A atmosfera superior gira com a terra?
Pergunta básica para a qual eu deveria saber a resposta, mas infelizmente não sei.
A baixa atmosfera deve girar com a Terra por causa do atrito - pelo menos a sua base.
Mas e cerca de 30 milhas acima? Nesse caso, os efeitos do atrito desapareceram. A atmosfera superior gira com a Terra? Em caso afirmativo, ele fica atrás (de modo que se no solo nos movermos 360 graus / dia, a atmosfera superior se moveria 50 graus / dia, digamos)?
Esta pode ser a pergunta mais idiota que fiz durante todo o ano, mas francamente nunca pensei sobre a atmosfera superior antes, muito menos sobre sua dinâmica.
Obrigado se puderem esclarecer !!
Respostas
Certamente uma pergunta razoável.
Um modelo mental possivelmente útil é girar um balde d'água de alguma forma. Inicialmente, apenas as camadas superficiais irão girar, mas cada camada transfere movimento para a próxima camada e, eventualmente, a entidade da massa está girando em um estado estacionário.
Da mesma forma com a atmosfera em escalas de tempo geológicas, a atmosfera está girando com a Terra em um estado estacionário. Nas escalas de tempo humanas, os detalhes são muito mais complexos e interessantes, mas não são particularmente impactantes para lançamentos de espaçonaves em termos de alteração do delta V. necessário.
Certamente há impactos no projeto e na trajetória devido ao fato de que o foguete está viajando pelo ar em movimento, mudando a trajetória de voo, e um foguete pode cruzar massas de ar em movimento com rapidez suficiente para produzir cargas laterais não triviais .
A baixa atmosfera deve girar com a Terra por causa do atrito - pelo menos a sua base.
Isso é verdade, mas apenas no fundo da atmosfera da Terra, talvez nos últimos milímetros. Afinal, existem ventos. Os ventos alísios e os ventos de oeste predominantes (junto com a descoberta de como lutar contra o vento) resultaram na "idade da vela" de 300 a 400 anos. Mais acima, a descoberta dos fluxos de jato permitiu ao Japão elevar balões que mais tarde lançariam bombas nas partes ocidentais dos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial.
O que pode ser dito é que a parte inferior da atmosfera da Terra gira mais ou menos com a Terra, já que as velocidades em relação à superfície dos ventos alísios, os ventos de oeste prevalecentes e mesmo as correntes de jato são pequenas em comparação com a taxa de rotação da superfície da Terra em relação à inercial. A estratosfera e a mesosfera também têm ventos relativos à superfície, mas esses ventos são pequenos em comparação com os ventos da troposfera.
Mas e quanto à atmosfera das partes superiores? Estudos na década de 1960 sugeriram que a termosfera super rotaciona em comparação com a superfície da Terra. Estudos mais recentes indicam que pode não ser o caso; modelar os ventos atmosféricos superiores é difícil. O que se sabe é que existem ventos verticais significativos na alta atmosfera. A atmosfera superior incha quando fica de frente para o Sol durante o dia e se retrai quando fica de frente para a escuridão do espaço à noite.
A atmosfera giraria com a superfície da Terra, mas existem 2 fatores principais que a afetam:
Efeito Coriolis
Se você calcular a que velocidade cada bit da atmosfera estaria se movendo, você encontrará a maior velocidade no equador e próxima de 0 nos pólos. Nessas situações, a dinâmica dos fluidos diz que o ar começará a girar, criando vórtices. Isso leva a furacões na Terra e ao grande vórtice estável em Júpiter.
Efeitos do aquecimento solar, Westerlies
Vou apenas citar a Wikipedia aqui porque ela faz um bom trabalho explicando-a:
Se a Terra estivesse presa ao Sol por marés, o aquecimento solar faria com que os ventos nas latitudes médias soprassem na direção do pólo, longe da crista subtropical. No entanto, o efeito Coriolis causado pela rotação da Terra tende a desviar os ventos polares para o leste do norte (para a direita) no hemisfério norte e para o leste do sul (para a esquerda) no hemisfério sul. [3] É por isso que os ventos no hemisfério norte tendem a soprar do sudoeste, mas tendem a ser do noroeste no hemisfério sul. [4] Quando as pressões sobre os pólos são menores, a força dos ventos de oeste aumenta, o que tem o efeito de aquecer as latitudes médias. Isso ocorre quando a oscilação ártica é positiva e, durante o inverno, a baixa pressão perto dos pólos é mais forte do que durante o verão.Quando é negativo e as pressões são maiores sobre os pólos, o fluxo é mais meridional, soprando da direção do pólo em direção ao Equador, o que traz ar frio para as latitudes médias. [5]
Em um mundo com uma atmosfera perfeitamente parada, ele giraria com a Terra. No entanto, no mundo real, o ar ascendente aquecido pelo sol se desloca para o oeste porque a velocidade de órbita necessária para ficar na mesma posição em relação ao solo aumenta à medida que ganha altura. O efeito Coriolis é causado pelo mesmo fenômeno ao se mover para o norte ou para o sul
É uma pergunta razoável, que encontra sua resposta no conceito de camada limite planetária .
A rotação da Terra, por meio de suas várias irregularidades na superfície e na topografia, arrasta a atmosfera. Esta transferência de momentum vertical torna-se cada vez mais fraca à medida que se sobe na coordenada vertical, até que a uma altura de cerca de ~ 1km a atmosfera não "sente" mais o solo e se atinge a atmosfera de fluxo livre.
A espessura exata da camada limite será modificada quando as montanhas estiverem presentes, que podem facilmente ser maiores do que 1 km. Além disso, movimentos turbulentos e convecção tendem a misturar camadas de diferentes momentos e, portanto, agem para arrastar a atmosfera. Uma atmosfera com convecção vigorosa terá uma camada limite mais espessa. Embora isso envolva transferência de momento turbulento, que em geral é um problema não resolvido na física, houve progresso no entendimento da altura dessa camada por meios semianalíticos, como a lei da parede .
Na atmosfera de fluxo livre inferior, o movimento é governado pelo módulo de massa do equilíbrio geostrófico , momento e calor injetado pelas circulações de Hadley . Mais acima, onde a atmosfera de fluxo livre é estratificada de forma estável, a atmosfera se comporta como a massa de gás de qualquer corpo gasoso sem fundo, como gigantes gasosos.