¿La atmósfera superior gira con la tierra?
Pregunta básica de la que debería saber la respuesta, pero lamentablemente no la conozco.
La atmósfera inferior debe girar con la tierra debido a la fricción, al menos en su parte inferior.
Pero, ¿qué hay de 30 millas hacia arriba? Allí los efectos de la fricción han desaparecido. ¿La atmósfera superior gira con la tierra? Si es así, ¿se queda atrás (de modo que si en el suelo nos movemos 360 grados / día, la atmósfera superior se movería 50 grados / día, digamos)?
Esta puede ser la pregunta más tonta que he hecho en todo el año, pero, francamente, nunca antes había pensado en la atmósfera superior, y mucho menos en su dinámica.
Gracias si puedes aclarar !!
Respuestas
Ciertamente una pregunta razonable.
Un modelo mental posiblemente útil es hacer girar un balde de agua de alguna forma. Inicialmente, solo girarán las capas de la superficie, pero cada capa transfiere el movimiento a la siguiente capa y, finalmente, la entidad de la masa gira en un estado estable.
De manera similar, con la atmósfera en escalas de tiempo geológico, la atmósfera está girando con la Tierra en un estado estable. Las escalas de tiempo humano, los detalles son mucho más complejos e interesantes, pero no son particularmente impactantes para los lanzamientos de naves espaciales en términos del cambio requerido delta V
Ciertamente hay impactos en el diseño y la trayectoria debido al hecho de que el cohete viaja a través del aire en movimiento cambiando la trayectoria de vuelo, y un cohete puede cruzar masas de aire en movimiento lo suficientemente rápido como para producir cargas laterales no triviales .
La atmósfera inferior debe girar con la tierra debido a la fricción, al menos en su parte inferior.
Eso es cierto, pero solo en la parte más profunda de la atmósfera de la Tierra, tal vez en los últimos milímetros. Después de todo, hay vientos. Los vientos alisios y los vientos del oeste predominantes (junto con el descubrimiento de cómo vencer al viento) dieron como resultado la "edad de la vela" de 300 a 400 años. Más arriba, el descubrimiento de las corrientes en chorro permitió a Japón lanzar globos que luego arrojarían bombas sobre las partes occidentales de los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial.
Lo que se puede decir es que la parte inferior de la atmósfera de la Tierra gira más o menos con la Tierra a medida que las velocidades con respecto a la superficie de los vientos alisios, los vientos del oeste predominantes e incluso las corrientes en chorro son pequeñas en comparación con la tasa de rotación. de la superficie de la Tierra con respecto a la inercia. La estratosfera y la mesosfera también tienen vientos en relación con la superficie, pero estos vientos son pequeños en comparación con los vientos en la troposfera.
Pero, ¿qué pasa con la atmósfera de las partes superiores? Los estudios realizados en la década de 1960 sugirieron que la termosfera gira en gran medida en comparación con la superficie de la Tierra. Estudios más recientes indican que este puede no ser el caso; modelar los vientos atmosféricos superiores es difícil. Lo que se sabe es que hay vientos verticales importantes en la atmósfera superior. La atmósfera superior se hincha cuando mira al Sol durante el día y se retrae cuando mira hacia la oscuridad del espacio durante la noche.
La atmósfera rotaría con la superficie de la Tierra pero hay 2 factores principales que la afectan:
efecto Coriolis
Si calcula a qué velocidades se movería cada bit de la atmósfera, encontrará la mayor velocidad en el ecuador y una velocidad cercana a 0 en los polos. En estas situaciones, la dinámica de fluidos dice que el aire comenzará a girar, creando vórtices. Esto conduce a huracanes en la Tierra y al gran vórtice estable de Júpiter.
Efectos de calentamiento solar, Westerlies
Solo citaré wikipedia aquí porque hace un buen trabajo al explicarlo:
Si la Tierra estuviera unida por las mareas al Sol, el calentamiento solar haría que los vientos en las latitudes medias soplasen en dirección a los polos, alejándose de la cresta subtropical. Sin embargo, el efecto Coriolis causado por la rotación de la Tierra tiende a desviar los vientos hacia los polos hacia el este desde el norte (hacia la derecha) en el hemisferio norte y hacia el este desde el sur (hacia la izquierda) en el hemisferio sur. [3] Esta es la razón por la que los vientos en el hemisferio norte tienden a soplar desde el suroeste, pero tienden a ser del noroeste en el hemisferio sur. [4] Cuando las presiones son menores sobre los polos, la fuerza de los vientos del oeste aumenta, lo que tiene el efecto de calentar las latitudes medias. Esto ocurre cuando la oscilación del Ártico es positiva y durante el invierno la baja presión cerca de los polos es más fuerte de lo que sería durante el verano.Cuando es negativo y las presiones son más altas sobre los polos, el flujo es más meridional, soplando desde la dirección del polo hacia el ecuador, lo que trae aire frío a las latitudes medias. [5]
En un mundo con una atmósfera perfectamente quieta, giraría con la tierra. Sin embargo, en el mundo real, el aire ascendente calentado por el sol se desplaza hacia el oeste porque la velocidad de la órbita requerida para permanecer en la misma posición con respecto al suelo aumenta a medida que gana altura. El efecto Coriolis es causado por el mismo fenómeno al moverse hacia el norte o el sur.
Es una pregunta razonable, una que encuentra su respuesta en el concepto de capa límite planetaria .
La Tierra en rotación, a través de sus diversas irregularidades en la superficie y en la topografía, arrastra la atmósfera. Esta transferencia de impulso vertical se vuelve cada vez más débil a medida que uno asciende en la coordenada vertical, hasta que a una altura de aproximadamente ~ 1 km la atmósfera ya no "siente" el suelo y uno alcanza la atmósfera de flujo libre.
El grosor exacto de la capa límite se modificará cuando haya montañas, que pueden superar fácilmente 1 km. Además, los movimientos turbulentos y la convección tienden a mezclar capas de diferente impulso y, por lo tanto, actúan para arrastrar la atmósfera. Una atmósfera de convección vigorosa tendrá una capa límite más gruesa. Si bien esto implica una transferencia de momento turbulento, que en general es un problema sin resolver en física, se ha avanzado en la comprensión de la altura de esta capa a través de medios semi-analíticos, como la ley del muro .
En la atmósfera de flujo libre inferior, el movimiento está gobernado por el módulo de masa del equilibrio geostrófico , el impulso y el calor inyectado por las circulaciones de Hadley . Más arriba, donde la atmósfera que fluye libremente está estratificada de manera estable, la atmósfera se comporta como la masa gaseosa de cualquier cuerpo gaseoso sin fondo, como los gigantes gaseosos.