Атмосферная динамика приливно захваченных землеподобных планет

[vika vorobyeva]

В Архиве появилась интересная работа по моделированию климата на планете, аналогичной Земле, но захваченной в резонанс 1:1 (т.е. повернутой к своей звезде только одной стороной). Авторы рассмотрели два предельных случая: период вращения планеты равен одним суткам и одному году. Один из важных выводов: в обоих случаях температура на вечно ночной стороне не опускается ниже 240К, т.е. вымерзания атмосферы не происходит.
В работе много графиков, температурных карт и карт зональных и меридиональных ветров.
http://fr.arxiv.org/abs/1001.5117

[Borislаv]

Авторы рассмотрели два предельных случая: период вращения планеты равен одним суткам и одному году. Один из важных выводов: в обоих случаях температура на вечно ночной стороне не опускается ниже 240К, т.е. вымерзания атмосферы не происходит.

Да, весьма убедительно смотрится. Хотя в принципе результат вполне предсказуем - не вымерзает же над Антарктидой атмосфера за несколько месяцев полярной ночи. Даже температура в моделирование весьма похожа на зимние морозы в центральной части Антарктиды - 30 градусов по Цельсию в моделирование против до -90 градусов по Цельсию на плато А на Восточном Щите.

[Kweni]

В вышеприведённом обзоре интересно не только невымерзание атмосферы. Поэтому имеет смысл на основании представленных данных изложить описание климата  приливно захваченных планет.

Две рассмотренные планеты таковы:
а) первая из планет - фактически наша Земля, если бы она перестала быстро вращаться и сутки на ней стали бы равны году, а наклон оси уменьшился до нуля
б) планета размером с Землю, которая обращается за одни сутки вокруг настолько тусклой звезды, что получает на таком малом расстоянии ровно столько же энергии, сколько наша Земля. Эффекты от изменения спектрального класса и прочие отличия не учитывались, важен был лишь средний приход энергии 1367 ватт на квадратный метр.

Хотя обе планеты повёрнуты к своим солнцам одной стороной, между ними есть существенная разница - у одной период вращения - год, а у второй - сутки. Поэтому силы Кориолиса, отклоняющие воздушные массы, на второй планете велики, а на первой - незначительны.

Также предполагалось, что на планетах достаточно воды, и она может свободно испаряться и выпадать осадками.

На первой планете, в отличие от зональных воздушных течений Земли, циркуляция воздуха симметрична относительно подсолнечной точки. В нижней тропосфере ветры дуют со всех сторон к центру солнечной стороны, на которой воздух нагревается, поднимается в верхнюю тропосферу и распространяется во все стороны, доходя до противоположной стороны планеты. Скорость ветра наверху больше скорости ветра внизу примерно в 3,5 раза (видимо, из-за того, что наверху тропосферы воздух разреженнее и требуется большая скорость, чтобы прокачать ту же массу воздуха). Скорость ветра максимальна вокруг подсолнечной точки, и медленно убывает при удалении от неё. Разумеется, бывают вариации ветра в зависимости от текущей погоды, но в среднем движение воздуха именно таково.

Такая циркуляция воздуха фактически работает как конвейер, переносящий водяной пар к подсолнечной точке планеты, так что даже если на планете будет меньше воды, чем рассчитывали авторы работы, то центральнаая область прямо под солнцем всё равно будет самой влажной.

На поверхности планеты можно условно выделить 4 климатические зоны:
1) центральная, занимает круглое пятно размером с Китай вокруг точки, где солнце постоянно стоит в зените. Температура в зоне +30, величина осадков (до 22800 мм/год в центре) больше испаряемости (4560 мм/год). Такое сочетание означает чередование сильных ливней и ясной погоды. Из земных климатов этот больше всего похож на экваториальный, только ещё более жаркий и влажный. На Земле подобный климат благоприятствует росту вечнозелёных тропических джунглей.

2) вторая зона занимает широкое кольцо вокруг первой почти до 60-х широт к северу и югу и на такое же расстояние вдоль экватора. Температура растёт от +10 на внешнем крае до +30 на внутреннем. Преобладают ветры, направленные к центру кольца. Величина осадков (от 912 мм/год на внешнем крае до 4560 мм/год на внутреннем) меньше испаряемости. Поскольку ветер дует из более холодных областей, и при нагревании солнцем его влажность должна уменьшаться, то, я думаю, осадки должны выпадать на манер земных холодных фронтов: приходящий холодный воздух вытесняет местный нагретый вверх, где он расширяется и охлаждается, из-за чего вода в нём конденсируется и выпадает дождём.
Поскольку испаряемость весьма велика (4560 мм/год на внутреннем крае - это вдвое больше, чем в Сахаре), климат здесь засушливый, но не пустынный, так как осадков тоже немало (минимальные 912 мм/год - это норма для африканских саванн). Больше всего он напоминает земные саванны с той разницей, что в саванне осадки выпадают периодически - во влажный сезон, здесь же чередование сухого и влажного периодов будет определяться, видимо, капризами погоды. Мелкие реки будут пересыхать. Подобный климат должен быть благоприятен для растений, приспособленных переживать периоды засухи.

3) третья зона занимает узкое кольцо вокруг второй почти до края освещённого солнцем полушария. Температура от -10 до +10, осадков от 180 до 912 мм/год, испаряемость от 200 до 1095 мм/год. Осадков мало, так как дующие с ночного полушария ветры ещё не успели нагреться и поглотить достаточно воды, а испаряемость довольно значительна, так как солнце всё ещё круглосуточно освещает эти места. Трудно подобрать земной аналог такому климату. Температура напоминает тундры расположенных вокруг Антарктиды островов, но там климат влажный. В тундростепи ледникового периода было более сухо, но там были большие сезонные вариации, а здесь сезонов нет. Высокогорья Тибета похожи и по температуре, и по влажности, но непохожи большими суточными перепадами температур. Ясно однако, что этот пояс менее благоприятен для живых существ.

4) четвертая зона занимает всё неосвещённое полушарие и узкое кольцо освещённого, где солнце постоянно близко к горизонту. Как осадки, так и испаряемость быстро спадают до нуля на границе дневного и ночного полушарий. Температура на ночном полушарии везде близка к -20, небо постоянно ясное, осадков нет. Океаны покрыты льдом, на суше - холодные бесснежные пустыни наподобие оазисов Антарктиды. В атмосфере температурная инверсия - на высоте нескольких км температура повышена до 0, ещё выше температура опять понижается. По-видимому, это происходит потому, что приходящий с освещённого полушария остывший в верхних слоях тропосферы до -30 воздух, снижаясь, попадает в более плотные нижние слои и при сжатии нагревается. При дальнейшем перемещении вниз он охлаждается о холодную поверхность планеты.


На второй планете сильно изменяется форма и размер зон, а также направления и сила ветров, но сами климатические типы остаются похожими, хотя и не без мелких изменений - например, на ночной стороне становится холоднее близ полюсов.

Возникает вопрос, при какой скорости вращения провести условную границу между первым и вторым типами планет. Ответ в статье не даётся, но ясно, что он будет намного ближе к 1 дню, чем к 1 году, так как используемый параметр зависит от линейной скорости вращения на экваторе.

Возникает также вопрос, почему на Земле в Антарктиде бывает -90, а здесь в области вечной ночи всего -20. Ответ, я думаю, в особенностях циркуляции воздуха. На Земле сила Кориолиса закручивает водные и воздушные течения вокруг Антарктиды в кольцо, что препятствует поступлению тепла из низких широт. Здесь же на первой планете силы Кориолиса практически нет, и ничто не мешает воздуху двигаться в любую сторону по градиенту давлений. На второй же планете эта сила способствует, а не препятствует нагреванию, так как требующая нагрева область счастливым образом располагается в широтном, а не меридиональном направлении от наиболее нагретых мест.

В целом климат приливно захваченных планет, расположенных в зоне обитания вокруг звезды, оказывается неожиданно благоприятным. Если какие-либо прочие неучтённые факторы, вроде вспышек центральной звезды-красного карлика, не воспрепятствуют появлению жизни на таких планетах, то парадокс Ферми может усугубиться во столько же раз, во сколько красных карликов больше, чем жёлтых.

[Golossvyshe]

В вышеприведённом обзоре интересно не только невымерзание атмосферы. Поэтому имеет смысл на основании представленных данных изложить описание климата  приливно захваченных планет.

Очень интересная статья.

Такая циркуляция воздуха фактически работает как конвейер, переносящий водяной пар к подсолнечной точке планеты, так что даже если на планете будет меньше воды, чем рассчитывали авторы работы, то центральнаая область прямо под солнцем всё равно будет самой влажной.

Это самоочевидно, кстати.

На поверхности планеты можно условно выделить 4 климатические зоны:
1) центральная, занимает круглое пятно размером с Китай вокруг точки, где солнце постоянно стоит в зените. Температура в зоне +30, величина осадков (до 22800 мм/год в центре) больше испаряемости (4560 мм/год). Такое сочетание означает чередование сильных ливней и ясной погоды. Из земных климатов этот больше всего похож на экваториальный, только ещё более жаркий и влажный. На Земле подобный климат благоприятствует росту вечнозелёных тропических джунглей.

Это, вероятно, будет очень сильно зависеть от рельефа в подсолнечной точке. Океан, это одно, низменность - другое, плоскогорье - третье...

2) вторая зона занимает широкое кольцо вокруг первой почти до 60-х широт к северу и югу и на такое же расстояние вдоль экватора. Температура растёт от +10 на внешнем крае до +30 на внутреннем. Преобладают ветры, направленные к центру кольца. Величина осадков (от 912 мм/год на внешнем крае до 4560 мм/год на внутреннем) меньше испаряемости. Поскольку ветер дует из более холодных областей, и при нагревании солнцем его влажность должна уменьшаться, то, я думаю, осадки должны выпадать на манер земных холодных фронтов: приходящий холодный воздух вытесняет местный нагретый вверх, где он расширяется и охлаждается, из-за чего вода в нём конденсируется и выпадает дождём.
Поскольку испаряемость весьма велика (4560 мм/год на внутреннем крае - это вдвое больше, чем в Сахаре), климат здесь засушливый, но не пустынный, так как осадков тоже немало (минимальные 912 мм/год - это норма для африканских саванн). Больше всего он напоминает земные саванны с той разницей, что в саванне осадки выпадают периодически - во влажный сезон, здесь же чередование сухого и влажного периодов будет определяться, видимо, капризами погоды. Мелкие реки будут пересыхать. Подобный климат должен быть благоприятен для растений, приспособленных переживать периоды засухи.

Неоднозначно. В земных саваннах и даже полупустынях переменно-влажный климат, осадки концентрируются во влажном сезоне. Здесь этот фактор исключён.
Вообще здесь решающую роль должен играть местный рельеф. Морские течения могут сильно искажать картину.

Кстати, при увлажнении 1,0-0,75 вполне нормально растут хвойные леса.   

3) третья зона занимает узкое кольцо вокруг второй почти до края освещённого солнцем полушария. Температура от -10 до +10, осадков от 180 до 912 мм/год, испаряемость от 200 до 1095 мм/год. Осадков мало, так как дующие с ночного полушария ветры ещё не успели нагреться и поглотить достаточно воды, а испаряемость довольно значительна, так как солнце всё ещё круглосуточно освещает эти места. Трудно подобрать земной аналог такому климату.

Отчего же. Это перигляциальные степи. Именно в таких паслись мамонты. При снижении температуры до нуля их сменят перигляциальные пустыни

4) четвертая зона занимает всё неосвещённое полушарие и узкое кольцо освещённого, где солнце постоянно близко к горизонту. Как осадки, так и испаряемость быстро спадают до нуля на границе дневного и ночного полушарий. Температура на ночном полушарии везде близка к -20, небо постоянно ясное, осадков нет. Океаны покрыты льдом, на суше - холодные бесснежные пустыни наподобие оазисов Антарктиды. В атмосфере температурная инверсия - на высоте нескольких км температура повышена до 0, ещё выше температура опять понижается. По-видимому, это происходит потому, что приходящий с освещённого полушария остывший в верхних слоях тропосферы до -30 воздух, снижаясь, попадает в более плотные нижние слои и при сжатии нагревается. При дальнейшем перемещении вниз он охлаждается о холодную поверхность планеты.

И это даже без учёта океанических течений! А если с учётом? Способность к теплопереносу у океана много выше, чем у атмосферы. Возможно даже, на теневой стороне будут положительные температуры.

[Kweni]

Это самоочевидно, кстати.

Вовсе нет. Например, на Земле мезозойской эры вплоть до второй половины мелового периода климатические реконструкции дают для экваториальной зоны жаркий и сухой пустынный климат. Так что без расчётов судить о климате подсолнечной точки было нельзя.

будет очень сильно зависеть от рельефа в подсолнечной точке. Океан, это одно

Ну, если океан, то джунглей в нём не будет, да.    Но мы не осьминоги, и нас больше интересует суша.

Вообще здесь решающую роль должен играть местный рельеф.

Рельеф, конечно, будет влиять, но рельеф на каждой планете свой. А у нас до этой статьи даже общие для всех планет закономерности были неизвестны, куда уж учитывать межпланетные различия.

Способность к теплопереносу у океана много выше

У океана намного больше теплоёмкость, но зато и больше плотность и вязкость. Поэтому океан может перенести больше тепла, но вынудить его к этому сложнее. На Земле сильные поверхностные течения следуют вдоль направления ветра, если и на приливно захваченной планете будет так, то тёплых поверхностных течений, направленных из нагретых областей в холодные, там не будет. К тому же подводный рельеф и конфигурация материков намного сильнее определяют направление морских течений, чем наземный рельеф – перенос воздушных масс. Поэтому я всё же склоняюсь к покрытому льдом на теневой стороне океану.

[R]

Такая циркуляция воздуха фактически работает как конвейер, переносящий водяной пар к подсолнечной точке планеты, так что даже если на планете будет меньше воды, чем рассчитывали авторы работы, то центральнаая область прямо под солнцем всё равно будет самой влажной.

Если я помню правильно, то с повышением температуры влажность воздуха (при той же массе водяного пара, содержащегося в нём) - понижается. Нагреваясь, воздух будет словно губка впитывать в себя влагу, подниматься наверх, уходить от подсолнечной точки и постепенно охлаждаясь, проливаться дождями в различных климатических поясах. Какая-то часть влаги будет доходить до противоположной стороны планеты где образуется полярная шапка, схожая с нашей Антарктидой.

Вопрос - а что будет когда система придёт к стабильному состоянию?
При таком сценарии в подсолнечной зоне влага кончится, т.к. любой воздух, будет только уносить её, поскольку воздух, приходящий из более холодных широт, даже будучи влажным будет нагреваться и забирать ещё больше влаги. Но тоже самое справедливо и для соседних зон. Значит со временем вся влага замёрзнет на той части поверхности где температуры не будет хватать для её испарения.

Но, возможно что своё слово скажет рельеф или, к примеру, растительность, в тени которой будет выпадать роса.

[L_Pt]

Если я помню правильно, то с повышением температуры влажность воздуха (при той же массе водяного пара, содержащегося в нём) - понижается. Нагреваясь, воздух будет словно губка впитывать в себя влагу, подниматься наверх, уходить от подсолнечной точки и постепенно охлаждаясь, проливаться дождями в различных климатических поясах. Какая-то часть влаги будет доходить до противоположной стороны планеты где образуется полярная шапка, схожая с нашей Антарктидой.

Вопрос - а что будет когда система придёт к стабильному состоянию?
При таком сценарии в подсолнечной зоне влага кончится, т.к. любой воздух, будет только уносить её, поскольку воздух, приходящий из более холодных широт, даже будучи влажным будет нагреваться и забирать ещё больше влаги. Но тоже самое справедливо и для соседних зон. Значит со временем вся влага замёрзнет на той части поверхности где температуры не будет хватать для её испарения.

Но, возможно что своё слово скажет рельеф или, к примеру, растительность, в тени которой будет выпадать роса.

Вот именно что схоже с Антарктидой.
А в Антарктиде ледяной купол находиться в равновесие и давно уже не растет. Причем убыль льда осуществляется в основном далеко не таянием.

[Golossvyshe]

Это самоочевидно, кстати.

Вовсе нет. Например, на Земле мезозойской эры вплоть до второй половины мелового периода климатические реконструкции дают для экваториальной зоны жаркий и сухой пустынный климат. ..

Не может такого быть. Это ошибка реконструкторов. У меня где-то сохранилась книга Ушакова и Ясаманова, бумажная ещё - "климаты Земли". Всё нормально там с мезозойским экватором. Экватор на то и экватор - "водяной пояс".

На описываемой же гипотетической планете механизм перекачки воды в подсолнечное пятно будет ещё эфективнее. Ну посудите сами - все осадки выпадают в циклоне, гигантский антициклон на теневой стороне иссушает поверхность, приземные ветра переносят влагу к подсолнечной точке. Если воды на планете не очень много и глобальный океан, способный течениями перенести воду обратно, отсутствует, вся вода в итоге соберётся в районе подсолнечной точки. Ну опять же если рельеф позволит, конечно.

[Golossvyshe]

Кстати, никто не обратил внимания
1) центральная, занимает круглое пятно размером с Китай вокруг точки, где солнце постоянно стоит в зените. Температура в зоне +30, величина осадков (до 22800 мм/год в центре)
22800/365=62,4 мм осадков в приведённые земные сутки. Для сравнения - в Сингапуре месячная норма осадков 140-250 мм.

Так что лить там будет как из ведра и притом практически непрерывно.

[Kweni]

Нет, не практически непрерывно. Сингапур – это далеко не самое влажное место на Земле. Земной максимум куда больше будет, чем 200 мм в месяц:

Cherrapunji, situated on the southern slopes of the Eastern Himalaya in Shillong, India is one of the wettest places on Earth, with an average annual rainfall of 11,430 mm (450 in). The highest recorded rainfall in a single year was 22,987 mm (905.0 in) in 1861.

 , и дождь в этих местах льёт, как и везде, периодически.  Иначе и быть не может, так как высокая испаряемость с поверхности может быть только в ясную погоду, а не в дождь.

Не может такого быть. Это ошибка реконструкторов. У меня где-то сохранилась книга Ушакова и Ясаманова, бумажная ещё

Значит, это устаревшая бумажная книга. Сухой жаркий климат на экваторе мезозоя широко признан, причём это не расчёты реконструкторов на основании неких математических моделей, в которых может быть ошибка, а данные геологии. Упрощённо говоря, если вы находите в отложениях ископаемые кактус и верблюжью колючку, то влажным такой климат никак не мог быть.

Кроме того, мы имеем в качестве примера Титан с сухим экватором и влажными полюсами, только там углеводороды вместо воды.

[Golossvyshe]

Нет, не практически непрерывно. Сингапур – это далеко не самое влажное место на Земле. Земной максимум куда больше будет, чем 200 мм в месяц:

Cherrapunji, situated on the southern slopes of the Eastern Himalaya in Shillong, India is one of the wettest places on Earth, with an average annual rainfall of 11,430 mm (450 in). The highest recorded rainfall in a single year was 22,987 mm (905.0 in) in 1861.

 , и дождь в этих местах льёт, как и везде, периодически.  Иначе и быть не может, так как высокая испаряемость с поверхности может быть только в ясную погоду, а не в дождь.

http://www.daphoto.info/ru/2004/0701_Kauai/img_040701_2133
В самом центре острова находится гора Вай'але'але (Waialeale)*, вершина которой — самое дождливое место на планете. Дождь там идет практически всегда, и за год выпадает 11.6 метров осадков.
Черрапунджи тут примером служить не может, поскольку никаких сезонов на рассматриваемой нами планете нет. И даже суточный цикл осадков, характерный для земного экватора, должен отсутствовать.

Это будет баня, 100% влажность и непрерывно идущий сильный дождь. Пересыщенный влагой воздух поднимается, в сплошном облачном слое освобождается от лишней воды и уходит на теневую сторону, в антициклон - за новой порцией  водички.
 Если ещё учесть, что с ростом температуры содержание водяного пара растёт нелинейно (и очень быстро), то в случае, если планета будет нагрета более +30... Уже при + 35-36 это будет нечто вроде библейского потопа, растянутого на сотни миллионов лет. А если ещё жарче? Брррр...

[Kweni]

Не понимаю, почему вы так настаиваете на непрерывности дождя?
Под непрерывным дождём воздух подниматься не будет, поскольку для этого нужен нагрев солнцем поверхности планеты, а не верхушек плотных туч. Значит, надо чтобы сильный ливень закончился, небо прояснилось хотя бы на несколько часов, тогда приземный слой воздуха станет нагреваться, подниматься вверх вместе с водяным паром, там расширяться и охлаждаться и вода прольётся следующим ливнем.

А отдельная гавайская гора тут не пример. На маленькой площади при выраженном рельефе много чего происходить может.
Черапунджи нужно рассматривать в течение местного влажного сезона, разумеется, месяцы без значительных осадков не относятся к делу.

[R]

А откуда дожди браться-то должны?

[Golossvyshe]

Не понимаю, почему вы так настаиваете на непрерывности дождя?

Просто пытаюсь наглядно представить условия на планете.
Я не настаиваю, но иначе нужно твёрдо обосновать некий автоколебательный процесс, обеспечивающий прояснения.  Никаких внешних причин к этому нет - ни суток, ни сезонов, светило всегда в зените...

Под непрерывным дождём воздух подниматься не будет, поскольку для этого нужен нагрев солнцем поверхности планеты, а не верхушек плотных туч.

Отчего нет? На Венере облачность мощная и постоянная, до поверхности доходит лишь 3% света, и этого хватает для "эффекта сковороды".

[Kweni]

Маятник – тоже автоколебательный процесс, и он качается туда–сюда  без постоянной перемены внешних причин. Иногда достаточно причин внутренних.

[L_Pt]

Просто пытаюсь наглядно представить условия на планете.
Я не настаиваю, но иначе нужно твёрдо обосновать некий автоколебательный процесс, обеспечивающий прояснения.  Никаких внешних причин к этому нет - ни суток, ни сезонов, светило всегда в зените...

Легкий эксцентриситет орбиты – и солнце будет колебаться возле зенита, создавая колебание в погоде. Чуть больше – и смены сезонов могут быть.

[Golossvyshe]

Легкий эксцентриситет орбиты – и солнце будет колебаться возле зенита, создавая колебание в погоде. Чуть больше – и смены сезонов могут быть.

Могут. При достаточно большом эксцентриситете. Только это будут не совсем сезоны в привычном нам понимании, а колебания температуры и осадков синхронно по всем климатическим зонам.

В общем, работу авторы проделали большую, но недостаточную. Неясно даже, каким образом будет формироваться супер-циклон в "пятне". Возможно, это и впрямь будет система расходящихся от центра облачных колец, как от брошенного в воду камня. Некий аналог спиральных земных циклонов. Тогда да, осадки будут чередоваться прояснениями. Или, что всё-таки вернее, будет "кипящее молоко" сплошной облачности, изреживающееся к краю. Тогда  там окажется "вай-але-але" и рай для амфибий.

Но что важно - условия  на "однобоких" планетах окажутся вполне благоприятными для жизни. В ряде случаев даже более благоприятными, чем на вращающихся. Скажем, механизм концентрации всей воды в подсолнечном пятне может оказаться решающим для марсоподобных планеток с хилой гидросферой.

[Джер]

могут ли быть приливно захваченные планеты с наклоном оси?

[OLV]

могут ли быть приливно захваченные планеты с наклоном оси?

Если приливно захваченная Луна имеет наклон оси (ведь мы наблюдаем либрации по широте), то приливно захваченные планеты тоже могут его иметь.

[Джер]

могут ли быть приливно захваченные планеты с наклоном оси?

Если приливно захваченная Луна имеет наклон оси (ведь мы наблюдаем либрации по широте), то приливно захваченные планеты тоже могут его иметь.

если наклон 20%, это существенно меняет ситуацию