¿Es posible orbitar dentro de un gigante gaseoso?

Cuando hablamos de órbitas, a menudo imaginamos una nave o estación orbitando un planeta fuera de su atmósfera.

¿Es posible que una nave entre en órbita dentro de su atmósfera (quizás para esconderse de otras naves) o sería destrozada por la gravedad y la atmósfera del planeta?

He perdido muchos Kerbal en este esfuerzo.
@AaronLavers, mejor si vienen comprimidos dentro de una estación científica que tomó años ensamblar... pero después de todo, si puedes flotar dentro de esa atmósfera... eso no sería una órbita, así que olvídate de esto.
La mayoría de las respuestas aquí le dicen "no" porque combinan la velocidad orbital con la velocidad atmosférica. En principio, especialmente para un gigante gaseoso, no hay nada que impida que sean similares.
@imallett Si tiene una respuesta alternativa, publíquela como respuesta (en lugar de como comentario). Recuerde que los comentarios están destinados a solicitar aclaraciones o sugerir mejoras a la publicación a la que se adjunta el comentario.
@MichaelKjörling Ya hay 6 respuestas, de las cuales 5, incluida la respuesta aceptada, están sujetas a esta aclaración. (No es estrictamente un error, en sí mismo, ya que las condiciones en las que la velocidad atmosférica y la velocidad orbital son las mismas son probablemente raras, pero sigue siendo algo que los lectores del futuro deberían saber sobre prácticamente todas las respuestas).
@imallett entonces, si el planeta girara lo suficientemente rápido como para desgarrarse, una velocidad de aire razonable en la misma dirección en el ecuador sería una órbita.
@JDługosz No tendría que destrozarse. Las partículas de gas individuales tendrían suficiente energía cinética para una órbita baja , que es muy diferente de la suficiente para la velocidad de escape .
Otra nota: orbitar dentro de la atmósfera es muy factible dependiendo de la configuración exacta. Por ejemplo, la ISS orbita en la atmósfera superior, pero está por encima de la línea de Kármán, por lo que también está en el "espacio". Para objetos como Plutón, podría orbitar muy alto y muy lento y aún estar dentro de la mayor parte de la atmósfera sin mucho efecto.
Buen punto sobre la velocidad de escape. Empecé una nueva pregunta sobre mundos de alto giro.

Respuestas (6)

Perdería velocidad debido al arrastre y caída.

Si está empujando para mantener la velocidad, simplemente vuele como un avión y no intente orbitar. La velocidad hipersónica de la velocidad orbital sería llamativa de todos modos, no es una buena forma de esconderse.

¿Tienes alguna idea de qué tan rápida es la velocidad orbital? La órbita terrestre baja es de aproximadamente 17500 millas por hora. Imagina hacer eso mientras todavía tienes aire a tu alrededor. El calor de "reentrada" es causado por la presión del ariete: ¡imagínese eso todo el tiempo ! Ahora date cuenta de que alrededor de Júpiter la velocidad necesaria sería uno o dos órdenes de magnitud más rápida varias veces mayor: alrededor de 94200 millas por hora según lo estimado por Michael Kjörling.

Más bien dudo de mí mismo que la estimación sea precisa en más de dos cifras significativas como máximo , especialmente porque la cifra inicial (el valor de la velocidad de escape, v mi ) tiene una precisión de sólo tres cifras significativas y la v o el cálculo es sólo una aproximación para empezar. Sin embargo, la velocidad resultante ilustra muy bien la magnitud involucrada.

Como escribió JDługosz, lo que causará problemas en el escenario que describe no es tanto su órbita como el hecho de que se encuentra dentro de la atmósfera del gigante gaseoso .

Voy a usar Júpiter aquí para tener un gigante gaseoso específico para usar como ejemplo. Siéntase libre de buscar los datos relevantes para cualquier otro gigante gaseoso, o cree los suyos propios.

Para el caso que nos interesa, una masa pequeña que orbita alrededor de una masa mucho más grande donde el radio de la órbita es igual al radio del cuerpo más grande (simplemente sumergiendo los dedos de los pies en la atmósfera joviana), la velocidad orbital se puede aproximar como

v o ≈ v mi 2

La velocidad de escape de Júpiter es de aproximadamente 59,5 km/s, por lo que al sumergir los dedos de los pies en la atmósfera obtenemos una velocidad orbital de aproximadamente

v o ≈ 59   500   milisegundo 2 ≈ 42   100   milisegundo

Para dar una idea de lo increíblemente rápido que es esto, equivale a aproximadamente 152 000 km/h o 94 200 millas por hora. Te lleva entre la Tierra y la Luna en 2,5 horas . A mediados de 1976, un avión logró alcanzar los 3.530 km/h , que es aproximadamente 1/43 de la velocidad orbital al borde de la atmósfera de Júpiter. Lo mejor que hemos logrado en algo parecido a una repetición es alrededor de 2500 km/h , o 1/60 de lo que necesitarías.

A modo de comparación, las velocidades máximas del viento de Júpiter superan los 150 m/s . Si bien es un vendaval bastante fuerte, no se acerca a la velocidad orbital; según la estimación anterior, alrededor de 1/280 (y eso suponiendo que las velocidades máximas del viento se produzcan en las capas superiores de la atmósfera, lo que podría no ser el caso). Con una diferencia tan grande entre las velocidades orbitales y las velocidades del viento, podemos ignorar en gran medida las velocidades del viento a los efectos de esta pregunta; incluso en una situación perfecta, la velocidad del viento contribuirá con menos del 0,36% de la velocidad requerida. (Curiosamente, según la misma fuente, las velocidades del viento de Júpiter tienen un pico muy cerca del ecuador, lo que funciona bien para nosotros).

Dado que Júpiter tiene un diámetro ecuatorial de 142 984 km y que la circunferencia de un círculo es π d , 42,1 km/s da un período orbital (si se le puede llamar orbital) de 142984 π 42.1 ≈ 10   700   segundos o poco menos de tres horas. A modo de comparación, Wikipedia da el período de rotación sideral ("día") de Júpiter de 9,925 horas (una sombra sobre 9 horas y 55 minutos).

A modo de comparación, para entrar en una órbita terrestre baja razonablemente estable se necesita una velocidad de aproximadamente 7,8 km/s (correspondiente a un período orbital de unos 90 minutos ). Para ir a la Luna (que está bastante cerca de la velocidad de escape), necesitas unos 10,5 km/s con respecto a la Tierra. La velocidad real de escape de la Tierra es de 11.186 m/s. Compare Apolo por los números: Inyección translunar y mire particularmente las cifras de velocidad fija de la Tierra para las diversas misiones lunares.

Digamos que de alguna manera puedes dejar de lado el tema de la velocidad absoluta. (Después de todo, llegaste allí de alguna manera, y eso ya requiere bastante velocidad). Digamos también que tu nave es un cilindro perfecto, muy, muy largo, con una sección transversal delantera de 1 metro cuadrado, construido para soportar huracanes constantes . -velocidades del viento a nivel . Cada segundo te mueves a través de 42.100 metros de atmósfera. Eso significa que cada segundo, su nave deberá apartar 42,100 metros cúbicos de gases atmosféricos mientras mantiene su velocidad (al menos si planea permanecer a esa altitud). Wikipedia da la composición de la atmósfera de Júpiter como aproximadamente 89.8 ± 2.0 %   H 2 y 10.2 ± 2.0 %   Él . A pesar del hecho de que estos dos gases se encuentran entre los más livianos que se conocen, y que la densidad seguirá siendo baja a la altitud de la que estamos hablando, empujar más de 40,000 metros cúbicos de gas por segundo causará una gran resistencia .

Y eso, mi amigo, es lo que hará que su nave se caliente , pierda velocidad muy rápidamente y finalmente descienda a la atmósfera, arruinando su día .

Mi parte posterior del sobre fue que la velocidad a la que caigo es aproximadamente la misma (1 g), pero necesito viajar un orden de magnitud más lejos para caer alrededor del limbo del planeta.
¿Qué pasaría si un gigante gaseoso girara extremadamente rápido y tuviera una atmósfera difusa que se extendiera hasta cerca del punto donde la velocidad orbital no es mucho más alta que la velocidad de rotación? Obviamente, no habrá atmósfera hasta ese punto, ya que ese es el punto donde el material se lanza hacia el exterior. Rotar tan rápido lo acercaría más a un disco que a una esfera. Esto probablemente no sea plausible, ya que tener una presión atmosférica que mantiene una atmósfera cerca del límite es probablemente un equilibrio inestable, si es que existe algún equilibrio. Eyección o colapso gravitatorio.
@PeterCordes Los gases atmosféricos serían extremadamente difusos en ese punto, hasta el punto de que apenas podría argumentar que está en la atmósfera. (Recuerde, los satélites LEO Earth experimentan resistencia debido a la atmósfera de la Tierra, hasta el punto de que la ISS necesita refuerzos periódicos cada pocos meses para mantener su altitud). También tengo dudas de que un gigante gaseoso se mantenga unido en tales condiciones. Y, por supuesto, a menos que el vector rotacional se alinee perfectamente con el vector orbital, seguirás teniendo problemas.
Sí, por supuesto, esto solo funciona en el ecuador. Estoy hablando de una situación extremadamente diferente a la de la Tierra o Júpiter, donde la rotación es tan rápida que las capas más externas de la atmósfera están casi en órbita. La pregunta es si es posible, bajo cualquier circunstancia, tener una atmósfera no muy difusa moviéndose a solo un par de miles de metros por segundo por debajo de la velocidad orbital. Ciertamente es plausible que no haya forma de que esto sea estable, pero no es obvio.
@PeterCordes En ese momento, si los gases estuvieran casi en órbita, se desangrarían hacia el espacio debido a los vientos estelares.

Si bien JDługosz y Michael tienen respuestas científicamente correctas, creo que estamos pasando por alto algo aquí.

Si su nave espacial ficticia puede sostener el vuelo indefinidamente, puede entrar en la atmósfera y volar alrededor del planeta por su cuenta. Esto no es lo mismo que estar en órbita, ya que requiere maniobras motorizadas, sino más bien como volar un avión en la Tierra. Sin embargo, las condiciones de la atmósfera de los gigantes gaseosos que conocemos son muy diferentes a las de la Tierra, por lo que esto requerirá un poco de atención o una investigación más seria. Pero con tecnología suficientemente avanzada, esto sería factible en Júpiter.

XKCD tiene algo que decir al respecto:

Nuestro Cessna no puede volar en Júpiter; la gravedad es demasiado fuerte. La potencia necesaria para mantener un vuelo nivelado es tres veces mayor que la de la Tierra.

Si su nave espacial tiene aproximadamente el tamaño y el peso de un Cessna 172 Skyhawk, y puede proporcionar tres veces más empuje que ese avión, entonces (probablemente) puede volar de manera segura en Júpiter (solo tenga cuidado de no entrar en ninguna tormenta). Para barcos más grandes y pesados, solo es cuestión de aumentar la potencia según sea necesario.

Ahora podría decir que esto pone en duda otro problema, necesitará una aplicación continua de energía. Y si no tomará fuentes de energía renovable que pueda usar mientras esté allí, esta estrategia es pobre. De hecho, es por eso que quería estar en órbita en primer lugar: no quiere gastar combustible para mantener su nave volando dentro de esa atmósfera.

Bien. Simplemente abre uno o más globos. Por supuesto, es posible que necesite muchos globos realmente grandes, pero nuevamente ... Podría esconderse dentro de la atmósfera de un gigante gaseoso de Júpiter , mientras evita en gran medida caer en el núcleo del planeta. Solo tenga cuidado de evitar cualquier tormenta.

Editar: como señalaron JDługosz y Ross, un globo lleno de hidrógeno o helio en la atmósfera de Júpiter no flotaría, a menos que pudiera calentar estos gases para que estuvieran más calientes que la atmósfera circundante, e incluso entonces podría no ser lo suficientemente flotante. Es muy probable que esta idea del globo no funcione en los gigantes gaseosos de nuestro sistema solar... Sin embargo, sí funcionaría en un gigante gaseoso ficticio que tiene una atmósfera compuesta por elementos más pesados. Me inspiré en un videojuego (Windforge) en el que el mundo es un gigante gaseoso con una atmósfera de nitrógeno/dióxido de carbono/oxígeno, y el jugador y los NPC navegan a través de él en aviones y zepelines. Entonces... Algunas partes de agitar las manos y suspender la incredulidad pueden ser necesarias para que esta idea sea considerable.

JDługosz ya habló sobre volar a través de la atmósfera de manera similar a un avión. Eso no es ciencia espacial. (Ja ja.)
Sí, pero sugiere volar a velocidad orbital (que sería más kerbalístico que realista :D). Estoy sugiriendo un vuelo lento y regular todos los días en la Tierra en lugar de orbitar dentro de una atmósfera.
Dije "y no intentes orbitar" y no llames la atención con una velocidad tan alta.
¿ Globos llenos de qué en una atmósfera de hidrógeno? Lo único que flotaría sería hidrógeno caliente . Así que necesitas energía para tu globo aerostático de todos modos.
¿Vacío, mantenido inflado por una carga eléctrica increíblemente alta? No supongo que no.
@JDługosz gracias por llamar mi atención sobre los globos en un gigante gaseoso.
@RossPresser Y esa energía eléctrica viene... ¿de dónde?
@MichaelKjörling Estaba pensando que sería un costo de energía único, no uno continuo como un globo de hidrógeno caliente. Luego me di cuenta de que una envoltura cargada en una atmósfera se descargaría rápidamente...
En lugar de una carga eléctrica insana, ¿quizás una fijación de flujo superconductor? Pero esto no es de lo que se trata esta pregunta... Empecé una nueva al pasar el ratón por encima.
Si recogiera el hidrógeno como combustible, entonces el combustible prevalecería. Sin embargo, eventualmente usarías suficiente para crear un área de menor densidad, lo que te entregaría a una carrera con tecnología lo suficientemente avanzada. Serías invisible a la distancia.

Ocultar en órbita

Ocultar naves espaciales es realmente fácil porque el espacio es muy grande. Júpiter ya tiene muchos escombros en órbita, si orbitas con los escombros y apagas los motores y la radio, nadie notará otro escombro, especialmente si tu nave es de color gris oscuro y opaca.

Baje la calefacción y aísle bien para esconderse mejor en el infrarrojo, pero como las rocas se calientan con las mareas y las colisiones, incluso una nave espacial caliente no será evidente.

Europa tiene una temperatura superficial de alrededor de 50-110 K. Eso es bastante frío, incluso para el exterior de una nave espacial.
@MichaelKjörling Io, al otro lado, casi se está derritiendo...
Vea esta pregunta sobre cómo esconderse en órbita .
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Solo si de alguna manera pudiera hacer que el recipiente fuera inmune a la fricción de la atmósfera o permitiera que atraviese la materia. En el primero, probablemente tendría que continuar agregando algún tipo de propulsión.

No hay necesidad de esconderse de nadie si puedes superarlos :)
@DiligentKeyPresser Si va a permitir cosas como atravesar la materia, ¿por qué no construye su nave con materia oscura y la deja orbitar a través de cualquier cosa? Sin embargo, abordarlo podría volverse difícil.
Depende del tipo de tecnología que tengan los siguientes que impliquen fases y materia en fases también. :)

En pocas palabras, la diferencia entre orbitar y volar es la fricción causada por la atmósfera.

Cuando "orbitas", caes lo suficientemente rápido como para perder el suelo y lo suficientemente lento como para no alejarte en una dirección.

Volar usa la presión de la atmósfera y la velocidad a la que vas a generar sustentación.

Si fueras lo suficientemente rápido como para no tocar el suelo en la atmósfera, tendrías tanta fricción con esa atmósfera que disminuirías la velocidad y golpearías el suelo. El término generalmente se conoce como Air-Breaking. Puede ir lo suficientemente rápido como para "rozar" un poco la atmósfera, luego terminar con un aspoapsis más bajo, pero si permanece en la atmósfera demasiado tiempo, simplemente seguirá disminuyendo la velocidad.

Si aplica un empuje continuo, entonces está volando. Y su objetivo cambia de ir lo suficientemente rápido para perder el suelo, a lo suficientemente rápido para generar sustentación.

Así que no puedes orbitar dentro de una atmósfera. Sin embargo, en teoría, podría pasar de una órbita baja a un vuelo de gran altitud y luego volver a una órbita baja después de un tiempo. Sin embargo, sería bastante difícil en un avión espacial y desperdiciaría una TONELADA de combustible.

Frenar, no romper. Air-breaking suena como romper el viento: P
@PeterCordes ¿Qué tiene de malo romper el viento en lugar de frenar el viento? ;-)
¿Es posible orbitar dentro de un gigante gaseoso?
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