Czy górna atmosfera obraca się wraz z ziemią?
Podstawowe pytanie, na które powinienem znać odpowiedź, ale niestety nie.
Niższa atmosfera musi obracać się wraz z ziemią z powodu tarcia - przynajmniej samo jej dno.
Ale co z 30 milami w górę? Tam efekty tarcia już minęły. Czy górna atmosfera obraca się wraz z ziemią? Jeśli tak, czy przesuwa się z tyłu (tak, że jeśli na ziemi poruszamy się o 360 stopni dziennie, górna atmosfera przesunie się zamiast tego o 50 stopni dziennie)?
To może być najgłupsze pytanie, jakie zadawałem przez cały rok, ale szczerze mówiąc nigdy wcześniej nie myślałem o górnej atmosferze, a tym bardziej o jej dynamice.
Dzięki, jeśli możesz wyjaśnić !!
Odpowiedzi
Z pewnością rozsądne pytanie.
Prawdopodobnie przydatnym modelem mentalnym jest kręcenie wiadrem wody w jakiejś formie. Początkowo tylko warstwy powierzchniowe będą się obracać, ale każda warstwa przenosi ruch na następną warstwę i ostatecznie całość masy obraca się w stanie ustalonym.
Podobnie z atmosferą w geologicznych skalach czasu, atmosfera wiruje wraz z ziemią w stanie ustalonym. W skali czasu ludzkiego szczegóły są znacznie bardziej złożone i interesujące, ale nie mają szczególnego wpływu na starty statków kosmicznych pod względem zmiany wymaganej delta V.
Projekt i trajektoria z pewnością mają wpływ na fakt, że rakieta przemieszcza się w poruszającym się powietrzu, zmieniając tor lotu, a rakieta może przecinać poruszające się masy powietrza wystarczająco szybko, aby wytworzyć nietrywialne obciążenia boczne .
Niższa atmosfera musi obracać się wraz z ziemią z powodu tarcia - przynajmniej samo jej dno.
To prawda, ale tylko na samym dnie ziemskiej atmosfery, być może w ostatnich kilku milimetrach. W końcu są wiatry. Pasaty i dominujące wiatry zachodnie (wraz z odkryciem, jak pokonać wiatr) zaowocowały „erą żagli” trwającą od 300 do 400 lat. Wyżej odkrycie strumieni odrzutowych umożliwiło Japonii umieszczenie balonów na loftach, które później zrzucały bomby na zachodnie części Stanów Zjednoczonych podczas drugiej wojny światowej.
Można powiedzieć, że dolna część ziemskiej atmosfery obraca się mniej więcej z Ziemią, ponieważ prędkości w stosunku do powierzchni pasatow, dominujących wiatrów zachodnich, a nawet strumieni strumieniowych, są małe w porównaniu z prędkością obrotową powierzchni Ziemi względem bezwładności. Stratosfera i mezosfera również mają wiatry w stosunku do powierzchni, ale wiatry te są niewielkie w porównaniu z wiatrami w troposferze.
Ale co z atmosferą w najwyższych partiach? Badania przeprowadzone w latach sześćdziesiątych XX wieku sugerowały, że termosfera super-rotuje w porównaniu z powierzchnią Ziemi. Nowsze badania wskazują, że może tak nie być; modelowanie górnych wiatrów atmosferycznych jest trudne. Wiadomo, że w górnych warstwach atmosfery występują silne pionowe wiatry. Górna atmosfera pęcznieje, gdy jest zwrócona w stronę Słońca w ciągu dnia, i cofa się, gdy staje w obliczu ciemności przestrzeni w nocy.
Atmosfera obracałaby się wraz z powierzchnią Ziemi, ale wpływają na to 2 główne czynniki:
efekt Coriolisa
Jeśli obliczysz, z jaką prędkością poruszałby się każdy kawałek atmosfery, znajdziesz największą prędkość na równiku i bliską 0 prędkości na biegunach. W takich sytuacjach dynamika płynów mówi, że powietrze zacznie się obracać, tworząc wiry. Prowadzi to do huraganów na Ziemi i dużego stabilnego wiru na Jowiszu.
Efekty ogrzewania słonecznego, Westerlies
Zacytuję tutaj wikipedię, ponieważ dobrze ją wyjaśnia:
Gdyby Ziemia była zsunięta pływowo ze Słońcem, ogrzewanie słoneczne spowodowałoby, że wiatry na średnich szerokościach geograficznych wiałyby w kierunku biegunowym, z dala od subtropikalnego grzbietu. Jednak efekt Coriolisa spowodowany przez obrót Ziemi ma tendencję do odchylania wiatrów biegunowych na wschód od północy (w prawo) na półkuli północnej i na wschód od południa (w lewo) na półkuli południowej. [3] To dlatego wiatry na półkuli północnej mają tendencję do wiejania z południowego zachodu, ale z północnego zachodu na półkuli południowej. [4] Kiedy ciśnienie nad biegunami jest niższe, siła zachodnich wiatrów wzrasta, co powoduje ocieplenie średnich szerokości geograficznych. Dzieje się tak, gdy oscylacje Arktyki są dodatnie, a zimą niskie ciśnienie w pobliżu biegunów jest silniejsze niż latem.Kiedy jest ujemny, a ciśnienie nad biegunami jest wyższe, przepływ jest bardziej południkowy, wiejąc z kierunku bieguna w kierunku równika, co doprowadza zimne powietrze do średnich szerokości geograficznych. [5]
W świecie o idealnie nieruchomej atmosferze obracałby się wraz z ziemią. Jednak w prawdziwym świecie wznoszące się powietrze, ogrzane przez słońce, dryfuje na zachód, ponieważ prędkość orbity wymagana do pozostania w tej samej pozycji względem ziemi rośnie wraz ze wzrostem wysokości. Efekt Coriolisa jest spowodowany tym samym zjawiskiem podczas przemieszczania się na północ lub południe
Jest to rozsądne pytanie, na które odpowiedź znajduje się w koncepcji planetarnej warstwy granicznej .
Obracająca się Ziemia, poprzez swoje różne nieregularności na powierzchni i w topografii, ciągnie atmosferę. Ten pionowy transfer pędu staje się słabszy i słabszy wraz ze wznoszeniem się we współrzędnej pionowej, aż na wysokości około ~ 1 km atmosfera nie „czuje” już gruntu i dochodzi do swobodnego przepływu atmosfery.
Dokładna grubość warstwy granicznej zostanie zmodyfikowana, gdy obecne są góry, które z łatwością mogą być wyższe niż 1 km. Co więcej, ruchy turbulentne i konwekcja mają tendencję do mieszania warstw o różnym pędzie, a tym samym powodują przeciąganie atmosfery. Atmosfera energicznie konwekująca będzie miała grubszą warstwę graniczną. Chociaż wiąże się to z turbulentnym przenoszeniem pędu, co jest ogólnie nierozwiązanym problemem w fizyce, poczyniono postępy w zrozumieniu wysokości tej warstwy za pomocą środków półanalitycznych, takich jak prawo ściany .
W niższych warstwach atmosfery o swobodnym przepływie ruchem rządzi równowaga geostroficzna, masa modulo, pęd i ciepło wprowadzane przez cyrkulację Hadleya . Wyżej, gdzie swobodnie przepływająca atmosfera jest stabilnie uwarstwiona, atmosfera zachowuje się jak masa gazowa dowolnego ciała gazowego bez dna, takiego jak gazowe olbrzymy.