Basic Planetary Survey XXI: Начало

Kerbal Space Program: Basic Planetary Survey XXI
Изначально мы с Andre хотели устроить совместную экспедицию на Eve. Но потом решили разделить весь процесс на несколько частей, и организовать предварительную разведку отдельным проектом. Так и родилась идея BPS XXI. Задача — базовое планетарное исследование Ив. По-человечески, с замерами и анализом данных. Для сравнения полученой информации решили провести аналогичную работу сначала на Кербине, а потом и в атмосфере Дюны. Число 21 здесь обозначает версию KSP, если кто еще не понял. Поехали!

Начнем с имеющихся в нашем распоряжении инструментов. Базовая игра дает: барометр, термометр, гравиометр и акселерометр. Пользовательский мод Graphotron 2000 позволяет логировать и сохранять их данные в файл, для последующего анализа. Причем, записывать он может еще и текущую высоту, скорость и динамическое давление (Max Q anyone?).

Теперь теоретическая часть. На сегодняшний день KSP предоставляет нам большое кол-во информации о небесных телах. Ее мы будем использовать как основу для исследований — подставлять в формулы, проводить расчеты, сравнивать наборы данных. Но сильно глубоко закапываться в это тоже не стоит, т.к. разведка должна быть базовой, простой. Хотя, кого я обманываю? В процессе будет необходимо провести тонну времени в Google Spreadsheets и MS Excel, занимаясь анализом и визуализацией данных.

Как вы уже могли понять из заглавного логотипа, смотреть будем на гравитационные колодцы и атмосферы. Для составления графика колодца мы будем использовать следующую формулу, где g(h) — гравитация для искомой высоты, g(0) — на уровне моря, r(e) — радиус небесного тела, а h — высота. Для графика атмосферы — формулу давления P для высоты, где P(0) — давление на уровне моря, z — высота, а H — высота однородной атмосферы (scale height). Вот эти две формулы, для наглядности:

Kerbal Space Program: Atmo and gravity at height
Все эти данные у нас есть сразу, кроме показателей давления на уровне моря. Их можно предсказать аналитически, но с очень большой погрешностью (1.2 для Кербина, 0.17 для Дюны, и 3.84 для Ив, что довольно далеко от реальных данных), поэтому мы их использовать не будем. А вот что мы можем сделать прямо сейчас, так это нарисовать графики атмосферных колодцев нашей планетарной тройки (KDE = Kerbin, Duna, Eve).

Kerbal Space Program: Theoretical data for Kerbin, Duna and Eve (gravity)
Такие вот теоретические колодцы. Очень хорошо просматривается квадратичная зависимость, кстати. Как вы понимаете, таким образом можно вычислить данные для любой высоты. А теперь представьте, что вы запустили спутник на полярную орбиту, и он собирает данные о гравитационном поле. А потом сравнивает с нашими теоретическими. И если они не совпадают, значит внизу — гравитационная аномалия. Обычно, это говорит о значительной массе ископаемых большой плотности, или о наличии пустот. Самым ярким примером в реальной жизни будет Луна. Ее гравитационное поле жутко нестабильно, поэтому многие спутники будут падать (вопрос залу: объясните, почему аномалии приводят к падению?).

Для KSP пока еще нет модов, позволяющих, по аналогии с ISA MapSat, составлять карты гравитационных аномалий (которых в игре и нет, наверное, т.к. все идеальное и сферическое в вакууме). Поэтому воздержимся обычным сравнением теоретических данных о колодце с практическими в одной конкретной точке для каждого небесного тела. Но давайте все же вернемся к атмосферам.

Kerbal Space Program: Enceladus water recession
Кто знает, как образуется атмосфера? От чего зависят ее характеристики? Я даже и близко не специалист, но давайте попробуем разобраться. Начнем с простого. При формировании небесных тел тяжелые частицы оказываются ближе к центру массы, т.е. ниже, а более легкие — дальше, т.е. выше. Потом все упирается в четыре параметра: силу гравитационного поля, температуру, молекулярную массу и количество вещества. Помните параметр escape velocity? Он говорит, насколько быстро надо двигаться, что бы покинуть влияние гравитационного поля. Так вот, чем легче и горячее молекулы вещества (а самые легкие — это газы), тем быстрее они летают. А значит, тем проще им покинуть гравитационный колодец небесного тела.

Какие можно теперь делать выводы? Чем ближе к солнцу, и чем меньше небесное тело, тем сложнее ему удержать атмосферу. Поэтому, у Меркурия атмосферы почти нет, а все газовые гиганты такие большие и далеко от Солнца. Еще один вопрос к залу — а почему тогда у Венеры атмосферное давление на уровне моря такое большое?

На этом, пожалуй, закончу нашу теоретическую часть. Не забудьте отвечать на вопросы в комментариях!

Продолжение следует...
Читайте также

36 комментариев

avatar
Ее гравитационное поле жутко нестабильно, поэтому многие ее спутники на низких орбитах будут падать (вопрос залу: объясните, почему именно?).
Экваториальные орбиты, наверное, были бы устойчивыми, так как спутник будет пролетать всегда над одними же и теми скоплениями масс. На наклонных орбитах каждый виток спутник делает над разными участками, что дестабилизирует орбиту.
Еще один вопрос к залу — а почему тогда у Венеры атмосферное давление на уровне моря такое большое?
Сильный парниковый эффект привёл к тому, что тяжёлые молекулы разогрелись до состояния газа, вышли в атомсферу и увеличили давление. Тяжёлые нагретые газы в атомсфере создают сильные циклоны и бури, которые поднимают в воздух больше твёрдых частичек, что ещё больше увеличивает давление и усиливает парниковый эффект.
Комментарий отредактирован 2013-09-29 10:09:52 пользователем hitzu
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Перефразирую вопрос: почему гравитационные аномалии приводят к падению?
avatar
А они приводят?
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Да, приводят.
Пример, не углубляясь в подробности: некий спутник на орбите Луны с параметрами Ap/Pe = 122km/89km @ 11° inclination упал и разбился всего через 35 дней (425 витков).
Комментарий отредактирован 2013-09-29 11:22:27 пользователем L0ckAndL0ad
avatar
Ну насколько я понимаю, судя по формуле локальные неоднородности большего тела, влияющие на перменные m1 и r, создают неоднородности гравитационного поля, в котором движется второе тело (спутник). А так как с каждым витком спутник пролетает над различными массами, в связи с наклонением орбиты, то и траектория его движения будет меняться вплоть до снижения периселения до критической отметки, то есть столкновения.

Это проверка на вшивость такая? :D
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Это проверка на вшивость такая? :D
Ни в коем случае, я просто хочу, что бы все могли выссказать свои теории. Свои варианты ответов я дам потом.
avatar
Насчёт гравитационных аномалий всё относительно просто. На энергию тела на орбите они фактически не влияют (тут это практически соответствует закону сохранения энергии (но в орбитальной механике с ним надо поосторожнее)), нормальные компоненты искажения вызывают прецессию плоскости орбиты (впрочем, заметный нескомпенсированный эффект наблюдается либо при очень медленно вращающемся небесном теле (например, Луна) либо на синхронных орбитах (почитайте например про орбиты спутников Молния и Тундра — наклонение и долгота, над которой проходится апогей, обусловлены минимумом прецессии)).
А вот радиальные (и продольные, хоть они практически компенсируются) компоненты хоть и не влияют на общую энергию, но вполне легко способны увеличить эксцентрисет и понизить перицентр до столкновения с поверхностью — что на низкой окололунной орбите и происходит)
avatar
А вот насчёт атмосферы главная проблема в плохо учитываемом факторе — её верхней границе. Барометрическая формула учитывает и гравитацию, и состав, и температуру, но она простирается до бесконечной высоты и действует для любой плотности у поверхности.

Попробуем слегка доработать модель: пусть на некоторой высоте А плотность становится настолько низкой, что молекула газа, подброшенная вверх с достаточной скоростью, имеет высокий шанс улететь в межпланетное пространство, не столкнувшись ни с одной другой молекулой. Это та отметка на которой барометрическая формула перестаёт действовать окончательно, и выше неё молекулы движутся по баллистической траектории. Пусть, молекула, оказавшаяся на некоторой высоте Б, окажется выкинутой в межпланетное пространство. Понятно, что если скорость теплового движения молекул на высоте А окажется достаточной для того, чтобы молекула достигла высоты Б, атмосфера будет выветриваться в открытый космос.

Теперь рассмотрим что же определяет высоту Б. Это не сфера влияния, как можно подумать, а солнечный ветер и защищающее от него магнитное поле планеты. Фактически добиться нулевой утечки газов в межзвёздное пространство невозможно, но магнитное поле планеты может также захватывать частицы солнечного ветра. А там в основном протоны и электроны — то, из чего можно собрать водород. Поэтому этот самый слой АБ в реальности практически полностью состоит из водорода, находящегося в равновесии с солнечным ветром и только гораздо ниже (там, откуда утечки практически нет) состав атмосферы меняется на более близкий к составу у поверхности.
Рискну предположить, что несколько сотен километров верхней границы, определяемой магнитным полем и солнечным ветром, вполне могут вылиться в несколько десятков километров начала более плотной атмосферы, а это при прочих равных условиях уже соответствует разнице атмосфер Марса, Земли и Венеры (с учётом реальной ситуации с планетами, может потребоваться немного большая разница).
Так что состав атмосферы Венеры несколько увеличивает плотность и давление у поверхности, но без мощного магнитного поля она бы всё это не удержала. А вот у Марса с магнитным полем что-то случилось и атмосферу реально сдуло.

P.S. У описанной системы скорость изменения нижних слоёв атмосферы при выведении ситуации из равновесия очень низкая и кратковременные проблемы с магнитным полем или солнечным ветром кислород и азот у нас не выдуют, а водородный верхний слой относительно легко восстановится. (Кстати, магнитное поле Земли неоднократно меняла полярность и атмосфера никуда не делась, так что если это опять случится, никакого конца света не будет)
avatar
А вот насчёт атмосферы главная проблема в плохо учитываемом факторе — её верхней границе. Барометрическая формула учитывает и гравитацию, и состав, и температуру, но она простирается до бесконечной высоты и действует для любой плотности у поверхности.
Ну как же. Есть параметр «scale height» (в формуле — H). Это дистанция, на которой значение (давления, в нашем случае) уменьшается в e (2.71828) раз. Таким образом, на определенной дистанции значение будет уменьшено, скажем, до 1.0e-6. Это порог в KSP, после которого drag перестает влиять на обьекты. В реальной жизни тоже есть порог, когда плотность настолько низкая, что молекулы сталкиваются очень редко. А дальше действует первый закон Ньютона.

У кого еще какие-то теории будут?
avatar
О том и речь, что верхний край в этой формуле не равен нулю, а является некой малой величиной, значение и физическую суть которой необходимо уточнить, чтобы ответить на вопрос, какую максимальную атмосферу может иметь данная планета. Собственно, почему в одном случае возможна Венера, а в другом выходит Марс.
avatar
А это уже будет одним из вопросов следующей заметки ;)
avatar
Увы, в этом смысле физика KSP заметно отстает от реального мира. Плотность атмосферы Земли зависит не только от высоты, но еще и от времени суток, времени года, солнечной погоды и магнитного поля, в том числе локального. Такой себе дышаший туда-сюда шишковато-бугристый эллипсоид.
Поэтому объект на 75-м километре орбиты Кербина может болтаться вечно, а с LOE упадет за недели-месяцы. И это еще — не учитывая влияния гравитации и солнечного ветра непосредственно на сам объект.
С другой стороны, у многих ли локальное игровое время убежало от нуля больше, чем на пару-тройку месяцев?
  • Avicorn
  • 0
  • v
avatar
Игры и просто симуляции всегда будут аппроксимациями и упрощениями, такова природа вещей. Посмотрим, как с этим делом будут обстоять дела в KSP 1.0, а там уже и будем судить. Но, понятное дело, я первый в очереди за реальным PvE.

У кого-то еще мысли по Луне и Венере будут?
avatar
С другой стороны, у многих ли локальное игровое время убежало от нуля больше, чем на пару-тройку месяцев?


хммм ради интереса зашёл и глянул:
2 года и 183 дня, а у меня сейчас на старте экспедиция к «Jool»…

Игра ведётся с версии 0.19 (т.е. после появления на Steam) + я последнее время восновном самолёты запускал, а это практически не наматывает времени. Полёт на Mun стоит нескольких сотен (если не тысяч) самолётных вылетов по игровому времени.
Комментарий отредактирован 2013-10-01 12:22:25 пользователем Ranger
avatar
Ее гравитационное поле жутко нестабильно, поэтому многие спутники будут падать (вопрос залу: объясните, почему аномалии приводят к падению?).
Не так уж и жутко, различия там ведь крошечные относительно «фоновой» гравитации. Другое дело, что любые, даже маленькие отклонения из-а космических масштабов потом приводят к километровым ошибкам в расчётах.

Из-за вращения небесного тела крутящийся на орбите аппарат рано или поздно войдёт в резонанс с «неровностями» гравитационного поля и орбита будет всё больше и больше дестабилизироваться.
  • Andre
  • +1
  • v
avatar
Еще один вопрос к залу — а почему тогда у Венеры атмосферное давление на уровне моря такое большое?
Там основной газ в атмосфере — углекислый. Мало того, что его молекулярный вес в полтора раза больше, чем у азота земной атмосферы, так ещё он способен более компактно размещаться — его плотность в нормальных условиях тоже больше.
Комментарий отредактирован 2013-10-01 15:06:55 пользователем Andre
  • Andre
  • +1
  • v
avatar
То есть Венере фактически не хватает только воды для того чтобы связать углерод из атмосферы?
Комментарий отредактирован 2013-10-01 09:42:22 пользователем hitzu
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Как я понимаю, проблема в том, что вода из-за парникового эффекта и высокой температуры испаряется, улетает в верхние слои атмосферы (водяной пар ещё легче углекислого газа, чем азот), а из-за отсутствия магнитосферы под действием жесткого солнечного ветра распадается на водород и кислород и «сдувается» в космос. В итоге влажность на поверхности по данным зондов менее 0,1%. То есть естественную воду оттуда постоянно уносит, и уже нет сколько-нибудь значительных запасов.
  • Andre
  • 0
  • v
avatar
Ах, снова всё дело в магнитосфере, как и с Марсом
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
В общем, обоим, Марсу и Венере, не хватает хорошего такого спутника, вроде Луны, чтоб раскрутить ядро на магнитное поле и пары десятков ледяных комет для образования гидросферы и стабилизации климата.
  • hitzu
  • +2
  • v
avatar
раскрутить ядро на магнитное поле
Это пять :)
  • Andre
  • +1
  • v
avatar
Венеру вообще не мешало бы «раскрутить». Она мало того что вращается не в ту сторону, так еще и крайне медленно.
Я думаю, что если человечество не вымрет, то раньше или позже дойдет до того, чтобы закидать Венеру тапками ледяными астероидами.
Впрочем, мне тяжело представить себе, какое количество астероидов (по массе) и с какой скоростью надо вбить в Венеру, чтобы раскрутить ее до нормальной скорости, не сбив при этом с орбиты. И какое время потребуется после такой бомбардировки на то, чтобы там все отбурлило\откипело.
Что касается магнитного динамо — есть мнение, что оно не работает именно из-за отсутствия воды в литосфере (слишком вязкая литосфера).
avatar
Что касается магнитного динамо — есть мнение, что оно не работает именно из-за отсутствия воды в литосфере (слишком вязкая литосфера).
Разве вода в литосфере находится в связном состоянии? И имею ввиду, что там такие большие температуры, что как она не распадается на водород и кислород?
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Уже смутно помню и могу сильно ошибаться, но.
Высокая температура — это круто, если речь идет о поверхности и воде есть куда деться. А в литосфере не только температура высокая, там и давление приличное, и деться ей в принципе особо некуда.
Из-за этого вода остается хоть и сильно перегретой, но в жидкой фазе. Работает как смазка.
avatar
Звучит убедительно :)
Хотя я думал, что магма сама по себе достаточно жидкая субстанция, чтоб служить смазкой.
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Разница в плотности практически исключительно из-за молекулярной массы и есть. Конечно, углекислый газ играет роль в повышенной плотности, но в этом плане состав атмосферы Марса (да и Земли до появления растений) не больно отличается от Венеры.
avatar
Попробую сформулировать собственные варианты ответов на заданные вопросы. Сразу же напомню, что ни разу не специалист в научных вопросах, да и в школе учился не самым старательным образом. Поэтому буду теоретизировать простым языком, что бы было понятно даже ребенку.

Аномалии гравитационного поля — как ямы и кочки на орбитальной дороге. Попадая в них, мы «подскакиваем», или «проседаем». Но так или иначе, проходим этот отрезок маршрута дольше, чем должны были (потому что неровности его удлиняют). И таким образом начинаем отставать и отклоняться от траектории. И чем больше мы отстаем и отклоняемся, тем быстрее падаем.

Атмосфера Венеры плотная в первую очередь из-за того, что атмосферного вещества в ней много. А гравитация может удерживать его до определенной высоты, и ни метром выше, поэтому веществу приходится уживаться в тесноте.

Почему вещества так много? Геологическая активность помогла вытащить на поверхность многое из того, что не могло это сделать во время первоначального формирования, в виде газов. А еще, может, если у Меркурия когда-то на ранних этапах формирования Солнечной системы и была атмосфера, то ее снесло солнечным ветром к Венере. Когда Солнце стало горячее.

В итоге, атмосферное вещество у Венеры достаточно тяжелое, для того что бы оставаться внутри гравитационного колодца, и при этом его банально много. Другие второстепенные процессы этому помогают (геологическая активность, парниковый эффект).

Как-то так.
avatar
А еще, может, если у Меркурия когда-то на ранних этапах формирования Солнечной системы и была атмосфера, то ее снесло солнечным ветром к Венере. Когда Солнце стало горячее.
Некоторые предполагают, что у Меркурия вообще нет коры и мантии, а одно лишь голое ядро. А его большой эксцентриситет подтверждает, что прилетел он совсем с другой орбиты.

Но вот снести атмосферу с одной планеты на другую без их прямого контакта друг с другом не могло, банально в силу их мизерных размеров по сравнению с пространством их разделяющим.
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Ну это я уже так, фантазирую. И все же, почему бы и нет? Первый закон Ньютона действует же. При формировании солнца взрывная волна газы дальше отталкивает, к краям системы. Тут солнечный ветер, как жутко замедленный аналог того же процесса.
avatar
И, да, мне тут Ави вот что скинул:
В XIX веке существовала гипотеза, что в прошлом спутником Венеры являлся Меркурий, который впоследствии был ею «потерян»[32]. В 1976 году Том ван Фландерн (англ.)русск. и К. Р. Харрингтон на основании математических расчётов показали, что эта гипотеза хорошо объясняет большие отклонения (эксцентриситет) орбиты Меркурия, его резонансный характер обращения вокруг Солнца и потерю вращательного момента как у Меркурия, так и у Венеры. Также объясняется приобретение Венерой вращения, обратного основному в Солнечной системе, разогрев поверхности планеты и возникновение плотной атмосферы[33][34].

Так что, действительно, вполне вероятно, что атмосфера Меркурия могла быть украдена Венерой при столкновении :)
avatar
Ну сюда ещё можно мифический Фаэтон приписать
Комментарий отредактирован 2013-10-01 16:40:31 пользователем hitzu
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Это скептицизм, или мне показалось?

Если откинуть столкновение (которого, наверное, в оригинальной теории вообще не было), то плотность атмосферы там обьясняется разогревом от трения таких больших объектов, что просто и красиво. И гораздо ближе к теме начального вопроса :)
avatar
Доля скепсиса есть :)
Я не знаю никаких авторитетных источников, которые бы утверждали, что всё это происходило.
Есть только множество гипотез, которые в основном чисто спекулятивны. Современные модели не могут рассчитать события, которые произошли так давно, а это, по всей видимости, могло бы быть единственным их подтверждением.
  • hitzu
  • 0
  • v
avatar
Атмосфера Венеры плотная в первую очередь из-за того, что атмосферного вещества в ней много. А гравитация может удерживать его до определенной высоты, и ни метром выше, поэтому веществу приходится уживаться в тесноте.
К сожалению, вариант «до сюда и не выше» к уплотнению сам по себе не приведёт — просто всё не поместившееся сдует. А сам факт того, что газа оказалось много, ещё не гарантирует что он там останется (если дело не дошло до конденсации или резкому увеличению массы планеты). А парниковый эффект никак плотности атмосферы не способствует (и даже наоборот), разве что не даёт атмосфере выпасть в полярные шапки (у Марса на полюсах лежит сухой лёд).
Хотя, может случай Венеры как раз нормальный, а Земля большую часть потеряла при смене состава атмосферы из-за падения молекулярной массы?
avatar
Я где-то читал о том, что парниковый эффект на Венере как-раз таки способствует удержанию атмосферы. Мол, не дает чему попало покидать ее.

Еще парниковый эффект влияет на плотность атмосферы тем, что нагревает ее так, что из камней выделяется все больше и больше углерода в атмосферу.
Комментарий отредактирован 2013-10-02 12:32:41 пользователем L0ckAndL0ad
avatar
А парниковый эффект никак плотности атмосферы не способствует (и даже наоборот)
А можно подробнее?
  • hitzu
  • 0
  • v

Оставить комментарий