¿Cómo sería el clima en el hábitat de un asteroide?

La idea de ahuecar asteroides, hacerlos girar sobre su eje más largo y llenarlos con aire, agua y tierra es común en la ciencia ficción ( Rendezvous with Rama , o 2312 para obtener buenos ejemplos). Completamente encerrado, el asteroide es un microcosmos completamente autosuficiente. Debería verse algo como esto:

Representación artística de un asteroide hueco

Tengo curiosidad por saber cómo sería el clima en estos terrarios. Hay muchos factores que hacen que la atmósfera en un hábitat tan cerrado sea interesante, pero me gustaría centrarme en dos para hacer que esta pregunta sea tratable.

Primero, dado que la gravedad se crea a través de la fuerza centrífuga, varía mucho desde el borde interior del asteroide (1G) hasta el centro (0G). Esto significa que habría un fuerte efecto Coriolis. ¿Qué efectos tendría esto? ¿Alguna nube se movería constantemente en la dirección opuesta a la rotación de un observador en la superficie interna? La gravedad variable también significa que la presión atmosférica sería variable desde el eje de rotación hacia afuera. Suponiendo que el asteroide estuviera lleno a una presión de 1 atmósfera en la superficie, ¿cómo se calcularía la presión en el centro y qué efecto tendría la presión variable sobre el clima?

En segundo lugar, el volumen atmosférico total es pequeño (al menos en comparación con la Tierra). ¿Qué significa esto para el clima? ¿Es probable que los patrones climáticos sean menos aleatorios y más periódicos ya que no hay influencias externas?

A los efectos de la pregunta, el asteroide se gira de manera que el borde interior esté en 1G. En cuanto a las dimensiones del asteroide, longitud y radio, eso se lo dejo al lector. De hecho, estaría muy interesado en saber qué efecto tendría cambiar las dimensiones en el clima. La luz es proporcionada por una gran bombilla que se mueve de un lado a otro a lo largo de una guía a través del centro del asteroide creando un ciclo de día/noche de 24 horas. Al "amanecer" se enciende en un polo, luego se mueve a través del asteroide hacia el otro polo y se atenúa al anochecer hasta que alcanza el brillo de la luna llena. Luego regresa al poste de partida y comienza de nuevo. La luz es lo suficientemente brillante como para imitar un día completo en la Tierra y emite en el mismo espectro electromagnético.

¿Cuál es el tamaño y la forma del asteroide? Se parece a esto ? i.kinja-img.com/gawker-media/image/upload/s--2T56HGc---/…
Ah, no. Está cerrado al espacio. Más cerca de esto: visions2200.com/Images/SpaceHabitatAsteroid.jpg . Editaré la pregunta para incluirla.
Como una cúpula. Ya veo, y que talla?
Estoy interesado en cómo las diferencias de tamaño afectarían el clima, pero si desea un punto de partida, digamos, 100 km a lo largo del eje de rotación (polo a polo) y un diámetro de 50 km en su punto más ancho .
El clima en la Tierra está fuertemente impulsado por la redistribución del calor en un globo calentado muy desigualmente. En este caso... ¿de dónde viene su calefacción/refrigeración en este sistema? ¿Hay alguna diferencia entre la noche y el día en lo que respecta a la calefacción? ¿Hay un sol agregando energía a un extremo del asteroide y no al otro? Investigaré un poco, pero creo que el clima sería bastante negativo... las nubes podrían ser un remolino central interesante si hubiera suficiente calor/energía presente para acumular nubes, pero no estoy seguro de si habría gravedad en el centro para hacerlo caer.
Agregando a @ Duodécimo - . . . o de qué manera caería.
@ Duodécimo No había considerado la distribución del calor. Estaba tratando de mantener las cosas algo simplistas y vagas, pero ahora veo que eso lo hace más difícil. Actualizaré la publicación original con más información sobre calefacción y refrigeración.
Esto supone que los colonos eliminen por completo una gran cantidad de roca, etc., en lugar de reconstituirla en estructuras internas en las que no haya ningún espacio libre significativo.

Respuestas (3)

Aquí en la Tierra, la mayoría de los eventos relacionados con el clima ocurren en una capa de la atmósfera conocida como troposfera . Se encuentra desde la superficie de la Tierra hasta aproximadamente 20  kilómetros - en su punto más alto. Los asteroides pueden variar en tamaño desde unos pocos metros hasta 1 , 000  kilómetros , por lo que es muy probable que podamos encontrar uno que tenga un tamaño adecuado para esto. Elegiré uno sobre 500  kilómetros a través - Wikipedia , por cierto, afirma que solo 3 de este tamaño probablemente existan en el cinturón de asteroides.

Entonces, digamos que el asteroide no ha sido completamente redondeado por su propia gravedad. Se trata de 375  kilómetros largo en dos lados y 500  kilómetros de largo en el otro - algo así como una elipse. Esto significa que, asumiendo un espesor muy ligero, tiene una atmósfera efectiva 170  kilómetros alto en su punto más alto. A esta altura sobre la Tierra , estamos muy por encima de la atmósfera, porque hemos pasado la línea de Karman . Pero pretenderemos que hay una atmósfera en todas partes dentro del asteroide, porque cualquier gas tiende a esparcirse.

Entonces, habría una troposfera decente. Esto significa que podría haber tiempo. Aquí tenemos un problema, sin embargo. Las nubes están compuestas de gotas de agua, que solo alcanzan esa altura en primer lugar a través del ciclo del agua . Pero el agua líquida en la superficie de la Tierra solo se evapora debido a la radiación solar, que aquí no hay. Pero quizás, y este es un quizás bastante grande, los colonos han erigido grandes estructuras dentro del asteroide e instalado una fuente de calor artificial gigante para mantener el ciclo del agua en marcha. Problema resuelto.

La lluvia también sería interesante. Supongo que podría caer hacia el centro de masa, pero el terreno local también tendría una gran influencia. Para las nubes de baja altitud, me imagino que todavía caería al suelo. De hecho, supongo que el único lugar donde posiblemente no caería al suelo sería en el mismo centro de masa, donde hay un equilibrio extremadamente inestable. Eventualmente, la lluvia caerá.

Vamos a ver. ¿Qué otra cosa? Los relámpagos aún serían una posibilidad, y podrían ocurrir en distancias muy cortas, ¡así que ten cuidado! Los grandes sistemas de tormentas pueden o no formarse; depende de si la gravedad artificial es capaz o no de mantener una gran cantidad de agua líquida en la superficie. La humedad ayuda a las tormentas, por lo que, la mayoría de las veces, irán a donde haya agua. Podrían ocurrir huracanes, ciclones y otros desastres meteorológicos a gran escala , pero no estoy seguro de cuán probable sería.

Como dijiste,

¿Es probable que los patrones climáticos sean menos aleatorios y más periódicos ya que no hay influencias externas?

¡Yo pensaría que sí! Las nubes realmente solo pueden moverse en círculos. Y debido a que la fuente de calor artificial podría controlarse (¿sí?), tal vez los colonos podrían manipularla para mover las nubes en cierta dirección. ¡Podrían, hasta cierto punto, controlar el clima! Quizás otros aparatos en lo alto del "cielo" también podrían ejercer influencias para controlar el clima y mantenerlo regular. Las máquinas podrían sembrar nubes o liberar o capturar humedad. Sin embargo, creo que incluso sin esto, el clima sería regular. O estaría estancado, lo que no es bueno, o viajaría en bucles, dependiendo de en qué dirección soplara el viento (¿artificial?).

No estoy seguro de que esto responda completamente a su pregunta, pero espero que sea un comienzo.

Los gases calientes no se alejan de un centro de masa. Son desplazados por gas más frío debido a la mayor densidad de este último. El centro de masa generalmente no es útil aquí, ya que cuanto más cerca esté de un cuerpo esférico, menos efecto gravitacional notará en el interior (vea el Teorema de Shell). Además, el sistema está por definición dominado por la fuerza centrífuga. Tampoco estoy seguro acerca de este razonamiento para la estabilidad del clima; AFAIK, el clima es irregular debido a que es un sistema caótico (ver teoría del caos), no tanto debido a influencias externas irregulares.
No veo cómo se formarían las nubes cerca del suelo, ya que hay más gravedad cerca del suelo, y el aire frío más denso desplazaría al aire caliente menos denso. Por lo tanto, el aire caliente se alejará del suelo hacia el eje del asteroide. La lluvia, siendo más densa que cualquiera de las dos, aún caería hacia el suelo, sin importar dónde se colocara dentro de la estructura.
@MarchHo Mi razonamiento original había sido tratar el campo gravitatorio del asteroide como emanando puramente del centro de masa, y sin estar en ningún lado; en este caso, el aire frío se precipitaría hacia el centro. Sin embargo, creo que puede haber sido una falacia de mi parte. Admito que no tengo una buena respuesta, si es que hay alguna, para eso.
@MarchHo Eliminé esa sección por completo. Gracias por recordarmelo. Había olvidado el problema con él hasta ahora.
@Vandroiy Eliminé la sección sobre nubes. Solo tenía una lógica muy, muy débil, si no completamente incorrecta, que lo respaldaba. Gracias por el aporte; Me disculpo por no haberte respondido al respecto.
Creo que el tamaño original del asteroide no es relevante para el hábitat mucho más grande. Me gusta la idea de un asteroide rico en metales que se funde con un gran espejo y luego se infla como un globo. Creo que fue descrito por un ensayo de Asimov. Pensé que era un gran escenario para las historias.

Siendo realistas, no puedes tener un cilindro de aire giratorio realmente grande. El problema no es la fuerza de Coriolis sino la diferencia de velocidad del aire entre la superficie (considerable) y el centro (cero). Eso va a causar una gran cantidad de turbulencia. Si su hábitat es lo suficientemente grande, tendrá que hacer algo para evitar eso, digamos, barreras en varias altitudes. No tendrían que ser nada importante.

He considerado el problema de la turbulencia como resultado de diferentes velocidades del aire a diferentes altitudes, pero llegué a la conclusión de que no podrían existir debido a la conservación de la energía. A medida que el cilindro gira, seguramente habrá una gran cantidad de turbulencia, pero una vez que el cilindro gira, no veo cómo podría causar viento o turbulencia dentro del sistema sin que el cilindro disminuya la velocidad. No me parece correcto que el interior sellado de un cilindro giratorio pueda frenarlo, por lo que creo que en un sistema de estado estacionario no habrá turbulencia. ¿Quizás?
@MikeNichols La conservación de la energía no funciona así. Tiene razón en que la turbulencia ralentizaría el giro, y la energía resultante se perdería en forma de calor/vibración/etc. Es el paso que se estaba perdiendo. El giro se ralentizará gradualmente con el tiempo debido a eso y necesitará algo para girarlo nuevamente.
@TimB Solo como un experimento mental, si tomara una lata, la llenara con una mezcla de aire y agua y la empujara suavemente fuera de la ISS con un buen giro, ¿qué pasaría? ¿Crees que la rotación disminuiría gradualmente hasta que la lata dejara de girar?
@MikeNichols Eso dependería de lo que suceda con el aire dentro de la lata. Si el aire se congela en su lugar o simplemente gira suavemente, entonces no. Si el aire está turbulento en el interior como resultado del giro, entonces sí. El giro generaría turbulencia, que calentaría el aire, ese calor luego se irradiaría y la lata (muy gradualmente) disminuiría la velocidad.
Estoy pensando que solo habría turbulencia hasta que la atmósfera esté "en reposo" dentro del asteroide en rotación. Una vez que se logra eso, debe estar tranquilo a menos que se agregue energía. Piense en ello como un sólido.
@JoshBelmont No. No hay un estado estable.

¿Es un requisito difícil tener un agujero enorme de docenas de kilómetros de alto y largo?

Una solución más simple sería tener túneles y posiblemente pasillos de algunas docenas de metros de altura. Puede gestionar fácilmente el aire, la luz y la humedad mediante las tecnologías existentes. Y en el centro, cerca del eje, puede construir una fabricación que puede beneficiarse de la gravedad cero.

Dicha estructura también sería más fuerte y más resistente al ser golpeada por desechos espaciales.

¿Cómo sería el clima en el hábitat de un asteroide?
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