könnte. Oder, wenn es angemessener ist, eine Erklärung dafür, warum Sonnenleuchtkraft und Planetenvolumen keine Rolle spielen.

Ich kann mir tatsächlich ein Argument vorstellen wie, "mit zunehmender Leuchtkraft wird die Bewohnbarkeitszone nach außen geschoben, dito mit planetarischem Volumen, also ist die Gesamtwirkung immer gleich ... zumindest wenn man menschenähnliches Leben will ....

Was ich natürlich mache.

BEARBEITEN:

  1. Wenn ich sage, dass die Oberfläche der Kugel nicht zu Klimaeffekten beiträgt, meine ich, dass ich mich in einer späteren Frage mit Wasser, Boden, Höhe usw. befassen möchte. Bitte gehen Sie davon aus, dass es bei dieser Frage um die Atmosphäre und nur um die Atmosphäre geht. Es ist eine Frage der Gasdynamik um eine Form, die Schwerkraft für die Atmosphäre und sonst nichts bereitstellt.

  2. Ja, diese Frage wird zu einem guten Verständnis dafür führen, wie das Klima auf einem gezeitenabhängigen Planeten funktioniert. Aber das ist ein Thema für später.

  3. Ja, es ist absurd, keine Umlaufbahn, keine Rotation und keine Oberflächeneffekte anzunehmen. Aus dem gleichen Grund sind alle Physikkurse für Erstsemester absurd, weil sie alle mit kugelförmigen Pferden beginnen. Ich habe das mit Absicht gemacht, Leute. Es ist unpraktisch, einem Physikstudenten im ersten Jahr ein Lehrbuch auf Hochschulniveau zu geben, um einfach zur Lösung zu springen. (Wenn Sie das nicht glauben, es ist schon eine Weile her, dass Sie ein Erstsemester waren....)

Kommentare sind nicht für längere Diskussionen gedacht; Diese Konversation wurde in den Chat verschoben .

Antworten (3)

Interessanterweise klingt es in allen bis auf zwei Punkte so, als würden Sie Merkur beschreiben.

Merkur befindet sich nicht in der bewohnbaren Zone (und ist natürlich kleiner als die Erde), aber da er mehr oder weniger von den Gezeiten gesperrt ist, ist er im Grunde dasselbe wie ein Planet, der in Bezug auf seine Sonne stationär ist.

Justins Antwort würde von Merkur zunächst errötend bestätigt werden, sofern Merkur irgendeine Atmosphäre hatte, die er möglicherweise abgebacken hatte. Stellen wir es aber in die bewohnbare Zone, aber sozusagen ganz hinten im Bus. Mit anderen Worten, machen wir es so kalt wie möglich, während wir immer noch flüssiges Wasser zulassen. Ich überlasse dies der nächsten Frage; Alles, was ich jetzt tue, ist Wasser als Maß für die Bewohnbarkeit zu verwenden, nicht als thermische Masse.

Es ist lange her, seit ich mich in irgendeiner Weise mit Fluiddynamik befasst habe, aber ich verstehe, dass eine einzelne Wärmequelle (und -richtung) etwas Energie liefert und diese Energie etwas erzeugtTurbulenz. Es muss. Während die Erdrotation und der Coriolis-Effekt auf bekannte Weise Turbulenzen erzeugen, bin ich zutiefst misstrauisch, dass die von Ihrer Atmosphäre zugelassenen Treibhausgase einen Großteil der Wärme in der Nähe der Kugel einfangen würden, was bedeutet, dass Sie am Tag mit Hochdrucksystemen enden Seite und Niederdrucksysteme auf der Nachtseite (Wärme fügt Energie hinzu, wodurch sich das Gas ausdehnen möchte). Die wärmere Wärme nahe der Oberfläche der Kugel (die einen Teil dieser Wärme zurückhält und dazu beiträgt, die Erwärmung der Atmosphäre auf unausgewogene Weise zu erhöhen, indem sie diese nahe an der Kugel selbst vorspannt) steigt an und erzeugt einen Konvektionsstrom, da der Druck abnimmt bei Höhe (Boyle's Law) sinkt die Temperatur (leicht) und Sie haben eine Strömung, die zumindest auf der Tagseite zirkuliert,

Während ich Wasser für die spätere Frage aufheben werde, wirft es doch die Frage auf, woraus Ihre Kugel besteht. Angenommen, es ist eine so gute thermische Masse wie Wasser, dann können Sie erwarten, dass Ihre Kugel (zumindest auf einer Seite) viel Energie speichert, wodurch ein Unterschied in der thermischen Zufuhr entsteht, der die Atmosphäre nahe der Oberfläche begünstigt. Diese Fähigkeit, als thermische Masse zu fungieren, ist vielleicht der Schlüssel dafür, ob Ihre Atmosphäre überleben wird oder nicht.

Warum weiter draußen (kälteste bewohnbare Zone)? Wegen Neptun. Wenn Sie sich Neptun ansehen, sehen Sie gewaltige Winde über der Oberfläche des Planeten, die den Coriolis-Effekt fast zu ignorieren scheinen. Wieso den? Energiemangel im Grunde.

Sobald ein Wind auf Neptun losgeht, gibt es nicht genug kinetische oder thermische Energie, um ihn zu stoppen, also geht er einfach weiter.

Der Punkt ist; Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie eine Atmosphäre auf einer gezeitengesperrten „Kugel“ aufrechterhalten können, vorausgesetzt, Sie führen nicht die gesamte Wärmeenergie auf einmal ein und lassen zu, dass die Kugel Wärmeenergie als eine Art thermische Masse speichert.

In der Frage wird ausdrücklich erwähnt, dass thermische Masseneffekte der Planetenoberfläche ignoriert werden sollen. Die Oberfläche hat keinen Einfluss auf das „Wetter“. Daher muss davon ausgegangen werden, dass es keinen Wärmefluss hat. Ich weiß, unmöglich, oder? Aber genau darum geht es in der Frage. Eliminiere alle Variablen. Sobald Sie Wärmeübertragung durch den Kern zulassen, ändert sich die Dynamik, und es ist mehr als nur die Atmosphäre, die das Wetter moderiert. Geht man von einer perfekten Wärmeübertragung durch den Planeten aus, hat die Rückseite die gleiche Temperatur wie die helle Seite, unabhängig von der Atmosphäre.
Ein „Tag“ auf Neptun dauert 16 Stunden, er dreht sich also viel schneller als die Erde. Die Planetenoberfläche wird von der Sonne ziemlich gleichmäßig erwärmt. Die Wärme wird gleichmäßig über den Planeten verteilt. Quecksilber ist die beste Analogie zu den OP-Anforderungen und war im Grunde mein Modell für das, was passieren würde, obwohl der Temperaturunterschied zwischen der heißen Seite und der kalten Seite viel größer ist. Aber es ist keine perfekte Analogie, weil es aufgrund der Konvektion zu einer gewissen Wärmeübertragung innerhalb des Körpers des Planeten kommen würde.
Hallo, Justin. Ja, ich habe den thermischen Massenteil verpasst, weil er in "Planet verursacht keine Effekte" versteckt war, was ich (angesichts der umgebenden Passage) in einem kinetischen Kontext meinte, nicht thermisch. Während ich Ihnen in Bezug auf Merkur (ein Neptun) zustimme, muss Wärme schließlich in den Weltraum abgeführt werden, was bedeutet, dass, wenn Sie die Energiezufuhr näher am Gleichgewicht der Wärmeableitung halten, thermische Ströme allein durch Druckunterschiede auftreten würden, vermute ich. Ich denke immer noch, dass Ihre Atmosphäre ohne planetare thermische Masse überleben könnte, wenn Sie die Wärme langsam genug einführen, oder irre ich mich?
Sowohl Sie als auch JBH könnten an dem folgenden Artikel How to Get an Atmosphere interessiert sein, der eine ziemlich gute Beschreibung gibt, wie Atmosphären überhaupt erzeugt werden. Die Faktoren, die für eine Atmosphäre sorgen, sind auch die Faktoren, die das Klima beeinflussen. Wenn du das eine hast, hast du das andere. Ohne thermische Masse kann man keine Atmosphäre HABEN. Insbesondere eine interne Wärmequelle.

Ich würde empfehlen, Life on a Tidally Locked Planet zu lesen, um ein paar Ideen über gezeitenabhängige Planeten zu sammeln, obwohl es sich nicht nur auf das Wetter konzentriert.

Dies wurde tatsächlich untersucht, obwohl Papiere nicht öffentlich zugänglich sind, aber wenn man die Zusammenfassungen von The Inner Edge of the Habitable Zone for Synchronously Rotating Planets around Low-Mass Stars Using General Circulation Models liest , scheint es eine Schwelle von 10 Erdtagen zu geben Orbitalzyklus. Bei Umlaufzeiten von weniger als etwa 240 Stunden treibt ein Jetstream der oberen Atmosphäre eine ziemlich effektive globale atmosphärische Zirkulation an, die die ansonsten auftretenden extremen Temperaturen mildert und den Planeten potenziell bewohnbar macht.

Gezeitensperren wären häufiger bei Planeten, die ihren Stern eng umkreisen, und eine 240-Stunden-Umlaufbahn um einen Roten Zwerg könnte leicht in der bewohnbaren Zone liegen.

Ein G2-Stern wäre viel zu heiß für einen Planeten, der 240 Stunden umkreist, und eine gewöhnliche Zonenumlaufbahn um einen G2-Stern wäre viel zu langsam, um den notwendigen Jetstream zu erzeugen, um die globale Zirkulation anzutreiben.

Sollte das „weniger als 240 Stunden“ oder „mehr als 240 Stunden“ sein? Der Begriff „Schwelle“ impliziert, dass es MEHR sein muss. Aus der Zusammenfassung des zitierten Artikels „Für einen erdgroßen Planeten beginnt das dynamische Regime der substellaren Wolken zu wechseln, wenn sich die Rotationsrate ~10 Tagen nähert. Diese schnelleren Rotationsraten erzeugen stärkere Zonenwinde, die den Planeten umkreisen und die substellaren Wolken um ihn herum verschmieren. Das heißt, es dauert eine SCHNELLERE Rotation.

Ich fürchte, die Antwort ist elementar.

Dunkel auf der einen Seite, hell auf der anderen, heiß mit zunehmender Hitze auf der hellen Seite, kalt mit zunehmender Kälte auf der dunklen Seite, ohne Aussicht auf morgen. Oder auch heute. Da es keine Tage oder Nächte gibt. Der Sommer wird nie kommen und der Winter auch nicht. Auch nicht im Herbst oder Frühling.

Und absolut keine Chance auf Niederschlag. Regen ODER Schnee. JE. Und keine Änderung der Bewölkung. Dasselbe heute und heute und heute. Bis in alle Ewigkeit.

Ich fürchte, die Atmosphäre würde auf der heißen Seite einfach abbrennen und auf der dunklen Seite einfrieren. Und es hätte null Feuchtigkeit. Zeitraum. Keine oberflächliche Feuchtigkeitsquelle.

Aber natürlich können Sie immer mit der Zusammensetzung der Atmosphäre herumspielen, auch wenn es kein Mittel gibt, um den Inhalt der Atmosphäre anzupassen (keine Verdunstung, Kondensation, Vulkane, Oberflächenmerkmale oder Windmuster, vorausgesetzt, die Planetenoberfläche ist vollkommen homogen). , und jedes Teil erwärmt oder kühlt sich gleichmäßig ab).

BEARBEITEN

Aber wenn Sie mehr DETAIL wollen (im Gegensatz zum Denken), würde die dunkle Seite den absoluten Nullpunkt erreichen, da es KEINE Wärmequelle gibt. Die helle Seite würde sich extrem hohen Temperaturen nähern, da kein Kühleffekt vorhanden ist. Ich fürchte, die Atmosphäre auf der dunklen Seite hätte eine so niedrige Temperatur, dass sie gefrieren würde (egal welche Zusammensetzung) und gefrorenes Material sich normalerweise nicht „im Wind“ bewegt. Ich würde erwarten, dass die Atmosphäre auf der heißen Seite so heiß ist, dass sie direkt in den Weltraum abbrennt, oder wenn sie auf die dunkle Seite geht, würde sie gefrieren. Ich kann mir kein Szenario vorstellen, in dem eine zurückgehaltene Atmosphäre vorhanden wäre, außer vielleicht Konvektionsströmungen auf der heißen Seite mit der verbleibenden Atmosphäre.

Oh, und das Pferd würde immer das Rennen gewinnen. Oder verliere es. Weil es nur ein Pferd geben würde. Erster oder Letzter zu werden, wäre dasselbe,

Ich kann also nicht von einer Hochdruckzone in Richtung Sonne, einer Tiefdruckzone in Richtung Weltraum und Turbulenzen an den Rändern ausgehen? Ich gratuliere Ihnen, dass Sie darauf hingewiesen haben, dass Sie ohne alle möglichen Variablen nicht alle möglichen Effekte erzielen können. Aber ich lehne Ihre Antwort ab, weil Sie sich überhaupt keine Gedanken darüber gemacht haben.
Es gibt hier viele sehr starke Aussagen, und nichts, was sie wirklich untermauern könnte.
Da Sie NICHTS eingebaut haben, was das Klima verändert, und absolut nichts, was es mildert, kann ich keinen Faktor sehen, der es ÄNDERN würde. Keine Faktoren, die die Atmosphäre verändern würden. Nichts, was die elementare Zusammensetzung der Atmosphäre verändern würde. Kein Schleudern, kein Coriolis-Effekt. Kein Mond, kein Gezeitenwiderstand der Atmosphäre. Die einzige Änderung wäre auf unvorhersehbare Meteoriteneinschläge zurückzuführen. Ich dachte an die möglichen Luftströmungen durch Lufterwärmung und Aufsteigen auf der hellen Seite des Totpunkts und Abkühlen und Fallen auf der dunklen Seite des Totpunkts.
ctd Aber diese wären unveränderlich und statisch. Ich fürchte, ohne Bezugnahme auf die Zusammensetzung der Atmosphäre oder ihre Dicke sind Berechnungen zum Wärmefluss praktisch unmöglich. Im Optimum (für die Homöostase) nahm ich an, dass die meiste Wärme, die auf der hellen Seite ankommt, durch diese Ströme auf die dunkle Seite transportiert und dann in den Weltraum abgestrahlt wird. Keine Strahlungsquellen, kein Magnetfeld, keine Ionisationsquellen, da muss man sich nicht viel Gedanken machen. Es kann nichts anderes sein, als ein stabilisiertes Wettermuster wie beschrieben. Das Wetter ist, dass es keinen Wetterwechsel gibt.
ctd Das Worst-Case-Szenario wäre, wie gesagt, dass der Hochdruck auf der hellen Seite die gesamte Atmosphäre in die Stratosphäre tragen würde, wo sie, wie gesagt, in den Weltraum abbrennen würde. Das würde die Atmosphäre von der dunklen Seite ziehen, bis die dunkle Seite kalt genug wurde, um die Atmosphäre einzufrieren. Sie haben KEINE Wasserquelle zugelassen. Ich kann mir nicht vorstellen, dass die Atmosphäre viel anders als Wasserstoff ist, vielleicht Helium, es sei denn, sie wurde von einem Asteroiden abgelagert, in diesem Fall wäre die Zusammensetzung statisch. Es sei denn, weitere Asteroiden füllten es wieder auf, aber das ist nicht bekannt.
ctd Wenn Sie alle Variablen eliminieren, bleibt nicht viel übrig. Wie gesagt, es gibt nur ein kugelförmiges Pferd im Rennen, und dieses Pferd ist nicht schwer zu beschreiben.
Wie in der Frage angegeben: Die Atmosphäre entspricht der Erde. Es gibt offensichtlich einen thermischen Gradienten zwischen der sonnenzugewandten und der weltraumseitigen Seite der Kugel. Es gibt die Schwerkraft, die tangential zu allen atmosphärischen Effekten wirkt. Der Sonneneffekt am Äquator ist größer als der Sonneneffekt am Ende. Die Luft steht nicht still, die Gasdynamik ist immer noch im Spiel. Ich vermute, da ist viel los. Sphärisches Pferd, Justin. Du hast es als Neuling im College gemacht. Angenommen, die Atmosphäre verdampft nicht im Weltraum, was würde sie bewirken?
Und um es deutlich zu machen, die gesamte Prämisse dieser Übung besteht darin, zu vermeiden, ein unendlich komplexes System mit sich selbst zu modellieren. Als Ingenieur musste ich Designs mit Schachteln beginnen, auf denen ständig stand: „Hier passiert Magie“. Es macht das anfängliche Design nicht ungültig, es ermöglicht, das System einzugrenzen und Interaktionen zu identifizieren, bevor man sich mit den Details der unterteilten Operationen befasst. Wenn Sie das jetzt in Ihrem Leben nicht tun, haben Sie es sicherlich als Student getan.
Sie haben ÜBER-vereinfacht. Der Ausgangspunkt sollte KEINE Atmosphäre sein, sondern eine Form effizienterer Wärmeübertragung. Die dunkle Seite kann NICHT nahe dem absoluten Nullpunkt bleiben und die helle Seite unglaublich heiß, ohne das zu bekommen, was ich beschrieben habe. Die Erdatmosphäre kann nicht einfach angenommen werden, sie ist ein Produkt ALLER klimatischen Variablen der Erde. Sauerstoffgehalt, CO2-Gehalt, die Ozonschicht, der Feuchtigkeitsgehalt, der Partikelgehalt, alle sind ein ERGEBNIS des Wärmeaustauschs aufgrund der Erdrotation.
Ich bin mir des „Black Box“-Designs bewusst. Umgekehrtes Design. Sie beginnen mit dem, was Sie wollen, und gehen rückwärts, um immer wieder hinzuzufügen, was Sie brauchen, um dorthin zu gelangen. Aber in diesem Fall fügen Sie Ihrer Blackbox als erste Variable das Falsche hinzu. Sie beginnen mit der signifikantesten Variablen und gehen zu der am wenigsten signifikanten. Es ist, als würde man ein Wasserkraftprojekt entwerfen und mit der Größe der Generatoren beginnen, davon ausgehen, dass der Wasserfluss ausreichend ist, und dann nach einem passenden Standort suchen. Der SITE ist die entscheidende Variable, die alle anderen Designs antreibt.
In diesem Fall ist die Planetenrotation eine der wichtigsten Variablen, zusammen mit Wasser auf der Oberfläche, damit es in die Atmosphäre gelangen kann. Atmosphärische Effekte kommen danach.
@HDE 226868 Ja, ich nehme an, es KÖNNTE auf der Seite zum Licht hin dunkel und auf der dunklen Seite hell sein. Es könnte auf der beheizten Seite kalt und auf der von der Wärmequelle abgewandten Seite warm sein. Es könnte einen Tag ohne Rotation geben, und es könnte sogar Jahreszeiten ohne Orbitalwechsel geben. Es könnte anders als jeder andere Planet in unserem System sein und mit einer anderen Atmosphäre als Helium oder Wasserstoff beginnen, oder diese Atmosphäre könnte nicht so abgebrannt werden, wie es auf jedem Planeten in unserem System der Fall war.
ctd Es könnte eine Atmosphäre ohne jegliche interne Wärmequelle des Planeten haben, im Gegensatz zu JEDEM anderen Planeten oder Körper mit einer Atmosphäre. Und vielleicht hat es Wasser in der Atmosphäre, obwohl es auf dem Boden keins gibt. Auch kein Eis. Keine Hydrologie All das ist reine Spekulation meinerseits. Der Planet Merkur ist schließlich nur eine Erfindung unserer kosmologischen Vorstellungskraft. Aber verdammt, ich bestehe absolut darauf, dass es nur ein kugelförmiges Pferd gibt.
-1> Kommentare im Nachhinein scheinen einige der ursprünglichen Fragen des OP leicht anzusprechen, aber die Antwort, wie sie gepostet wurde, tut nicht das, was die Kommentare des Antwortenden behaupten. In einem Kommentar heißt es beispielsweise "... wie ich sagte, wäre der Hochdruck auf der positiven Seite ...", aber dies wird nicht wirklich in der Antwort angegeben, sondern nur in den Kommentaren. Die Frage war, wie das Wettermuster "sein" würde, nicht, wie es sich "ändern" würde, aber die Antwort erwähnt nur Änderungen und beschreibt nicht wirklich das bestehende Wetter, wie der Fragesteller ursprünglich gefragt hat.
Weltenbau & Klima: Wie wirkt sich die Sonne auf eine einfache Kugel mit Atmosphäre aus?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v