上層大気は地球と一緒に回転しますか？
答えを知っておくべき基本的な質問ですが、残念ながらわかりません。
下層大気は摩擦のために地球と一緒に回転しなければなりません---少なくともその底部。
しかし、30マイル上はどうですか？そこでは摩擦の影響はよくなくなっています。上層大気は地球と一緒に回転しますか？もしそうなら、それは後ろに引きずりますか（地上で360度/日移動すると、代わりに上層大気が50度/日移動するようになります）？
これは私が一年中尋ねた最もばかげた質問かもしれませんが、私は率直に言って、これまで上層大気について考えたことはありませんでした。
はっきりさせてくれてありがとう!!
回答
確かに合理的な質問です。
おそらく有用なメンタルモデルは、バケツの水を何らかの形で回転させることです。最初は表面層のみが回転しますが、各層は運動を次の層に伝達し、最終的には質量のエンティティが定常状態で回転します。
同様に、地質学的時間スケールにわたる大気と同様に、大気は定常状態で地球とともに回転しています。人間の時間スケールの詳細ははるかに複雑で興味深いものですが、必要なデルタVを変更するという点で、宇宙船の打ち上げに特に影響を与えることはありません。
ロケットが飛行経路を移動する移動する空気を通って移動しているという事実のために、設計と軌道に確かに影響があり、ロケットは移動する気団を十分に速く横切って、取るに足らない側面 荷重を生成することができます。
下層大気は摩擦のために地球と一緒に回転しなければなりません---少なくともその底部。
それは真実ですが、地球の大気の最下部、おそらく最後の数ミリメートルでのみです。結局、風が吹いています。貿易風と偏西風（風に打ち勝つ方法の発見とともに）は、300年から400年の長い「帆船時代」をもたらしました。ジェット気流の発見により、日本は第二次世界大戦中に米国西部に爆弾を投下するバルーンをロフトすることができました。
貿易風の表面、偏西風、さらにはジェット気流に対する速度が回転速度に比べて小さいため、地球の大気の下部は地球とともに多かれ少なかれ回転していると言えます。慣性に関して地球の表面の。成層圏と中間圏にも地表に比べて風がありますが、対流圏の風に比べると風は小さいです。
しかし、最上部の雰囲気はどうですか？1960年代の研究は、熱圏が地球の表面と比較して超回転することを示唆しました。最近の研究では、これは当てはまらない可能性があることが示されています。上層大気の風をモデル化することは困難です。知られていることは、上層大気にかなりの垂直風があるということです。上層大気は、昼間は太陽に面するにつれて膨張し、夜間は宇宙の暗闇に面するにつれて収縮します。
大気は地球の表面と一緒に回転しますが、それに影響を与える2つの主要な要因があります。
コリオリ効果
大気の各ビットがどの速度で移動するかを計算すると、赤道で最大速度、極でほぼ0の速度がわかります。これらの状況では、流体力学は空気が回転し始め、渦を発生させると言います。これは、地球上のハリケーンと木星上の大きな安定した渦につながります。
太陽の加熱効果、偏西風
ウィキペディアはそれを説明するのに良い仕事をしているので、ここで引用します：
地球が太陽にきちんと固定されている場合、太陽熱は亜熱帯の尾根から離れて、中緯度を横切る風を極方向に吹きます。しかし、地球の自転によって引き起こされるコリオリ効果は、北半球では北（右）から東に、南半球では南（左）から東に極方向の風をそらす傾向があります。[3]これが、北半球を横切る風が南西から吹く傾向があるのに、南半球では北西から吹く傾向がある理由です。[4]極の圧力が低くなると、偏西風の強さが増し、中緯度を暖める効果があります。これは、北極振動が正の場合に発生し、冬の間は極付近の低気圧が夏の間よりも強くなります。それが負で、極全体の圧力が高い場合、流れはより子午線方向になり、極の方向から赤道に向かって吹き、冷気を中緯度に運びます。[5]
完全に静止した雰囲気の世界では、それは地球と一緒に回転します。しかし、現実の世界では、太陽によって加熱された上昇する空気は、高さが増すにつれて地面に対して同じ位置にとどまるために必要な軌道速度が増加するため、西にドリフトします。コリオリ効果は、北または南に移動するときに同じ現象によって引き起こされます
それは合理的な質問であり、その答えは大気境界層の概念にあります。
回転する地球は、表面や地形のさまざまな不規則性を介して、大気を引きずります。この垂直方向の運動量の伝達は、垂直座標で上昇するにつれてますます弱くなり、約1 kmの高さで大気が地面を「感じ」なくなり、自由に流れる大気に到達します。
山が存在する場合、境界層の正確な厚さは変更されます。これは、1kmを簡単に超える可能性があります。さらに、乱流運動と対流は、異なる運動量の層を混合する傾向があり、したがって、大気を引きずる働きをします。激しく対流する大気は、より厚い境界層を持ちます。これには、一般に物理学では未解決の問題である乱流運動量伝達が含まれますが、対数則などの半解析的手段によってこの層の高さを理解することは進歩しています。
より低い自由流の大気では、運動は、ハドレー循環によって注入された地衡バランスのモジュロ質量、運動量、および熱によって支配されます。自由流の大気が安定して成層している高層では、大気は、巨大ガスなど、底のないガス状体のガス塊のように動作します。