Вертикальные циклоны во вращающейся космической среде обитания

Обычная среда обитания из научной фантастики, эффективная с точки зрения материи, представляет собой полый цилиндр или кольцо в космосе, которое вращается, чтобы имитировать гравитационное притяжение на его внутренней поверхности. Хотя для большинства целей эта искусственная гравитация действует точно так же, как мы привыкли на Земле, между эффектами Кориолиса в двух вращающихся системах будут заметные различия.

Эффекты Кориолиса на Земле отклоняют материю, движущуюся к полюсу (восходящую), на восток (направленную по вращению), а материю, движущуюся к экватору (нисходящую), на запад (противонаправленную). Одним из наиболее заметных последствий этого эффекта является образование циклонов. Эффект Кориолиса отклоняет ветры по кругу вокруг зоны низкого давления, что приводит к невероятно мощным штормовым системам.

Во вращающейся среде обитания самые большие эффекты Кориолиса будут наблюдаться вертикально (с точки зрения кого-то в среде обитания). На Земле этот вертикальный компонент эффекта Кориолиса называется эффектом Этвеша, но он недостаточно силен, чтобы преодолеть другие вертикальные силы, такие как гравитация и давление. В нашей вращающейся среде обитания вертикальный эффект Кориолиса или эффект Этвеша должен быть заметно сильнее и также будет отклонять движущийся воздух в циклы. Воздух, движущийся по направлению вращения, отклоняется вниз. Воздух, движущийся вниз, отклоняется против вращения. Воздух, движущийся против вращения, отклоняется вверх. Воздух, движущийся вверх, отклоняется назад. Это может создать ветровой цикл, такой же, как на Земле, который приводит к циклонам, за исключением того, что эти циклоны будут поворачиваться, чтобы стоять на краю. Эти вертикальные циклоны будут вращаться в направлении, противоположном вращению среды обитания.

Я хочу знать, могут ли такие вертикальные циклоны образовываться во вращающейся среде обитания.

Между нашими земными циклонами и этими предполагаемыми вертикальными циклонами есть несколько явных различий, которые, на мой взгляд, ставят под угрозу их существование. Основная проблема, которую я вижу, заключается в том, что вертикальный цикл будет претерпевать значительные изменения давления между большой и малой высотой. Не нарушит ли это цикл?

Какие еще факторы могут сделать эти вертикальные циклоны нереалистичными?

Предполагая, что осуществимость зависит от конкретных размеров среды обитания, вот соответствующие характеристики тора, которые я имею в виду:

Размеры:

Расстояние от центра трубы до центра кольца: 10 000 км.

Радиус трубы: 200 км

Вращаться:

Угловая скорость: ~0,005 об/мин

Тангенциальная скорость: ~5500 м/с

Центростремительное ускорение: ~3 м/с^2

Предположим, что любые другие аспекты мира, такие как атмосферное давление или состав, близки к земным.

Другая важная информация о среде обитания, обобщенная из предыдущего вопроса: самозатмевающееся орбитальное кольцо :

Среда обитания вращается вокруг солнца с осью вращения кольца, перпендикулярной плоскости его орбиты. Верхняя половина кольца прозрачна, поэтому она полностью освещена естественным образом. Кольцо сохраняет одну и ту же абсолютную ориентацию в течение года, что вызывает интересные сезоны, а также 2 затмения каждый год, когда одна сторона кольца затмевает другую.

Разница в давлении будет иметь наибольшее влияние на изменение температуры. Ожидайте образования облаков и конденсации по предсказуемым закономерностям; особенно если среда обитания жестко контролируется климатом. Самый эффективный (и самый дешевый) способ разрушить вихри — построить перегородки — высокие стены, исходящие из центра жилого дома. В качестве бонуса перегородки могут выступать в качестве структурно значимых спиц, снижая нагрузку на внешний корпус.
Я бы хотел, чтобы вы рассмотрели вопрос об удалении тега "жесткая наука". Несмотря на то, что это оправдано, проблема, о которой вы спрашиваете, чрезвычайно сложна для понимания и, похоже, не была хорошо изучена. Взгляните на этот ответ Space Exploration , чтобы увидеть, с чем вы столкнулись.
@StarfishPrime Я с удовольствием уберу тег точных наук, если вы считаете, что это препятствие для ответов. Я согласен, что проблема сложна, и мое собственное исследование не смогло найти авторитетного ответа, но я не думаю, что тег точных наук предназначен для того, чтобы требовать «правильных» ответов. Я просто хотел, чтобы ответы были хорошо аргументированы и обычно включали некоторые расчеты относительно различных задействованных сил. Спасибо за ссылку, так как это еще одна проблема, с которой я боролся.
Пример этого в современной художественной литературе: schlockmercenary.com/2013-03-30 . Это начало Книги 14: Разбитый ветер — Часть II: Банка, полная неба. В этом разделе представлена ​​чудовищно большая вращающаяся среда обитания, посвященная этому предмету.
@MikeNichols, к вашему сведению, научный тег на самом деле безжалостен. Он предназначен для того, чтобы заставить респондентов полностью доказать свою правоту цитатами, ссылками и математическими расчетами. Он дает более качественный ответ за счет количества — и если ни у кого на сайте нет опыта, чтобы предоставить эти данные, вы ничего не получите. «Хорошо аргументированный» не подходит под тег «жестокая наука» , и так и должно было быть. Хотя другие не согласились, IMO тег точных наук гарантирует, что ваш вопрос не может быть закрыт как POB, потому что ответы должны подтверждать себя (без мнений).
Как эта штука должна быть ориентирована на солнце? Нагревается и освещается напрямую? И ~3 часа на один оборот, верно?
@Karl Да, он вращается вокруг солнца, при этом ось вращения кольца перпендикулярна плоскости его орбиты. Верхняя половина кольца прозрачна, поэтому она полностью освещена естественным образом. Кольцо сохраняет одну и ту же абсолютную ориентацию в течение года, что вызывает интересные сезоны, а также 2 затмения каждый год, когда одна сторона кольца затмевает другую. Если вам нужна дополнительная информация, вы можете обратиться к другому вопросу, который я задал относительно этой конструкции: самозатмевающееся орбитальное кольцо.
Эта информация относится к вопросу.
Итак, я отказался от своего ответа; вопросы слишком сложны, и мой взгляд на них был слишком упрощенным. Я предложил награду, но я думаю, что это слишком сложно!
tbh Я думаю, что единственный способ получить ответ на этот вопрос — это обратиться к специалисту по вычислительной гидродинамике с вычислительной мощностью в несколько терафлопов, который решит проблему просто для развлечения.

Ответы (4)

Я думаю, что есть очень серьезная проблема с практичностью вашего окружения. Если я понимаю ваше описание, у вас есть тор с большим радиусом 10 000 км и малым радиусом 200 км, вращающийся достаточно быстро, чтобы создать примерно 1/3 g центробежной «гравитации» в объеме тора.

Но тогда вам нужно давление примерно в 1 атмосферу внутри тора. Атмосфера будет оттеснена к внешнему радиусу тора точно так же, как наша атмосфера притягивается к поверхности земным притяжением. Это приведет к перепаду давления с высотой, похожей на ту, что наблюдается в нашей атмосфере.

Используя барометрическую формулу для поверхностного давления 100 кПа (1 атмосфера), гравитационной постоянной г/3 и термически уравновешенной температуры 290 Кельвинов (23°C или 73°F), приблизительное давление как функция высоты будет P(h) ~ 100 000*exp(-0,000035h) кПа. В результате ваше атмосферное давление упадет примерно до половины атмосферы на высоте ~ 20 км и будет ниже, чем на вершине Эвереста к тому времени, когда вы подниметесь примерно на 30 км.

Это означает, что большая часть вашего тороидального объема будет пустым непригодным для жизни вакуумом. См. рисунок ниже для масштаба.

«Хорошая» новость заключается в том, что на практической глубине атмосферы изменение лучевой скорости составляет всего около 15-20 м/с. Этого должно быть достаточно, чтобы создать некоторую погоду и ветер, возникающие в результате сил Кориолиса, действующих на конвективное движение воздуха в атмосфере, но, вероятно, недостаточно для создания смертоносных штормов и т. д.

введите описание изображения здесь

Возможно, вам следует прочитать вопрос об исследовании космоса , связанный с комментариями к ОП. Искусственная гравитация во вращающейся среде обитания — это не совсем то же самое, что реальное гравитационное поле, и шкала высоты атмосферы вряд ли будет такой же, как на планете.
В торе (Rmaj = 10 000 км, Rmin = 200 км), как описано в вопросе, разница в искусственной гравитации между внутренней и внешней поверхностями тора составляет 4%. Но на ~20-километровой глубине жизнеспособной атмосферы изменение составляет всего 0,2%, что по совпадению почти идентично изменению g на глубине 6 км жизнеспособной атмосферы Земли (0,196%). Барометрическая формула является лишь приближением: изменения температуры, составляющих атмосферы и радиационного потока (помимо других эффектов) будут иметь гораздо большее влияние на давление в зависимости от высоты, чем очень незначительное изменение местного g.

Как отметил @Ash в комментарии, ячейки Хэдли - это эффект циркуляции воздуха, который необходимо учитывать и который играет огромную роль в циклонах и ураганах.

В основном ураганы образуются из-за разницы в давлении и температуре между разными воздушными потоками. Я не понимаю, как в вашем сценарии поток воздуха может нагреваться иначе, чтобы образовать циклон.

Конечно, если воздух движется внутри вашего полого цилиндра, эффект Кориолиса и эффект этвоса заставят его изменить направление, но почему он вообще должен двигаться?

тл;др; Нет такой вещи, как ураганы внутри трубы, если она нагревается равномерно

Чтобы перевернуть ваш последний вопрос, что заставляет вас думать, что ~8 миллиардов кубических километров воздуха во вращающейся среде обитания в космосе останутся совершенно невозмутимыми и будут вечно вращаться в одном направлении? Казалось бы, существует потенциальная петля обратной связи, которая может усиливать небольшие эффекты; Я не думаю, что вы можете просто отмахнуться от этого.
Кроме того, говоря о tl; dr, ОП рассказывает о среде обитания , вещах, которые не известны своей статичностью и удобной изотропностью. Я предполагаю, что вы (и другие) пропустили важный комментарий, оставленный ОП о характере среды обитания, поэтому я переместил его в основную часть самого вопроса.
@JJCV, эффект Кориолиса действует на уже существующие силы ветра, но сильно их ускоряет. По этой ссылке есть схема эффекта Кориолиса на шаре. Представьте себе, что шар почти не движется (потоки воздуха в торе были бы незначительными), а диск вращается во много раз быстрее. По мере того как мяч приближается к краю диска, он движется все быстрее и быстрее относительно диска. Точно так же Кориолиса здесь будет в основном круглая форма без особой формы спирали.
Редактировать: я должен был сказать, что «начальные потоки воздуха будут небольшими». Как только кориолис заработает, воздушные потоки перестанут быть слабыми.

Этот сайт дает отличное объяснение эффекта Кориолиса. Это прежде всего вызвано разницей в расстоянии от поверхности до оси земли между экватором и широтами на севере и юге.

Время заняться математикой. Воздух в верхней части тора будет двигаться со скоростью π Д р м , или π ( 10200 ) 0,005 километров в минуту. Результат примерно 160 километров в минуту.

Воздух снаружи тора будет двигаться со скоростью π ( 9800 ) 0,005 километров в минуту. Этот результат 154 километров в минуту.

Вы получите довольно мощный эффект Кориолиса. Разница в скорости воздуха в верхней/нижней части тора и на внешнем крае будет 6 километров в минуту. В переводе на часы это 360 километров в час.

Циклоны будут противоположностью урагану, с высокой скоростью ветра снаружи и низкой скоростью ветра внутри. Циклоны Кориолиса будут «сезонными». Это означает следующее: они не будут постоянными, а будут медленно раскручиваться до 360 километров в час, а затем сопротивление, вызванное другими циклонами, заставит циклоны снизить скорость ветра до небольшой или совсем без ветра. Это означает, что они имеют небольшое трение друг о друга и смогут вращаться обратно до 360 километров в час. Вот схема, помогающая понять, как будут выглядеть циклоны внутри тора:

введите описание изображения здесь

360 километров в час это 223,694 миль в час. Согласно Википедии , люди по краям циклона испытали бы следующее.

Невероятный урон. Крепкие, добротно построенные дома сровняли с фундаментом и снесли; критически повреждены сталежелезобетонные конструкции; высотные здания разрушаются или имеют серьезные структурные деформации; автомобили, грузовики и поезда могут быть брошены приблизительно 1 миля ( 1,6 км).

Действие силы Кориолиса на атмосферу вращающейся планеты сильно отличается от действия на содержимое вращающегося тора; сравнение не особенно полезно. Вы также предполагаете, что разница в тангенциальных скоростях регионов, удаленных друг от друга на 200 км, будет такой же, как и результирующие скорости ветра, которые они испытывают, что, по меньшей мере, несколько сомнительно.
Кориолис на планете был бы другим, потому что клетки Хэдли на планетах разрушали бы циклоны. Однако без ячеек Хэдли циклон Кориолиса сольется в один большой торнадо, уничтожающий все на своем пути.
Однако вы этого не продемонстрировали. Две точки, в которых вы измеряете скорость ветра, находятся на расстоянии 200 км друг от друга, и скорость ветра в этом регионе будет меняться плавно, а не резко. Вы также не можете сформировать «один большой торнадо», который каким-то образом заставит всю воздушную массу в торе вращаться в противоположных направлениях. Разбиение воздушной массы в трубе на множество смерчей тоже не кажется устойчивым; торнадо, вращающиеся в одном направлении, в конце концов, не могут столкнуться друг с другом, а вращающиеся в противоположных направлениях будут тормозиться силой Кориолиса.
Я добавил абзац описания и схему среды обитания. Я надеюсь, что это поможет прояснить ситуацию.
Ваша диаграмма не совсем полезна; он показывает, что оси вихрей либо тангенциальны, либо окружны слева, они вращаются в противоположном направлении справа, а их оси кажутся радиальными посередине. Вихрь, приводимый в движение силой Кориолиса во вращающейся среде обитания, вероятно, должен иметь свою ось, параллельную оси вращения. Вам, вероятно, понадобятся две диаграммы: круговой срез трубки и срез в форме пончика по всему кольцу.

Я так не думаю. Земля имеет открытую атмосферу, где газы подвергаются воздействию космоса, и ваш тор будет содержать всю атмосферу. Кроме того, если бы температура между центром и краем трубы была стабильной, то не было бы естественных мест, где скапливается давление воздуха.
Эффект Кориолиса на Земле вызван тем, что солнце нагревает воздух на экваторе больше, чем воздух к северу и югу от экватора. Горячий воздух поднимается и расширяется, путешествуя на север и юг. Остывая, он опускается, замыкая круг обратно на поверхность земли. Поскольку температура внутри тора предположительно постоянна, эти области воздуха с высоким/низким давлением не будут формироваться, а это означает, что эффект Кориолиса не произойдет.

Центробежная сила действует точно так же, как реальная сила во вращающейся системе отсчета, поэтому, если труба имеет радиус 200 км (предположительно, имея в виду радиус поперечного сечения трубы, поскольку говорят, что само кольцо имеет радиус 10 000 км), что должно быть достаточно большим, чтобы создать измеримую разницу давлений между «верхом» и «низом», согласно обсуждению на quora.com/Why-is-pressure-due-to-gravity-low-in-gas-container о давление газа в герметичных контейнерах в гравитационных полях
Эффективная гравитация кольцевой среды обитания составляет около трети земной нормы, что дает высоту около 25 км. Трубка имеет высоту 16 делений по шкале, поэтому верхняя часть будет находиться в эффективном вакууме. Технически он может не подвергаться воздействию космоса, но практической разницы нет.
Гм, это совсем не то, как работает эффект Кориолиса , это результат вращения Земли, а не солнечного нагрева. Однако вы точно описали клетки Хэдли как совершенно другого зверя.
Вертикальные циклоны во вращающейся космической среде обитания
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v