Consideremos un cilindro de O'Neill con un radio de 3,2 km y una longitud de 20 km. En el diseño clásico de O'Neill, tenemos tres grandes ventanas alineadas con el eje en el caparazón, alternando entre correas de superficie habitable. Las ventanas proporcionan luz y presumiblemente afectan considerablemente la transferencia térmica.
Antes de que empecemos a girar, bombeamos el volumen interior lleno de aire respirable. Creo que O'Neill propuso 1/2 atmósfera, 20% de presión parcial de O y 30% de N, pero no tengo mi copia de High Frontier a mano en este momento.
Asumiremos que los diseñadores del hábitat instalaron los espejos y el sistema de enfriamiento necesarios para mantener un ambiente de mangas de camisa lo más cómodo posible.
Hacemos girar el cilindro a ~0,5 rpm para producir 1 g de aceleración centrípeta en la superficie interna y luego esperamos a que todo alcance algún tipo de estado de equilibrio.
La velocidad tangencial en el radio exterior es de ~630 km/h (casi 400 millas/hora), mientras que en el eje es nula.
Debido a que la gravedad de giro es ficticia , la aceleración solo se imparte a la atmósfera mediante interacciones de fricción con la superficie interna del cilindro. Supongamos que no es liso, pero está poblado de edificios bajos (probablemente de dos o tres pisos, como máximo), árboles pequeños, personas, etc.
Entonces, cerca de la superficie interna, tienes el borde exterior de un vórtice de atmósfera que gira a ~ 400 mph, y un ojo relativamente tranquilo en el eje.
Sin embargo, hay muchas rarezas en este vórtice. Lo imagino como un batido en una licuadora, excepto que toda la licuadora está girando, con paletas que se extienden desde las paredes de la licuadora en lugar de una cuchilla en un extremo.
Debido a que no hay gravedad verdadera, las moléculas de aire simplemente están colgando en el espacio hasta que interactúan con la superficie interna y se les imparte una velocidad tangencial. El borde exterior del vórtice terminará moviéndose aproximadamente a la misma velocidad tangencial que la superficie interior, por lo que al igual que no nota que el aire de su automóvil se mueve con usted a 60 mph, los residentes no deberían molestarse por super- vientos por la fuerza del huracán. Pero si consideras cómo funcionan las trayectorias balísticas en este sistema, creo que habrá la sensación de una brisa constante "hacia abajo"/giratoria a medida que la masa acelerada de aire se encuentra con la curva del suelo.
Luego tenemos que considerar la transferencia térmica y la convección, pero nuevamente, la gravedad es ficticia, así que no estoy seguro de que podamos pensar en este sistema de la misma manera que pensaríamos en la atmósfera de la Tierra. Normalmente, pensaría en el aire caliente que sube y el aire más frío que se hunde , pero sin gravedad real, eso se va por la ventana.
En cambio, tiene la interacción friccional en el borde exterior de la atmósfera que imparte velocidades lineales a las masas de aire. Si se aplica la analogía de la licuadora, creo que habrá una cantidad significativa de diferencia de presión entre el eje y el radio exterior, pero no tengo idea de cuánto.
Entonces, debido a la diferencia de presión, todavía tendría aire caliente "ascendiendo" a medida que el sistema de mayor presión busca un entorno de menor presión, y creo que tendría masas de aire más frío "hundiéndose" nuevamente en el radio exterior de mayor presión. , con todas las extrañas desviaciones aparentes que obtienes en un marco de referencia giratorio: cualquier cosa que se mueva hacia adentro o hacia afuera del eje parecerá desviarse en dirección contraria al giro.
Luego está la cizalladura del viento a tener en cuenta: pasar de un eje teóricamente tranquilo a vientos de 400 mph en el radio no será una broma.
Entonces, entre masas de aire más densas y frías que se desvían en dirección contraria al giro a medida que salen del eje, y esa brisa constante hacia el giro de las aceleraciones lineales por fricción en el nivel de la superficie, definitivamente parece que al menos vamos a tener un movimiento giratorio y brisas antispinward en la superficie. ¡A menos que tenga algún signo invertido en mi modelado mental muy provisional! :)
En cuanto a las entradas térmicas, tiene insolación radiativa a través de las ventanas, tiene transferencia de calor conductiva a través del caparazón y tiene calor generado por la fricción entre la atmósfera y las paredes internas, edificios, árboles, etc. (En otra pregunta, Carlos Zamora sugiere sistemas convectivos que se desarrollan entre las ventanas y las correas de tierra, pero es posible que no esté tomando en consideración el "efecto mezclador"...)
Mi pregunta: ¿cómo será este loco sistema climático, experiencialmente, para los humanos en mangas de camisa que viven en la superficie? Ciertamente va a haber una cizalladura del viento loca a medida que se mueve del eje al radio (creo que no hay planeadores humanos en este escenario, y no hay nubes blancas esponjosas). Creo que la superficie sería habitable, aunque siempre hiciera buen tiempo para volar cometas.
Cuanto más difícil sea la ciencia a la que pueda apelar en la respuesta, mejor, pero no creo que nadie haya estudiado esta pregunta con mucho rigor, así que felizmente tomaré vuelos de fantasía e imaginación también. :D
He leído todas las discusiones que pude encontrar sobre atmósferas en uno de estos artilugios. Veo muchas pistas sugerentes, muchas suposiciones cuestionables, pero ninguna respuesta clara:
hard-science
y, por lo tanto, no recibe mucha ayuda debido a la falta de una investigación exhaustiva.Actualización: @Matthew hace un buen comentario sobre la convección: son solo varias densidades de gas que buscan un equilibrio. Cuando estaba preparando la pregunta por primera vez, me extrañaba cambiando entre los dos marcos de referencia y considerando la transición del reposo al giro. A medida que el hábitat alcanza su velocidad angular objetivo y el contenido llega al equilibrio, las velocidades se transfieren de las paredes a los gases cercanos a través de la fricción, y luego se activan hasta que todo lo que está cerca de las paredes se mueve de manera relativamente ordenada junto con las paredes, por lo que todo cerca de las paredes está actuando más o menos como si estuvieran bajo la gravedad, con corrientes de convección y las nueve yardas enteras.
En general, obtendrá los efectos de convección y Coriolis del movimiento del aire tal como lo haría en una superficie planetaria giratoria. La mayor diferencia, en relación con Coriolis, es que el eje de rotación es paralelo al suelo y hay una gran diferencia de velocidad en un rango de altura relativamente pequeño.
En la Tierra, el efecto Coriolis en una fuerte corriente ascendente cerca del ecuador es insignificante, porque estás elevando el aire quizás un kilómetro, con un radio inicial de 6400 km y una velocidad de rotación de 24 horas. En su cilindro O'Neill, está levantando aire un kilómetro desde un radio inicial de 3,2 km y una velocidad de rotación de medio minuto, así que, como observa, hay una diferencia de alrededor de 200 km/h en la velocidad de rotación del suelo al 1 km de altitud.
Entonces tienes miles de veces el efecto Coriolis que tendrías en la Tierra. ¿Producirá eso tornados cada vez que el suelo se caliente un poco más que el eje?
Probablemente no.
¿Por qué? Una corriente ascendente nunca logrará acumular suficiente impulso para convertirse en un torbellino (horizontal); comenzará a girar hacia el giro casi instantáneamente. En su lugar, obtendrá pequeños remolinos, seguramente nada más grande que un remolino de polvo menor (de un metro o dos de diámetro y un par de m/s de velocidad de rotación), y para una persona en el "suelo" pueden ser perceptibles solo como una ráfaga de viento que sopla tu cabello hacia un lado y las piernas de tus pantalones hacia el otro. Al final, el aire aún puede subir, por lo que puede desarrollar nubes y lluvia (suponiendo suficiente humedad y diferencia de temperatura sobre la altura), pero no obtendrá violentas tormentas de Coriolis porque hay demasiado efecto de Coriolis.
En la Tierra, hay una diferencia de 1656 km/h en una distancia de 10 000 km entre la rapidez con que se mueve el aire en los polos y la rapidez con que se mueve en el ecuador. Debido a que está tan disperso, la transparencia es tan pequeña que este efecto Coriolis solo se nota a escala global. En su cilindro O'Niell, tendrá una diferencia de 630 km/h en las velocidades del aire entre el centro y el perímetro, pero esa diferencia de velocidad solo se distribuye en 3,2 km. Esto significa que su efecto Coriolis es unas 1200 veces más pronunciado que en la Tierra, pero la naturaleza de cómo funciona un cilindro de O'Niell hará que esta cizalladura del viento adicional quede en cero para el observador en la mayoría de los casos.
La razón por la que los vientos huracanados/tornados son tan peligrosos no es porque sean rápidos, sino porque se mueven a una velocidad diferente a la nuestra. Supongamos que construyes una torre de 1 km de altura dentro del cilindro de O'Niell. La base se moverá a 630 km/h y la parte superior se moverá alrededor de un círculo más pequeño; por lo tanto, solo se moverá a 433 km/h. Por cierto, la velocidad del aire en el suelo será de unos 630 km/h, y el aire a 1 km también será de unos 433 km/h; por lo tanto, no experimentará un cambio en la velocidad del aire en relación con la suya a medida que sube. Las únicas entidades dentro del cilindro que experimentarán esta fuerza serán cualquier cosa que flote libremente y que aún no se haya sincronizado con la rotación del cilindro.
El único viento aparente que obtendrá será de lo que sea, ya sea que los patrones estén formados por el calentamiento y enfriamiento externo del cilindro, lo que resulta en corrientes ascendentes a través del gradiente.
Realmente depende de qué tan caliente esté el piso. Si la estructura absorbe y transmite mucha energía estelar hacia el interior en forma de calor a nivel del suelo, entonces va a haber mucha convección y tormentas eléctricas, etc., que la acompañan. Si introduce relativamente poco calor directamente a nivel del suelo, pero principalmente calienta la atmósfera de arriba hacia abajo, utilizando lo que yo considero como el diseño de "filamento central" (según Rama de Arthur C. Clarke), entonces tiene mucho más control sobre la longitud de onda de emisión y su interacción con el paisaje interno y puede crear un clima menos violento.
Pensar en licuadoras me hizo pensar en tornados.
Si consideramos los tornados más grandes registrados, el tornado de El Reno de 2013 tuvo 4,2 km de ancho con velocidades máximas del viento de 302 mph. Un cilindro O'Neill con esas especificaciones solo produce una aceleración de 0,4 g.
Con un cilindro de O'Neil, literalmente estamos hablando de embotellar un supertornado y vender lotes en las paredes de la tormenta. 🤯
Por supuesto, debido a que los lotes y las personas que viven en ellos se mueven con la tormenta, todo marcha sobre ruedas. ¿Tal vez?
Al examinar las características de los tornados y mesociclones , podemos comenzar a hacer algunas suposiciones interesantes para el constructor de estas monstruosidades.
La comparación es complicada, por supuesto, ya que es difícil separar los efectos de las interacciones entre un tornado y la atmósfera más grande. (Es más fácil separar los efectos de las interacciones con el suelo, ya que se han observado muchos tornados en el aire, con distintas características).
Actualización para aclarar : Al igual que con cualquier cosa relacionada con los marcos de referencia giratorios, se trata de su perspectiva. La buena noticia es que, como mencioné, los residentes se están moviendo con la tormenta, por lo que la experiencia de la superficie interior es probablemente más similar a la de un día ventoso de otoño. El peligro de un tornado está en cómo el vórtice interactúa con objetos estacionarios en el suelo, es decir, en un marco de referencia inercial diferente . Hemos capturado este vórtice en una botella, pero sigue siendo un vórtice, por lo que compararlo con los tornados en el aire es un ejercicio útil. /Actualizar
Las características potenciales más importantes para un residente en la colonia podrían ser:
Algunos efectos no obvios muy interesantes del escenario, útiles para los narradores, pero quizás menos útiles para las visiones idílicas de O'Neill y Bezos. :)
También estoy interesado en los efectos en el eje. Las viejas historias sobre los cilindros de O'Neill están llenas de personas que vuelan con alas, etc. en caída libre en el centro. Un libro que leí incluso tenía una montaña en un extremo que podías escalar hasta el eje. Parece que volar podría funcionar, tal vez con oxígeno, pero no te acerques demasiado a las paredes del vórtice de 400 mph. ¡Y cuidado con los relámpagos!
computadoracarguy
David
science-based
etiqueta sigue siendo demasiado restrictiva para lo que estoy tratando de llegar?computadoracarguy
science-based
debería darte respuestas decentes. Es probable que la etiquetahard-science
le proporcione respuestas malas/pocas con muchos argumentos, por lo que creo que es bueno evitarla. Ir sin ningunascience
etiqueta le dará muchas conjeturas, suposiciones, "tal vez" y algunas buenas respuestas. En mi opinión, está listo para comenzar, incluso si no obtiene las respuestas que está buscando. Personalmente, IDK si alguien ha investigado grandes masas de aire en un cilindro enormemente grande. Debería ser interesante si alguien más ha oído hablar de tal investigación.David
mateo
David
PC Man