Vientos predominantes en un hábitat espacial giratorio

Un hábitat de ciencia ficción común y eficiente en la materia es un cilindro hueco o un anillo en el espacio que se hace girar para simular la atracción de la gravedad en su superficie interior. Estos hábitats se han imaginado tan pequeños como una nave espacial, de meros metros de radio, hasta un mundo anular, de 1 UA de radio.

Digamos que tenemos un hábitat espacial giratorio diseñado para imitar la gravedad y la atmósfera de la Tierra al nivel del mar. Suponga que el hábitat ha estado girando durante el tiempo que sea necesario para alcanzar el estado de equilibrio que se pueda lograr. ¿El movimiento de rotación del hábitat generará vientos en su atmósfera? ¿En qué sentido prevalecerán, hacia el giro (con el sentido de giro) o contra el giro (en contra)? ¿Rodearán el anillo en una sola dirección o habrá vientos antiparalelos a diferentes altitudes?

Idealmente, las respuestas serían aplicables a hábitats rotativos de varios tamaños; sin embargo, si las respuestas varían mucho entre hábitats, utilice un anillo de 10 000 km de radio para la respuesta.

Editar: ha habido algunas preguntas anteriores sobre el clima en hábitats rotativos como el mío . ¿Cómo sería el clima en un hábitat de asteroides? y Weather on a mini-ringworld/Banks Orbital . Estas preguntas son bastante amplias ya que el clima es un tema complejo, por decirlo suavemente, y por lo tanto no eran muy fáciles de responder. Aquí he intentado reducir el enfoque de la pregunta a un solo aspecto del clima, el viento, con la esperanza de generar respuestas más completas.

@Aify Es gracioso que me digan que mi pregunta es un duplicado de mi propia pregunta de hace casi 4 años. Creo que parte de por qué esa vieja pregunta no generó muchas respuestas útiles es que era demasiado amplia. Intencionalmente he tratado de reducir esta pregunta para solo discutir el viento, que creo que es mucho más responsable y ciertamente no se cubrió en ninguna de las respuestas a la pregunta anterior.
Un tonto es un tonto. El último párrafo de la respuesta aceptada sobre esa pregunta incluye específicamente una línea que indica que dependiendo de la dirección en que soplara el "viento", el clima (por lo tanto, el aire y, por lo tanto, el viento) estaría estancado ("viento" moviéndose con el rotación) o viaje en bucles (contra la rotación).
10.000 km es más de 2 veces el radio de la Tierra. Eso es realmente grande .
@RonJohn, el ringworld de Larry Niven es realmente grande. En lo que respecta a las megaestructuras alienígenas, esto es solo una pelota de golf. 😝
@Aify Pero mi pregunta es "¿hacia dónde soplará el viento?" Obviamente, una respuesta que incluya la frase "dependiendo de qué lado soplara el viento (¿artificial?)". no responde a la pregunta de hacia dónde sopla el viento, ¿verdad? También está el problema más amplio de que HDE no parecía estar considerando que el hábitat del asteroide estaba rotando. Era una pregunta mal escrita que generó bastante confusión.
"Hacia dónde sopla", ¿importa? Mirando hacia un extremo del tubo, sopla de izquierda a derecha, mirando hacia el otro lado, sopla de derecha a izquierda, lo único que realmente importa es "sopla", que depende de "estás girando con o contra el viento" - algo que HDE parecía haber tenido en cuenta en su respuesta.
No estoy de acuerdo con que esto sea un duplicado. Mi respuesta solo habla brevemente sobre los patrones del viento y definitivamente no describe en qué direcciones se mueven. Utilicé la línea "O estaría estancado, no es algo bueno, o viajaría en bucles, dependiendo de la dirección en que soplara el viento (¿artificial?)", pero no digo explícitamente que el viento viajaría. en bucles. Era una conjetura, una conjetura sin fundamento, y realmente no se elaboró ​​con mucho detalle. No creo que mi respuesta allí responda a esta pregunta, por lo que no creo que esta pregunta sea un duplicado.
@ HDE226868 Supongo que si usted, el que responde, no cree que la pregunta haya sido respondida, entonces lógicamente se deduce que no es la misma pregunta. Me he retractado de mi voto cerrado.
¿El hábitat está completamente cerrado, como Rama, o abierto, como un Ringworld? ¿Es la misma configuración que en la primera pregunta vinculada?
@Upper_Case Digamos que está abierto como un Ringworld pero no tan grande. Me gustaría que fuera pequeño para que la velocidad angular cambie significativamente a medida que sube de altitud. En este caso, en base a su tamaño sería más como un Bishop Ring o un Banks' Orbital .
20,000 km de ancho es genial, pero ¿qué ancho tiene? El ancho del "piso" del anillo tendrá algunos efectos potenciales interesantes.
@Ash No incluí el ancho porque no pensé que fuera importante. Estaré muy interesado en saber qué efectos potenciales crees que tendrá. Digamos que el anillo tiene 200 km de ancho.

Respuestas (5)

La verdadera respuesta es que no sabemos, aunque podemos hacer algunas conjeturas.

Comencemos con los efectos de suelo; el rango de efecto de la topografía física pura en la atmósfera, sin incluir los efectos de calentamiento, es de solo medio kilómetro. En la Tierra, esto es puramente vertical, al igual que una serie de otros efectos de los que hablaremos, pero en una estructura tipo Ringworld los efectos también son horizontales debido a las paredes laterales que mantienen la atmósfera adentro. Así que cerca del piso y las paredes, el los vientos van a ser relativamente turbulentos, pero el patrón de viento predominante será una brisa suave que se opone al giro, ya que el aire es arrastrado por la topografía del suelo y las paredes, pero no se mueve tan rápido como el suelo. El suelo se moverá aproximadamente 10000 metro / s para suministrar 1 gramo de pseudogravedad, si el aire inmediatamente encima solo hace un promedio de, digamos 9990 metro / s los vientos locales podrían ser bastante fuertes debido al flujo turbulento, pero la masa de aire en su conjunto estará haciendo 10 metro / s , o 36 k metro / h , antigiro; aunque no estoy seguro de la magnitud, esperaría que ese fuera el caso.

Luego están los efectos del calor; el suelo del anillo estará más caliente que las paredes debido a los efectos del ángulo solar , esto creará un sistema de viento muy similar a una celda de Hadley con el centro del anillo como el ecuador/trópico y las paredes como la zona desértica subtropical. La razón por la que pregunté sobre el ancho del anillo es que a lo largo de millones de kilómetros, como el anillo de Niven, este efecto no sería tan singular, pero un anillo "estrecho" de 200 km verá una formación singular casi perfecta.

Efecto neto; los vientos de superficie van a ser turbulentos pero soplarán predominantemente desde el borde hacia adentro a lo largo del piso del anillo con un giro antigiro, similar al efecto Coriolis pero con menos desviación, los vientos de gran altitud serán bastante laminares y viajarán desde el centro del anillo hacia las paredes con una deriva cada vez más anti-giro a medida que ganan altitud. Las áreas de la pared estarán relativamente secas ya que la mayor parte de la lluvia caerá cuando el aire suba inicialmente cerca del centro del anillo.

Tenga en cuenta que esta respuesta asume paredes razonablemente verticales en lugar de una forma de cuenco suave, no estoy seguro de cómo sería eso, probablemente muy similar. También supone que el piso del ring es "plano", lo que no significa que sea particularmente suave, pero sin ningún perfil de ancho completo en forma de "^" o "v". No he incluido los efectos de un sistema Shadow Square en este modelo, puedo intentarlo, pero serán extremadamente complejos y variarán considerablemente según la duración proporcional del día y otras variables.

Excelente respuesta, sus suposiciones sobre la forma del anillo son todas razonables. Me preguntaba si había considerado el efecto de la rotación del sistema en las corrientes de aire frío y caliente ascendentes y descendentes. A medida que el aire cerca de la superficie del anillo se calienta y sube, tendrá una mayor velocidad de giro que el aire frío que desplaza, el cual, a su vez, tendrá una gran velocidad antigiro en comparación con el aire al que desciende. Creo que esto agregaría otra dimensión a sus celdas de aire teóricas que desvían el aire cálido ascendente hacia el giro y el aire frío hacia el antigiro.
Otro aspecto interesante de este modelo que podrías incorporar si quisieras es el efecto Eötvös. Esta es simplemente la idea de que los vientos girando serán efectivamente más pesados ​​que el aire "estacionario" y los vientos antigiro serán más ligeros. Los efectos son relativamente pequeños en la Tierra, pero me imagino que se magnificarían en el anillo que gira rápidamente.
@MikeNichols Con respecto a las diferencias de velocidad en el aire que sube y baja, creo que encontrará que, en comparación con la turbulencia introducida por la fricción de la tierra y la pared, y la forma en que los vientos de la superficie interactúan a lo largo de la franja central del piso del anillo, la temperatura se basa los efectos de mezcla se verían abrumados y oscurecidos por efectos más grandes. El efecto Eötvös puede magnificarse considerablemente, ya que Ω se duplica efectivamente, pero no estoy seguro de que el modelo del efecto Eötvös sea válido para la atmósfera en esta situación, sin contacto con el suelo en un mundo anular, las cosas se ponen un poco extrañas.
una gran respuesta, podría agregar una forma de tazón suave que probablemente haría que la celda de Hadley fuera más prominente ya que el gradiente de temperatura continuo ayudaría a estabilizarla más
@taylorswift Puede ser, pero creo que la diferencia relativamente baja en el ángulo de incidencia entre el piso y las paredes de un tazón en realidad actuaría para debilitar el efecto general.
No sé, la convección requiere una región fría para que caiga el aire ascendente. si todo el piso es plano, entonces toda la superficie está efectivamente caliente, salvo las regiones de sombra proyectadas por los muros de contención, suponiendo que sean lo suficientemente altos en relación con el ancho del anillo. pero dado que las áreas sombreadas se moverían, los patrones de circulación serían mucho más complejos
@taylorswift Las paredes en sí son mucho más frías que el suelo, reciben muy poca luz solar por metro cuadrado, enfriarán el aire que se acerca a los bordes. Hay una zona fría permanente a ambos lados del anillo.
"pero no se mueve tan rápido como el suelo" ¿Por qué no? En una estructura tipo Ringworld, toda la atmósfera se movería junto con la estructura. No hay fuerza para frenarlo, ¿verdad?
@endolith Fricción atmosférica, la base de la columna de aire es arrastrada por el terreno superficial, pero solo imparte energía a las capas superiores a través de colisiones de partículas que ralentizan la masa de aire en general.
@Ash ¿Quieres decir si estuviera (de alguna manera) cargado con aire mientras está parado y luego girara? Pero después de haber estado girando durante muchos años, todo el aire se moverá a la misma velocidad de rotación, ¿no? ¿Crees que hay alguna fuerza que frena las capas superiores?
@endolith Tendrías que girar el anillo antes de intentar agregar atmósfera más allá de un punto mínimo. No, el acto de acelerar el aire pierde energía debido a las colisiones de partículas constantemente, no puede hacer que toda la masa se mueva a la misma velocidad porque solo puede afectar una capa muy delgada cerca de la superficie. El acto de ascender a las capas superiores siempre eliminará la energía cinética del aire de convección a medida que se expande y se enfría.
@Ash Sí, entonces giras el anillo y luego agregas atmósfera, y la atmósfera gira con el anillo. No hay diferencia en la velocidad (rotacional) a diferentes alturas, y no hay fuerza que cause tal diferencia.
@endolith Esa declaración ignora por completo las realidades de la física rotacional. Dejando eso a un lado, solo la atmósfera que está en la zona de interacción topográfica directa en la parte inferior de la atmósfera recibe alguna energía de rotación y se disipa en turbulencia sin dirección a una velocidad dictada por el Número de Feigenbaum. Sin los efectos de las corrientes de convección, la mayor parte de la columna de aire nunca ganaría energía de rotación porque nunca estaría lo suficientemente cerca del suelo. El aire cercano al suelo en cualquier momento está ganando energía en relación con el de la altitud.
@Ash No necesita ninguna turbulencia ni circulación. Cada capa se acelera a la misma velocidad por la fricción con la siguiente capa debajo de ella. Después de un tiempo suficientemente largo (ignorando los efectos del calentamiento solar) cesaría toda circulación y turbulencia y el aire simplemente rotaría a la misma velocidad de rotación.
@Ash Para decirlo de otra manera, si comienzas con todo el aire girando a la misma velocidad de rotación, sin turbulencia ni circulación, y con la densidad correcta a diferentes altitudes ya en su lugar, ¿qué fuerza crees que existe que causaría? las capas superiores para reducir la velocidad?
@endolith No, simplemente no. El aire es un fluido que experimenta constantemente turbulencias a escala molecular (movimiento browniano) que ralentiza su movimiento neto en cualquier dirección con el tiempo. Los efectos de borde en un anillo giratorio completamente liso aún causarían un calentamiento por fricción donde el aire interactuaba con la estructura y perturbaba el flujo de aire. No se puede tener un entorno libre de turbulencias donde un fluido está en contacto con una estructura sólida que está en movimiento permanente.
@Ash No es diferente del aire completamente inmóvil sentado en la superficie de un planeta que no gira. El movimiento térmico será el único movimiento. No hay fuerza que cree turbulencia o convección sin una fuente de energía. En el caso de rotación, ¿qué fuerza crees que existe que haría que las capas superiores disminuyeran la velocidad?
@endolith Es completamente diferente, el movimiento del suelo afectará al aire directamente en contacto con él, más si hay topografía que si el suelo es completamente liso (porque la interfaz suelo/aire tiene una sección transversal mayor), la rotación , y el rozamiento que se produce entre el suelo en la base de la columna de aire, ES un aporte de energía; uno desigual que crea calentamiento y turbulencia. Las capas superiores se ralentizarán de varias maneras que he enumerado repetidamente y no estoy interesado en volver a hacerlo.
@Ash No hay movimiento del suelo en relación con el aire ...
@endolith Estás hablando del aire como si fuera un sólido homogéneo, no lo es , es un fluido heterogéneo en constante movimiento interno. Incluso si el cuerpo más grande de la atmósfera se moviera a la misma velocidad que el suelo del anillo, que no será tan detallado repetidamente, las moléculas de aire se mueven en todas las direcciones posibles todo el tiempo.
@Ash Sin una fuente de energía para crear convección, eventualmente se establecerá en un estado inmóvil (en relación con la rotación). Estamos hablando del cuerpo más grande de la atmósfera, no de las partículas individuales (que siempre están en movimiento térmico independientemente y lo cual es irrelevante). Mi afirmación es que toda la atmósfera se moverá al mismo ritmo que el suelo del anillo, ya que no hay fuerza que actúe en contra de su rotación. Creo que deberíamos preguntar esto en Physics.SE, ya que estos comentarios están dando vueltas en círculos (como la atmósfera)...
@Ash ¿Tiene más sentido para ti si el orbital tiene paredes? Por ejemplo, si tomas un cilindro y lo llenas con agua, y luego lo haces girar a una velocidad constante durante mucho tiempo, ¿crees que el agua en el medio no estaría girando junto con el resto?
@endolith Todavía estás hablando de un cuerpo de aire como un sólido uniforme, no una atmósfera activa, en flujo térmico, agitado por el terreno. El video muestra fluido en un disco giratorio plano, esta es la mezcla que podríamos esperar ver en un disco de Alderson, pero no tiene ninguna relación con el modelo sugerido. Las paredes hacen que su modelo libre de turbulencias sea aún más inverosímil.
@Ash Sí, estoy hablando de un cuerpo de aire en rotación uniforme de cuerpo sólido. Dije explícitamente que no hay convección térmica. El terreno o ningún terreno es irrelevante, ya que el aire es estacionario en relación con él. Los muros también son irrelevantes; Solo los estoy agregando para ayudar a su comprensión.
@endolith Estás hablando de algo que no existe, no puede existir, no en la naturaleza, no en el escenario de la pregunta, no en cualquiera sino en el más teórico de los modelos idealizados para gases ideales, todos los cuales afirman " esto no es una cosa real" en sus parámetros básicos.
@Ash ¿Qué parte de mi comentario crees que es imposible de existir?
@endolith El aire en contacto con un objeto sólido en movimiento generará turbulencia a menos que la reacción sea sin fricción, en cuyo caso, por definición , no se produce intercambio de energía. Usted está proponiendo un cuerpo de aire que se comporta sin fricción con respecto a la turbulencia mientras sigue acumulando energía cinética, no. También está proponiendo un cuerpo de aire que, dada su uniformidad de comportamiento, no debe tener presión ni gradiente de temperatura, pero se ve afectado por la fricción, para aumentar la velocidad y, por lo tanto, está adquiriendo energía térmica, y es una atmósfera que se desvanece al vacío. , un gradiente de presión, de nuevo no.
@Ash No hay turbulencia porque el aire y el objeto sólido están en movimiento juntos . En relación con su propio movimiento, el aire no está en contacto con un objeto sólido en movimiento. El movimiento relativo existía cuando se hizo girar por primera vez, pero toda esa energía turbulenta se ha disipado desde entonces. No, tendría un gradiente de presión como el que tiene nuestra atmósfera, más denso en la superficie del anillo y menos denso, desvaneciéndose en el vacío, más cerca del centro del anillo.
@endolith No, no lo son, el aire es un fluido, no actúa, no puede actuar como un bloque sólido, y tendría que hacerlo para lograr un movimiento homogéneo en la forma en que insiste en que de alguna manera lo hará.
@Ash Sí, en una escala macroscópica, los fluidos pueden actuar absolutamente como un bloque sólido. Después de un largo período de tiempo, cualquier energía de circulación o turbulencia se disipa, y el único movimiento es el movimiento térmico aleatorio de las moléculas individuales. en.wikipedia.org/wiki/Hydrostatics
@endolith No, puede modelar cuerpos de aire o agua como bloques sólidos bajo ciertas condiciones muy peculiares, por ejemplo, flujo laminar y movimiento adiabático, pero esas son situaciones altamente inestables que ocurren raramente y se descomponen fácilmente en estados sistémicos no continuos.
@Ash No, no es una "condición muy peculiar"; es el estado natural de un fluido. La hidrostática es la situación estable . Los fluidos que fluyen son "inestables", en el sentido de que todos los fluidos con flujo eventualmente se establecerán en equilibrio hidrostático , sin una fuerza externa que los mantenga fluyendo. Hice una simulación cruda del fluido y el anillo para ti: algodoo.com/algobox/details.php?id=232826 :D
@endolith Peculiar significa que tanto el flujo laminar raro como particular es que el movimiento adiabático es menos raro pero igual de particular. La frase clave allí es "sin una fuerza externa que los mantenga fluyendo". como una entrada continua masiva de energía cinética y térmica, ¿ese tipo de fuerza externa? Parece que ha creado una simulación que A. establece un punto final, y B. en realidad no hace nada, también ha creado una simulación que ignora la realidad de la situación sobre la que pregunta el OP.
@Ash No entiendo tu primera oración, ¿puedes volver a escribirla? "como una entrada continua masiva de energía cinética y térmica, ese tipo de fuerza externa" ¿Como qué? Un anillo giratorio en el vacío del espacio no requiere fuerza para mantenerlo girando. "Parece que ha creado una simulación en la que A. establece un punto final" No sé qué significa esto. "B. en realidad no hace nada" La simulación tiene un anillo giratorio y un fluido en el medio. A través de la fricción/colisiones, cada partícula del fluido finalmente girará hasta la misma velocidad de rotación que el anillo, en rotación de cuerpo sólido.
@Ash El fluido eventualmente alcanzará el equilibrio hidrostático, en relación con el anillo, y no habrá más flujo. Mis comentarios no se refieren a la pregunta de OP, se refieren a su respuesta: "sin incluir los efectos de calentamiento... el patrón de viento predominante será una suave brisa antigiro mientras el aire es arrastrado por la topografía del suelo... pero no se mueve tan rápido como el suelo" ¿Qué fuerza crees que está presente que impide que la atmósfera sea arrastrada exactamente a la misma velocidad que el suelo? Esa es mi pregunta fundamental. No veo ninguna razón por la que las velocidades difieran.

La convección es la respuesta.

Imagina que estás dentro de un automóvil, viajando a (solo para decir cualquier velocidad) 65 mph. Usted, su ropa, su asiento y (por supuesto) el aire dentro del automóvil viajarán a la misma velocidad: 65 mph. Y no sentirás ninguna corriente de aire en el interior a pesar de que vas rápido.

Si tienes un gas aislado dentro de un cilindro giratorio o un anillo (sin importar el tamaño), el gas girará a la misma velocidad que los otros objetos dentro del cilindro o anillo, por lo que no sentirás nada de viento. PERO (aquí viene lo interesante): lo que realmente provoca las corrientes de viento en la atmósfera son las diferencias térmicas . Y aquí va otra explicación:

Si su cilindro tiene una parte "nocturna" y una parte "diurna", la parte a la luz del día estará más caliente que la parte a oscuras. Por lo tanto, tendrá el primer "circuito de convección": el suelo caliente en el día calentará el aire cercano y el aire se elevará (como un globo aerostático), arrastrando el aire frío del lado nocturno. Si tiene agua involucrada (lagos, océanos), el agua actúa como un depósito de calor e incluye circuitos de convección adicionales en el circuito.

Y por supuesto están las ciudades. Las ciudades generan mucho aire caliente que va hacia arriba y crea corrientes de aire adicionales.

Y finalmente, ahora que tiene "aire en movimiento", entonces sí, su aire en movimiento se ve afectado por la rotación de su estación espacial de la misma manera que las corrientes marinas y de aire se ven afectadas por la rotación de la Tierra.

Cuanto más "realista" sea el modelo que desee que sean sus corrientes de aire, más variables deberá incluir en su modelo. Y, bueno... en realidad es una ciencia en sí misma. Pero puede tener un muy buen punto de partida definiendo sus regiones diurnas y nocturnas, y sus regiones acuáticas.

Una nota interesante (aunque no sé si cambiará su respuesta), pero el aire dentro de su automóvil de hecho se mueve (o chapotea) cuando acelera o desacelera . Puedes pensar en el aire como un líquido muy delgado. En un cilindro giratorio tienes aire cerca del eje que no se moverá, y aire cerca de la superficie que se moverá rápido, y junto con la convección creo que también podrías obtener algo de viento de las diferencias en estas capas. Por supuesto, el tamaño de la estación sí importa. Es posible que no notes este efecto en el Mundo Anillo.
Además, este efecto sería muy diferente en un anillo que en un cilindro. En un cilindro lleno de aire, tiene un punto en el medio donde las cosas no se mueven, y toda la superficie exterior sí. En un anillo cerrado, el techo también se estaría moviendo, por lo que el aire inferior y el aire superior serían arrastrados casi por igual. Esto también es diferente a un gran anillo abierto como Ringworld, donde no hay nada más que fuerza centrípeta que retiene el aire, pero aún no hay aire quieto en el eje, ya que el eje está en el vacío.
esto realmente no es una respuesta, aunque podría ser un punto de partida para una simulación que podría proporcionar la respuesta
@ AndyD273 Sin embargo, el hábitat giratorio no acelera ni desacelera
@endolith Eso fue solo para ilustrar que el aire chapotea. El punto era que vas a tener áreas de más o menos movimiento de aire, dependiendo de qué tan cerca estés del centro de rotación. Un anillo tendría menos de esto que un cilindro, ya que tiene piso y techo para arrastrar el aire, así como estructuras internas. Un cilindro tendrá eso cerca del "suelo", pero menos cerca del eje de rotación. Esto podría crear turbulencia y potencialmente viento.
@ AndyD273 El aire rotará con la estructura, sin importar cuán cerca o lejos esté del eje de rotación, ¿no?
@endolith ¿Alguna vez has participado en hacer un "remolino" en una piscina? Si no, es cuando consigues que un grupo de niños enérgicos naden alrededor de una piscina redonda hasta que el agua se mueve bastante rápido. Si tratas de moverte contra la corriente es muy difícil, pero si te mueves hacia el centro es muy tranquilo, casi sin movimiento. Si el aire se comporta de manera similar a un líquido muy delgado, entonces tendrá aire que se mueve rápidamente alrededor de los bordes y aire en calma hacia el centro. ¿Esto hará viento? no sé, ¿tal vez? Es al menos una buena hipótesis para probar.
@ AndyD273 Sí, el aire se mueve más rápido en el exterior que en el medio, pero todo se mueve junto con el aire, por lo que no hay viento.

Ejemplo con un cilindro O´Neill

Debido a que esta es una pregunta basada en la ciencia, tomemos un cilindro O´Neill estándar. Este fue un diseño de asentamiento espacial propuesto por el físico estadounidense Gerard K. O'Neill en su libro de 1976 " The High Frontier: Human Colonies in Space ". Puede encontrar más información aquí:
https://en.wikipedia.org/wiki/O%27Neill_cylinder

Este diseño es un cilindro con seis franjas a lo largo. 3 de ellos para asentamiento (tierra) y 3 de ellos como ventanas. Cada una de las ventanas tiene un espejo móvil que simula el ciclo día-noche. Hay mucha documentación sobre este concepto. En este enlace puedes encontrar un buen diagrama (también incluyo la imagen): https://www.artstation.com/artwork/28NNB
Colonia espacial ONeill

Y así es como puede verse desde el interior:ingrese la descripción de la imagen aquí

Esa colonia espacial, vista desde la parte superior del cilindro, se verá así:
ingrese la descripción de la imagen aquí

Y el sol entrará en la colonia espacial de esta manera (recuerda que los espejos se abren y cierran para simular el día y la noche):ingrese la descripción de la imagen aquí

Ahora, aquí viene la respuesta a la pregunta del viento:
las 3 franjas terrestres se calentarán con la luz solar directa y las 3 ventanas de vidrio estarán frías (al igual que la ventana de vidrio de tu casa cuando la tocas en un día muy frío). Espacio hace bastante frio cuando no le da el sol, y las ventanas deben ser transparentes para que entre el sol, por lo tanto, las ventanas estarán frías y la tierra caliente, eso crea el primer circuito de convección (los primeros vientos en tu cilindro):ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin embargo, el cilindro tiene que girar para generar gravedad. Y las partículas de viento (como se mencionó anteriormente en respuestas anteriores) rotarán más rápido en las posiciones alejadas del centro del cilindro, y sin movimiento en el eje a lo largo del centro del cilindro. Entonces, los bucles de las corrientes de viento sufrirán una ligera deformación como se muestra a continuación. Tenga en cuenta el efecto adicional de los 3 espejos en el centro del cilindro: los 3 espejos calentarán directamente el aire en el eje central. Entonces, sumando esto a las corrientes de convección, resultará en una región de aire caliente inmóvil en el eje central del cilindro.ingrese la descripción de la imagen aquíFinalmente, recuerde (y aquí viene el descargo de responsabilidad) nadie ha construido algo como esto (bueno, no en nuestro Sistema Solar). Así que realmente no podemos estar completamente seguros acerca de los vientos o cualquier cosa relacionada con el clima dentro de una colonia como esa (ni siquiera podemos predecir completamente nuestro propio clima aquí en la Tierra).

Las respuestas de Ash y boxcartenant afirman que habrá un viento constante en el hábitat, percibido como anti-giro por los residentes, debido a la "resistencia" contra el giro. Sin embargo, después de algunas largas conversaciones, estoy razonablemente seguro de que esto es un malentendido y agregaré mi propia respuesta:

Equilibrio termal

Tenga en cuenta que esto ignora los efectos térmicos de las estrellas cercanas , por lo que tiene un universo con radiación de fondo uniforme (para evitar que el fluido se congele), y gira un anillo, un cilindro o un toro con fluido dentro.

El toro es el más fácil, así que empezaré con eso:

Al principio, el fluido que toca la superficie será arrastrado junto con ella (debido a la condición de "no deslizamiento" ), y el fluido en el centro del tubo no lo hará (debido a la inercia). Tendrá el mismo perfil de velocidad parabólica que el flujo laminar fluido en una tubería:

Perfil de velocidad de flujo parabólico

Desde la perspectiva de alguien parado en el interior del tubo, esto parecería una "corriente en chorro" de viento en la altura central sobre sus cabezas.

Sin embargo, después de un período de tiempo suficiente en el que el tubo gira a velocidad constante, sin acelerar más, el impulso de la superficie se transferirá de las capas externas a las capas internas, y así sucesivamente, hasta que todo el fluido esté girando a la misma velocidad. la misma velocidad constante que el tubo. El fluido está ahora en equilibrio hidrostático , todo el hábitat en rotación uniforme de cuerpo sólido y no hay viento. Cualquier turbulencia o ciclo se desgastará y se disipará en calor. Este es el estado en el que permanecerá para siempre, sin ninguna interferencia externa.

Debido a la rotación, el fluido cerca de la pared exterior estará más comprimido que el fluido cerca de la pared interior, por lo que tendrá un gradiente de presión como el de la atmósfera terrestre.

En un hábitat de cilindro amurallado sucederá lo mismo, excepto que no hay una pared interna para arrastrar el fluido.

En un cilindro o anillo abierto, como un orbital de Banks, el fluido en el centro simplemente se alejará y se perderá, porque no hay paredes y no se adhiere a la superficie. Solo las partículas que chocan con la superficie serán arrastradas por ella.

Inicialmente, las partículas no giran, pero mientras tengan una velocidad de deriva distinta de cero, eventualmente encontrarán el anillo, que impartirá impulso a la partícula y luego la capturará.

Entonces no hay viento inherente solo porque el hábitat está rotando. Esto solo sucederá al girar hacia arriba o hacia abajo (como se describe en Rendezvous with Rama ).

no equilibrio

Si agrega una estrella cercana, por supuesto, los gradientes térmicos de los ciclos de la noche y el día provocarán nuevos flujos de fluido, en relación con la superficie.

Estoy mucho más confuso sobre lo que sucede en este caso. El efecto Coriolis actúa verticalmente en lugar de horizontalmente, por lo que no habrá ciclones o no tendrán una dirección de rotación preferida. Este efecto también puede causar un viento dominante, no lo sé.

Estoy de acuerdo con usted en que el sistema de equilibrio exhibirá un movimiento de cuerpo sólido o rígido en ausencia de efectos térmicos. Gracias por esa idea. Es un programa de simulación de física muy bueno. Creo que el efecto vertical de Coriolis causará un viento predominante con ciclos de viento desviado hacia abajo, viento hacia abajo desviado contra el giro, viento contra el giro desviado hacia arriba y viento hacia arriba desviado hacia el giro. Esto debería crear un viento prevaleciente contra el giro cerca de la superficie exterior del anillo, suponiendo que el efecto sea lo suficientemente fuerte.
@MikeNichols Sin embargo, no sé si el efecto Coriolis es tan fuerte. ¿Creo que la convección de la temperatura diurna y la temperatura nocturna será mucho más fuerte? ¿Y esto sucederá tanto al amanecer como al atardecer en direcciones opuestas? ¿Podemos contratar a un meteorólogo para responder a esto?
La magnitud de la fuerza de Coriolis es una función de qué tan rápido gira el mundo. Un anillo orbital gira mucho, mucho más rápido que la Tierra, por lo que su fuerza de Coriolis es mucho más fuerte. Como consecuencia adicional, la rotación más rápida conducirá a días y noches más cortos (del orden de horas o incluso minutos) y, por lo tanto, menos variación de temperatura y menos viento impulsado por convección entre el día y la noche. El aire caliente seguirá subiendo desde la superficie pero de manera más uniforme y será impulsado hacia el giro por la fuerza de Coriolis. Por eso creo que los vientos de Coriolis serán los predominantes.
@MikeNichols Estoy pensando en un orbital de Banks que gira al mismo ritmo que la Tierra y tiene el mismo ciclo día-noche
Ah, entonces sí, para un anillo del orden de millones de kilómetros de diámetro la fuerza de Coriolis sería mucho menos importante, pero para mis propósitos estoy tratando de representar algo más en la escala de decenas de miles de kilómetros de radio. . Aún así, es instructivo reconocer que las fuerzas de Coriolis y el calentamiento diferencial son una función del tamaño del anillo, gracias.

Suponiendo que se trata de un anillo abierto (es decir, sin techo), para que la atmósfera sea densa en el borde del anillo, los gases de la atmósfera tendrían que verse afectados por las mismas fuerzas centrífugas que simulan la gravedad, por lo que hay que estar dando vueltas con el aro. Además, siempre que haya alguna fricción u obstrucción en la superficie del anillo, arrastrará el gas con él. Entonces, en general, se sentirá como si no hubiera viento en la superficie.

Ahora, el aire más cercano al centro del anillo se verá menos afectado por la fricción y las obstrucciones en la superficie (además de tener una velocidad lineal más lenta). Si el anillo está abierto, la atmósfera superior no estará tan motivada para seguir el ritmo de la velocidad angular en la superficie, por lo que cuando las personas suban a una montaña alta, sentirán algo de viento en la dirección contraria al giro. (Se sentirá como viento para los observadores, pero el aire realmente tiene una velocidad angular más lenta).

Sin embargo, como dijo Carlos Zamora, cuantas más variables agregue, más realista será su modelo. Si tienes algún otro cuerpo en órbita cercana al anillo, su gravedad afectará las mareas y el viento; si tienes un ciclo día/noche, la temperatura afectará al viento; si tienes montañas, afectarán la forma del viento obstruyéndolo, y su gravedad afectará la presión barométrica allí; etc..

No estoy siguiendo completamente su argumento a favor de los vientos anti-giro a gran altura. Estoy de acuerdo contigo en que habrá muy poca fuerza actuando sobre el aire a gran altura para que mantenga el ritmo de la superficie del anillo. Sin embargo, para que tenga una velocidad anti-giro, debe haber alguna fuerza que actúe contra el viento, desacelerándolo, para contrarrestar la pequeña cantidad de fricción que actúa para acelerar el viento. De lo contrario, eventualmente, el sistema alcanza un equilibrio donde no habrá viento neto. ¿Qué es esa fuerza de "arrastre"?
La fuerza que actúa contra el viento es el hecho de que quiere moverse en línea recta, pero tiene que seguir cambiando de dirección para girar con el anillo. Esto significa que no puede mantener su propio impulso y siempre tenderá a disminuir un poco la velocidad.
"entonces la atmósfera superior no estará tan motivada para seguir el ritmo de la velocidad angular en la superficie" ¿Por qué no estaría? Tiene fricción para girarlo, y nada le impide girar.
@endolith ya que tiene que seguir cambiando de dirección (girando), tendrá una tendencia a disminuir la velocidad.
@boxcartenant Esa es la fuerza centrífuga que lo empuja hacia la superficie. No cambiaría su velocidad relativa a la superficie.
@endolith Correcto, pero siempre que entre en contacto con la superficie, rebotará, habrá una transferencia de impulso entre la superficie y el aire. Esta transferencia de impulso es lo que (estoy sugiriendo) provoca un cambio en la velocidad.
Pero eso es lo que lleva el aire junto con la superficie, ¿no? El aire simplemente se asentará en la superficie, rotando junto con él, como si se asentara en la superficie de un planeta y rotara junto con eso. Para alguien sentado en la superficie, no habría viento, solo presión atmosférica.
@endolith mira este video que comienza aproximadamente en el minuto 0:48 donde el balde gira con el agua teñida. El agua en el centro de la cubeta no gira tan rápido como el agua en el borde de la cubeta, por lo que si una persona estuviera de pie en la superficie interior de la cubeta y mirara hacia arriba, parecería que el aire alto se está moviendo hacia adentro. la dirección antigiro youtu.be/EQCzO4RfZAM?t=48
@boxcartenant Sí, si se hace girar un balde de agua estacionario, eso sucederá, pero luego de un período de tiempo suficiente girando a rotación constante, todo el balde de agua girará a la misma velocidad, como un "cuerpo sólido". . Podría ayudar pensar en un toroide lleno de fluido que está estacionario al principio y luego gira. Al principio, los bordes girarán y el centro no, con un perfil de velocidad parabólico, debido a la condición de "no deslizamiento", pero después de un tiempo de rotación a velocidad constante, el centro también lo alcanzará.
@endolith ¿No sería solo, en el mejor de los casos, acercarse asintóticamente a ese estado? ¿Y solo si no hubiera otros cuerpos en el balde que se movieran de otra manera e interrumpieran el flujo (por ejemplo, residentes de la estación)? Y, siendo un contenedor de gas extremadamente grande, ¿no se necesitaría un tiempo extremadamente largo para alcanzar ese estado desde el reposo, incluso si las condiciones fueran perfectas para ello? Si construyéramos un mundo de anillos hoy y lo dejáramos deshabitado (sin obstrucciones variables), el núcleo de la Tierra dejaría de girar primero.
@boxcartenant Si es asintótico, cuando el "viento" se vuelve más pequeño que el movimiento térmico de las partículas, creo que no hay diferencia. La interrupción del flujo debería ser irrelevante, eventualmente se establecerá en una rotación de cuerpo sólido independientemente de la turbulencia. No sé sobre los requisitos de tiempo; No he hecho cálculos fluidos desde la universidad. :) Sin embargo, para un mundo anular u orbital abierto, el fluido ya debe estar acelerado para moverse junto con la superficie o simplemente se desplazará hacia los lados y escapará al espacio.
Vientos predominantes en un hábitat espacial giratorio
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