image

После публикации моей статьи о том, какой была бы Земля, будь она в два раза больше, у читателей появился вопрос: «А что насчёт тороидальной Земли»? Вопрос не самый оригинальный, эту тему уже обсуждали в онлайне и проводили её моделирование. Но я люблю всё делать сам, так что я попытался провести свой собственный анализ.

Может ли существовать тороидальная планета?


Стабильность тороидальной планеты неочевидна. С практической точки зрения планеты можно рассматривать как жидкие шарики без поверхностного натяжения – прочность камня не сравнить с весом планеты. Они обладают эквипотенциальными гравитационными поверхностями с учётом центробежного потенциала. Если бы это было не так, то на них встречались бы места, которые могли бы уменьшить свою энергию перетеканием в сторону понижения потенциала. Ещё один очевидный факт – существование верхней границы скорости вращения, после которой планета развалится: центробежная сила на экваторе превышает гравитацию и материал улетает в космос.

Равновесные формы вращающихся эллипсоидных планет, удерживающихся силой собственной гравитации, были всесторонне проанализированы. Началось всё с Ньютона, тогда же были проведены ранние героические экспедиции для установления формы Земли, Маклорен продолжил его дело, Якоби открыл, что при больших скоростях вращения эллипсоиды с неравными осями оказываются устойчивее сплющенных эллипсоидов Маклорена. Субраманьян Чандрасекар вёл интересные разработки в этой области. Но с тех пор появились компьютеры, и поэтому были проведены аналитические и численные подсчёты более сложных или релятивистских случаев.

Тем же образом были проанализированы равновесные формы вращающихся тороидов – это делали Пуанкаре, Софья Ковалевская, и Фрэнк Дайсон (Dyson 1893, Dyson 1893b). По крайней мере, в теории, можно раскрутить эллипсоидную планету до состояния кольца, хотя существует множество возможностей возникновения колебаний, дестабилизирующих систему, после чего происходит прыжок в кольцевое состояние.

Кольцо может быть нестабильным, в частности, из-за «узловой» нестабильности — всё большее количество массы может аккумулироваться в определённых меридианах, в результате чего произойдёт разрыв на несколько отдельных масс. Дайсон проанализировал этот случай, и обнаружил, что он имеет значение, когда R (расстояние от центра тора до центра трубы) превышает r (радиус трубы) более чем в три раза – то есть, тонкие обручи оказываются нестабильными. Существует также меньшая скорость вращения, при которой кольцо становится нестабильным и приливные силы сжимают его в эллипсоид. Так что общая масса и угловой момент должны быть правильно заданы с самого начала.

Судя по всему, законы физики не запрещают появление тороидальных планет. Просто вероятность их возникновения чрезвычайно мала, и такая планета, скорее всего, окажется нестабильной на геологических масштабах времени из-за внешних возмущений. Так что, если мы предположим, что она уже есть, возможно, из-за действий продвинутой цивилизации, эстетика которой сильнее разума – каковы будут её свойства?

Направления


Будем называть две окружности, параллельных плоскости вращения, экваторами (внешним и внутренним). В случае, когда принципиальной разницы между ними для обсуждаемой темы не будет, я буду называть их просто экватором. Полюсами будут круги, наиболее удалённые от экваториальной плоскости.

Направление к центру будет обозначать направление к оси вращения, к ободу – от оси вращения. К плоскости – по направлению к экваториальной плоскости. Север – в сторону ближайшей части северного полюсного круга, юг – в сторону ближайшей части южного полюсного круга.

Гравитация тороида


Как работает гравитация на тороидальной планете?

В случае очень большого R тороидальная планета, по сути, становится цилиндрической. В этом случае гравитация убывает как 1/r, где r – расстояние от оси. Воздействие на любую секцию будет пропорционально общей массе (пропорциональной R) и гравитации (пропорциональной 1/R), так что общая сила останется постоянной с увеличением R. Её сбалансирует определённое вращение. Поверхностная гравитация 2G rho/r, где rho – масса на единицу длины. Так что пока поверхностная гравитация будет достаточно большой (с малым r) эта сила преодолеет центробежное ускорение и ничего не будет улетать прочь. Но для тора с малым радиусом всё гораздо сложнее.

Я решил использовать метод Монте-Карло для оценки равновесной формы. Начав с общей массы планеты и углового момента, я распределил множество массивных, бесконечно тонких колец (потенциал взял из этого упражнения – хорошо, что в классической физике электрический и гравитационный потенциал одинаковы). Я подсчитал их общий потенциал и добавил центробежный. Это позволяет провести аппроксимацию эквипотенциальных поверхностей и «заполнять» потенциал ближе к центру тора всё большим количеством колец, до тех пор, пока их масса не станет соответствовать массе планеты. Я пересчитал угловую скорость на основе нового распределения масс. Затем повторял процесс до тех пор, пока либо планета разлетается, либо сжимается в шар, либо проходит достаточно много итераций. Это не самый элегантный метод (в литературе используется разложение в ряд тороидальных гармоник), но мне его было достаточно.

Основной результат – тороидальная планета реалистично допускает достаточно большие массу и угловой момент. Сечение получается ни круглым, ни эллиптическим, а напоминает яйцо, с немного более острой внутренней кривизной, чем снаружи.

Почему планета не сплющивается в диск? Вращение пытается расплющить планету, но ему приходится работать против местной гравитации, которая пытается сжать её в шар (или цилиндр).

Хотя в моей симуляции такие планеты оказались стабильными, разброс допустимых значений был невысок: большая часть комбинаций массы и углового момента были нестабильными. Я не анализировал сложный вопрос узловой нестабильности.

Рассмотрю здесь пухленький тороид массой равной массе Земли и небольшим центральным отверстием («Пончик»), а также более широкий, обручеподобный тороид массой с 6 земных, но более приближенной к земной гравитацией («Обруч»).

Пончик



Рис. 1: локальное гравитационное ускорение (м/с2) вокруг Пончика, испытываемое объектом, вращающимся с ним совместно

Внутренний экватор Пончика отстоит от центра на 1305 км, а внешний – на 10663 км. Диаметр экватора – 9328 км.

Планета простирается на расстояние в 1953 от экваториальной плоскости, и диаметр с севера на юг равен 3906 км. Соотношение диаметров равно 2,4.

Окружность с севера на юг равна 21587 км (0,54 земной), а с запада на восток – 66809 км (1.7 земной). Общая площадь – 8,2 х 108 км2 (1,6 земной). Общий объём = 1,1 х 1012 км3, отличается от земной не более, чем на 1% (всё-таки Пончик был выбран как планета земной массы). Отношение объёма к площади – 1300, 61% от Земной – на единицу объёма площади больше.

День длится 2,84 часа.

Обруч



Рис. 2: локальное гравитационное ускорение (м/с2) вокруг Обруча, испытываемое объектом, вращающимся с ним совместно

Внутренний экватор Обруча отстоит от центра на 8633 км, а внешний – на 19937 км. Диаметр экватора 11304 км.

Планета простирается от экваториальной плоскости на 4070 км, диаметр с севера на юг – 8141 км. Соотношение сторон сечения примерно равно 4:3, как у старых мониторов. Радиус круга центра масс 14294 км.

Окружность с севера на юг 30794 км (0,77 земной), а с запада на восток – 125270 (3,1 земной). Общая площадь 2,5 х 109 км2, в 4,9 раз больше земной, а общий объём 6,5 х 1012 км3, в 6 раз больше земного. Соотношение объёма к площади = 150, 70% от земного.

День длится 3,53 часа.

Окружающая среда


На что похожа жизнь на тороидальной Земле?

Гравитация


Поверхностная гравитация зависит от местоположения. Самая слабая она вдоль внутреннего и внешнего экваторов, и самая сильная – рядом с полюсами, немного по направлению к центру. Это одно из основных различий.

Пончик



Рис. 3: гравитация на поверхности Пончика (м/с2)

На Пончике гравитация вдоль экваторов составляет всего 0,3 G, и 0,65 G вдоль полюсов. Скорость убегания не слишком отличается от Земной, и равна 11,4 км/с.

Геосинхронная орбита вокруг Пончика очень близка к внешнему экватору, менее 2000 км. Летающий по ней спутник будет оставаться над одним местом, но, в отличие от Земли, он не сможет покрывать передачами всё полушарие, только небольшой район.

С другой стороны, окружная скорость на экваторе равна 6,5 км/с, и запуски проводить проще. Ракете, запущенной на восток, требуется скорость всего в 4,9 км/с, чтобы убежать.

В середине отверстия существует нестабильная точка Лагранжа. Спутник там будет притягиваться к экваториальной плоскости, но любое отклонение от неё будет усиливаться.

Обруч



Рис. 4: поверхностная гравитация (м/с2) Обруча

У Обруча гравитация вдоль полюсов равна 1,1 G, а вдоль внешнего экватора – всего 0,75 G. На внутреннем экваторе она чуть побольше, порядка 0,81 G.

Скорость убегания – 19 км/с (вспомним, что планета весит в 6 раз больше Земли). На внешнем экваторе скорость убегания равна 9,9 км/с – ракете, запущенной на восток, нужно будет придать скорость в 10 км/с.

Ещё раз отмечу, что низкая гравитация на экваторе и высокая на полюсах не означает, что вещи будут скатываться или переползать к полюсам: как уже упоминалось, поверхность будет эквипотенциальной, поэтому гравитация совместно с центробежной коррекцией всегда будет к ней перпендикулярна.

Воздушные массы, текущие к полюсам, будут сплющиваться. Разница в гравитациях создаст горизонтальную разницу давлений, которая будет, действуя совместно с температурной разницей, создавать нетривиальные потоки.

Свет


Ночи и дни на таких мирах будут очень короткими. У окружающей среды не будет времени остыть или разогреться во время ежедневных циклов. Имеет значение разница в количестве света, получаемого во время более длинных периодов, то есть, сезонов. Если эти миры будут двигаться по орбите, схожей с земной, вокруг солнцеподобной звезды, это будет иметь значение.

Если орбита будет меньше, приливные силы довольно скоро сделают эти планеты нестабильными. Поскольку яркость звезды растёт примерно как четвёртая степень её массы, а радиус жилой зоны растёт, как квадратный корень яркости, то в жилой зоне масштаб приливных сил будет равен M/(v(M4))3=1/M5. То есть у ярких звёзд приливные эффекты будут куда как меньшими – возможно, Пончику и Обручу лучше вращаться вокруг бело-голубой звезды класса F, а не вокруг звезды класса G, как наше Солнце, просто на всякий случай.

Внешняя часть тороидальной планеты не слишком отличается от поверхности нормальной эллипсоидной. День настаёт, когда солнце встаёт над восточным горизонтом, а закат происходит над западным. Солнце проходит по большому кругу, медленно сдвигающемуся с севера на юг и обратно в течение года, что обеспечивает наличие сезонов. Однако на внутренней стороне планеты всё по-другому. Другие части планеты могут закрывать солнце – в первом приближении можно ожидать получения меньшей энергии.

Мы можем рассмотреть три различных случая: нулевой наклон оси, 23 градуса (как у Земли) и 45 градусов.

Нулевой наклон


При нулевом наклоне внутренняя сторона солнца не увидит: оно всегда будет спрятано за горизонтом или за мировой аркой. На полюсах солнце движется вдоль горизонта, а чуть ближе к центру всегда будут сумерки. Температурные различия будут большими, внутренняя часть планеты будет подвержена субарктическим температурам – это не сильно отличается от мира с синхронным вращением, и в принципе в этих местах вода (и, возможно, диоксид углерода) должны быть всегда сконденсированы. В результате на внешнем экваторе должны быть засушливые (возможно, не слишком жаркие места), возможно, обитаемые сумеречные околополюсные регионы, и заледенелая внутренняя часть.

Наклон в 23 градуса



Рис. 5: сезоны на Пончике весной, летом, осенью и зимой

Для наклона в 23 градуса, совпадающего с земным, весна и осень будут совпадать с нулевым наклоном – светло вдоль экватора и темно внутри, рядом с отверстием. Летом и зимой у солнца будет шанс проникать за обод, на противоположную сторону отверстия. Также будут существовать большие участки с солнцем в полночь или с вечной ночью летом или зимой. На Земле полярные регионы небольшие, но здесь они будут представлять собой длинные непрерывные круги.

Весенние рассветы и осенние сумерки на внутренней стороне должны давать удивительные глубокие цвета, поскольку солнце будет вставать сквозь атмосферу на другой стороне планеты (предварительно взошедшее или заходящее, если можно так выразиться). Всё это вместе с местными атмосферными оптическими эффектами даст очень глубокие красные цвета и градиенты. Сразу до или после заката или рассвета будут видны части солнечной короны.

Это зрелище было бы более впечатляющим, если бы не было таким коротким. На Земле солнце проходит порядка 15° в час. В самом быстром случае солнце проходит один свой диаметр за 2,1 мин. На Пончике солнце будет проходить 127° в час, а на Обруче — 102°. Восход и закат будут занимать 15 или 19 секунд соответственно. Наклонный угол и атмосферные задержки немного продлят зрелище, но для жителя земли оно будет слишком коротким.

Если вы будете стоять на внутренней стороне поверхности и смотреть вверх, то другая сторона будет занимать 20 градусов неба на Обруче и 30 градусов на Пончике – огромная арка через всё небо.

Почему Пончик не сильно шире? Он очень плоский, поэтому в небе выглядит укороченным. Это, кстати, значит, что при рефракции солнечного света через атмосферу другой стороны во время рассвета или заката красные цвета будут гораздо глубже, чем на Обруче.

Внутри освещённая противоположная часть тора будет освещать всё на манер лунного света. Но площадь поверхности будет больше, поэтому ночи будут гораздо ярче. На Обруче свет будет в 16000 раз сильнее Земного (8000 люкс), когда освещена вся противоположная часть (альбедо примем равным Земному), и ночь будет подобна облачному дню. На Пончике освещение будет достигать неяркого дневного (12000 люкс). Но это ситуация полностью освещённой противоположной стороны – во время равноденствия будет видна только тонкая полоска.


Рис. 6: средняя освещённость за день на Пончике во время весны, лета, осени и зимы для случая с уклоном в 23 градуса

В случае с Пончиком довольно плоская поверхность означает, что северное или южное полушарие (полуторие) получат много солнечного света. Общий разогрев планеты будет большим во время этих сезонов, чем во время весны и осени, в отличие от Земли, где он постоянный, поскольку остаётся постоянной получающая свет площадь. Также будут наблюдаться нетривиальные эффекты из-за углов между поверхностью и солнечным светом, и зоны умеренного климата будут получать немного меньше энергии, чем полярные регионы и тропики.

На внешних тропиках будет примерно одинаковый приток солнечной энергии. По направлению к полюсам сезонность ощущается сильнее: тропики летом получают больше энергии, чем экватор в любое время. Зимы будут настолько же темнее. На полюсах и за ними, на внутренней стороне в местах с максимальной гравитацией солнце будет видно по полгода, а затем будет полярная ночь. Тут климат будет резко меняться – на внешних тропиках хотя бы будут ночи по 1,5 часа, а здесь они будут длиться по 6 месяцев. Наконец, ближе к внутреннему экватору рядом с отверстием, день и ночь будут равны зимой (и ещё добавится свет, отражённый другой стороной), поэтому температура будет чуть повыше.


Рис. 7: средняя освещённость во время разных сезонов на Пончике, как функция от широты в случае с 23 градусами. 0 обозначает внешний экватор, 90 – северный полюс, 180 – внутренний экватор, 270 – южный полюс.

Большое различие в объеме энергии, получаемой на солнечной летней стороне отверстия и на тёмной зимней стороне отверстия приведёт к появлению сильной непогоды – но из-за других странностей этих миров уравнять разницы энергий будет тяжелее, чем на Земле.

В среднем экваториальная внешняя часть будет получать в 2,5 раза больше энергии, чем полярные части, а внутренняя часть будет получать в четыре раза меньше энергии, чем прилегающие районы.


Рис. 8: энергия на разных широтах Пончика

Обруч отбрасывает на себя меньше тени. Что более важно, он не такой плоский, как Пончик.


Рис. 9: среднее освещение во время дня на Обруче, 23 градуса


Рис. 10: среднее освещение во время разных сезонов на Обруче, как функция от широты в случае с 23 градусами. 0 обозначает внешний экватор, 90 – северный полюс, 180 – внутренний экватор, 270 – южный полюс.

На первый взгляд сезоны выглядят ожидаемо. Весной и осенью внутренние части будут скрыты в тени, летом и зимой один полярный регион освещён сильнее, а другой слабее, а внутренние части получат своё освещение. Это приведёт к наличию сезонного цикла во внутренней части планеты, идущего в два раза быстрее, чем на внешней (это будет так и на Пончике): тёплая погода будет в «июле» и в «январе».


Рис. 11: получаемая в течение года энергия на разных широтах Обруча

По сравнению с Пончиком это будет неинтуитивно – внутренний экватор получает больше света в течение года, чем полярные области. Можно ожидать, что климат будет напоминать Земной – полярные регионы холоднее, экваториальные теплее. Но на внешнем экваторе солнца всё равно будет больше на 60%.

Наклон в 45 градусов


Возможно, самое удивительное открытие ждёт нас при наклоне на достаточно большой градус – оказывается, что в этом случае на планете появятся четыре холодных и четыре горячих зоны!

Проще всего представить это, подумав о сферической планете с осью, наклонённой на 90 градусов – такой, как Уран. Полгода северный полюс повёрнут к солнцу, и большая часть полушария постоянно освещена. С приближением равноденствия ось начинает смотреть вбок, и планета освещается равномерно. Конечный результат – полюса нагреваются больше экватора. На тороидальном мире будет происходить то же самое, но полярные регионы там будут круговыми.


Рис. 12: энергия, получаемая в течение года на разных широтах Обруча в случае наклона 45 градусов

У Обруча разница будет не такой большой, порядка 10% общего освещения. Внешний экватор немного теплее полярных регионов и внутреннего экватора.

У Пончика разница побольше, но на практике на большей части поверхности преобладают средне тёплые полярные регионы. Внешний экватор лишь немного теплее соседних с ним температурных зон.

Геосфера


Площадь поверхности больше Земной, а отношение объёма к площади меньше (у пончика это 1300 км, у Обруча 1500 км, у Земли – 2124 км). В связи с этим можно ожидать, что наружу будет просачиваться больше термальной энергии, в результате чего вулканическая и тектоническая активности будут не такими сильными. Однако даже небольшое количество приливного разогрева из-за влияния солнца может освободить довольно много энергии углового момента. В случае Обруча внутри планеты будет в 6 раз больше радиоизотопов, чем на Земле, но лишь в 5 раз больше поверхности.

На дрейф континентов будет влиять разница внешнего и внутреннего радиусов. Круг, расположенный на r ближе к центру от круга радиуса R будет короче на 2 ? r км, и относительное изменение будет выражаться через r/R. Поэтому на обруче континентальной плите, движушейся с внешнего экватора через полюс ко внутреннему, необходимо будет сжаться до 43% от первоначального размера. На Пончике эффект ещё больше – она сожмётся до 12% от размера! Поэтому континентальные плиты, двигающиеся к центру, будут складываться, а плиты, двигающиеся к окраине, будут раскалываться. Так что ближе к внутреннему экватору ландшафт будет очень пересечённый.

Гравитация влияет на высоту гор. Разница между Обручем и Землёй будет небольшой, но на Пончике горы на полюсах могут быть в 1,5 раза больше (до 12 км), а рядом с экваторами в 3 раза больше (24 км). Если учесть общую морщинистость поверхности рядом с дыркой, то ландшафт может быть весьма впечатляющим.

Быстрое вращение приведёт к появлению сильного магнитного поля. Но в отличие от Земли, тут в полярных регионах северного сияния не будет, поскольку линии полей не будут пересекать поверхность. Подсчёт динамо-токов тороида может быть интересным, но это не мой уровень.

Атмосфера


Мы обнаружили, что освещённость будет меняться гораздо быстрее, поэтому на планете должны быть довольно сильные ветра, передающие тепло от горячих освещённых областей в холодные и тёмные. Но быстрое вращение означает, что сила Кориолиса будет оказывать существенное влияние на ветра и течения.

Сила Кориолиса заставляет воздух, двигающийся к или от оси вращения, загибаться, поскольку его скорость отличается от скорости поверхности. Участок воздуха, «покоящийся» близ экватора, на самом деле обладает большим импульсом, поскольку экватор быстро движется вокруг оси вращения: если этот воздух потечёт к полюсу, у него будет заметная скорость, направленная на запад или восток. Поэтому общие воздушные потоки не ограничиваются простой конвекцией от экватора к полюсам: при передаче тепла воздухом он, двигаясь к полюсу, закручивается и рождает пассаты.

На тороидальных мирах скорость вращения в 8 раз превышает земную, и разницы в скоростях больше. Воздух закручивается гораздо сильнее, создавая более узкие климатические зоны, чем на Земле. Насколько они будут узкие, сказать трудно, не проводя детальных атмосферных подсчётов, но это больше будет похоже на Юпитер, чем на Землю. Это означает, что передача тепла будет менее эффективной – температурные различия между горячими и холодными областями будут больше.

Скорее всего, там будет существовать внутритропическая зона конвергенции (Intertropical Convergence Zone, ITCZ) вокруг внешнего экватора, где ветра, сходящиеся с севера и юга, будут дуть на запад (пассаты), а тёплый воздух будет подниматься, двигаться по направлению от экватора, охлаждаться и спускаться на высоких или низких широтах (где должны существовать большие пустыни). Ощутимая сезонность, особенно на Пончике, сдвинет ITCZ на север и юг, что в некоторых регионах приведёт к появлению муссонов. Однако быстрое вращение сделает ячейку Хэдли тоньше, чем 30 градусов на Земле (насколько тоньше, довольно сложно оценить, поскольку это ещё зависит от меняющейся от широты гравитации).

Большое изменение температур на коротких расстояниях говорит о наличии жёстких погодных условий, хотя довольно сложно понять, какими именно они будут. Особенно ближе к дырке на Пончике сезонная погода будет очень дикой: тёплый воздух с освещённой стороны будет течь через неё, закручиваясь в большую воронку, и его будет балансировать холодный ветер с тёмной стороны, циркулирующий в противоположном направлении.

Высотные масштабы, падение давления с высотой, пропорционально гравитации. Поэтому на Пончике облака будут в 1,5-3 раза выше, чем земные, а на Обруче не будут особенно отличаться от земных.

Как и на Земле, на средних широтах смогут образовываться циклоны. Большее влияние силы Кориолиса приведёт к появлению более плотных ураганов – примерно в четыре раза меньше. Однако на Пончике они будут длиться дольше (поскольку большая шкала высоты даёт им больше воздуха для развития). Скорости ветра зависят от температурных различий между поверхностью океана и верхней частью атмосферы, которые в течение года могут сильно меняться.

Гидросфера


Количество воды на обоих мирах не сильно отличается от земного, хотя на Обруче, с массой в 6 раз больше, площадь будет всего в 5 раз больше, поэтому объём воды на нём будет на 20% больше из-за изначальной аккреции (поэтому при той же площади океаны будут глубже на 20%). Увеличенная масса может привлекать больше комет, но сложно оценить, насколько именно.

Большие сезонные колебания температуры будут более выражены дальше от океанов: континенты у полюсов будут обладать более экстремальной погодой, чем на экваторе. Их способность поддерживать полярные шапки во время полярного лета зависит от их конфигурации и фоновой температуры; поскольку лёд эффективно отражает солнечные лучи, а сила Кориолиса может удерживать эти области от разогрева, то наличие таких шапок вполне вероятно. То же можно сказать и о морском льде, хотя тут могут появляться тёплые морские течения. Поскольку течение воды в океане ограничивается формой бассейна, сила Кориолиса просто будет обеспечивать круговое вращение, и не будет предотвращать потоки с севера на юг. Большие океаны, типа Тихого, будут больше растянуты с запада на восток.

Низкая гравитация рядом с экватором приведёт к появлению высоких волн на Пончике: можно ожидать, что они будут в три раза больше земных. На полюсах Пончика волны будут достигать 150% от земных. Обруч будет ближе к привычным волнам (133% на экваторе, 90% на полюсах). Плохая погода в период лета и зимы ближе к центру Пончика приведёт к появлению гигантских штормовых волн.

Биосфера


Исходя из этих соображений можно представить наличие на Пончике и Обруче биосферы, довольно похожей на земную. На Земле существа неплохо адаптировались к штормам, плохой погоде, длинным зимам. Экосистемы могут интересным образом меняться в зависимости от широты, поскольку различий между поясами там больше, чем на Земле (гравитация, сезонность, температуры). Также, по крайней мере на Обруче, у каждого пояса будет гораздо больше площадь – больше места для разнообразия видов в каждой экологической нише.

Луны


Смогут ли эти миры удерживать луны?

Луна, обращающаяся в плоскости экватора по круговой орбите около тороида, не будет ощущать отличий от круглой планеты. Однако при приобретении эксцентричности всё будет усложняться. Потенциальное поле при приближении к планете падает медленнее, чем 1/r, как у нормальных планет: эллипс Кеплера уже не подойдёт в качестве решения. С наклоном орбиты система становится ещё более сложной – теперь луна будет чувствовать уплощённость планеты.

В каком-то смысле с похожей проблемой уже сталкиваются разработчики спутников: Земля достаточно сплющена у полюсов, чтобы это было заметно. Эту проблему решали на ранних стадиях космических полётов (Wikipedia, (Tremaine & Yavetz 2013) or (Nielsen, Goodwin,& Mersman 1958)).

По сути, эллиптическая орбита подвержена прецессии – постепенно меняет направление, и в случае с Землёй это зависит от наклона орбиты. Эксцентричность тоже может плавать. В любом случае для тороида эти эффекты будут выражены ярче. Они будут настолько сильными, что стандартные методы расчётов уже не работают, и нам придётся проводить компьютерные симуляции.

Уверен, что луны на достаточно удалённых круговых орбитах будут вести себя достаточно стабильно. Скорее всего, они будут подвержены прецессии, поэтому их орбита будет больше похожа на розетку, чем на эллипс, но с катушек слетать они не будут. Конечно, если орбита луны ближе, всё будет по-другому.

В симуляции (я использовал не полный тор, а кольцо из 30 масс) мне открылось несколько возможностей. Экваториальная эллиптическая орбита выглядит аккуратной и стабильной, но прецессия превращает её в розетку.



Околополярная орбита прецессирует ещё больше, появляется не только розетка, но и прецессия плоскости. Луна на небе может появиться в любом созвездии.



Что насчёт орбит, проходящих через дырку? Как я уже отмечал ранее, геометрический центр – нестабильная точка Лагранжа. Если там расположить луну, то любой удар выбьет её оттуда. Но существуют стабильно выглядящие орбиты через центр (точнее, при любом воздействии они превратятся в другую похожую по форме орбиту). Простейший вариант – луна, болтающаяся туда и сюда через дырку, как маятник:



Можно представить луну, пролетающую на определённой долготе:



С приобретением скорости по долготе она будет перемещаться в дырке:



Что насчёт траекторий, проходящих через дырку в одном направлении? Оказалось, существует довольно много орбит-восьмёрок, рисующих большой тороидальный клубок.





Обратите внимание, что орбита немного вытянута. С «апогея», над внешним экватором, она проходит через дырку, появляется на обратной стороне, где испытывает перигей в точке, противоположной начальной. Затем она вновь проходит через дырку, и выходит рядом с тем местом, где начала движение – но прецессия закручивает её по тору.

Эти симуляции стоит воспринимать как первичные черновики – реальные вычисления требуют большей точностью. Моей численной точности не хватает для того, чтобы оценить долговременную стабильность. Гравитационные поля Пончика и Обруча выглядят ещё сложнее из-за их сплющенности, а ещё свой вклад будут вносить солнце и другие планеты.

Приливные силы


Приливные силы – это проблема. Представьте себе луну, движущуюся вокруг тороида. За ней образуются вздутие воды и камня. Быстрое вращение будет толкать вздутие вперёд луны (если луна движется в направлении вращения планеты и находится над геостационарной орбитой). Притяжение вздутия будет само тащить луну вперёд, придавая ей ускорение – и в космосе это заставляет луне двигаться по более высокой орбите. Именно так Луна переняла достаточно много углового момента Земли, замедлила её вращение и отдалилась от неё. В случае быстрого вращения, как у наших тороидов, эффект будет заметнее: луны будут улетать от планеты и, вероятно, теряться.

Что будет с лунами, находящимися близко, ниже геостационарной орбиты? Они будут двигаться быстрее вздутия, которое будет их замедлять. Орбита будет понижаться. Вскоре они по спирали опустятся вниз и превратятся в гигантские метеоры. То же случится с лунами, движущимися в противоположном направлении. Конечно, если луна будет достаточно большой, приливные силы могут разорвать её и превратить в кольцо.

Более широкие орбиты, проходящие через дырку, скорее всего, будут терять стабильность. Орбиты-маятники будут приобретать угловой момент из-за вздутия, и луна будет двигаться быстрее и быстрее, пока не улетит от планеты, или не упадёт. Некоторые орбиты-восьмёрки могут войти в резонанс и в равных долях приобретать и терять энергию, но их будет подстерегать сходная проблема. Так что, скорее всего, у тороидов не будет по-настоящему экзотических лун. Однако никто не запрещает запускать искусственные спутники с поддержкой орбит. Орбиты-маятники могут пригодиться спутникам связи на внутренней поверхности тора.

Итог


Тороидальные миры вряд ли появятся естественным образом. Но если появятся, это будут удивительные места для поиска приключений. Большая площадь поверхности. Регионы с сильно отличающимся климатом, сезонами, гравитацией и экосистемами. Удивительное небо на внутренней стороне. Необузданная погода. Луны на странных орбитах.

Хорошо бы научиться создавать их не только в симуляциях.

Андерс Сандберг — исследователь, участник научных дебатов, футуролог, трансгуманист и писатель. Он получил степень доктора философии в вычислительной нейробиологии в Стокгольмском университете, и в настоящее время является научным сотрудником Исследовательского общества Джеймса Мартина в Институте будущего человечества при Оксфордском университете.

Комментарии (124)


  1. ananazzz
    15.11.2017 18:28

    Мне бы столько свободного времени…


  1. begemot_sun
    15.11.2017 19:04

    Где нить на просторах сети есть рендеры картинок тороидального мира? было бы интересно.


    1. voyager-1
      15.11.2017 20:04

      Гуглите по названию Stanford torus (Стенфордский тор). Кадры с такой станцией были в конце фильма «Интерстеллар», ну и конечно тут нельзя культовую «Космическую одиссею 2001 года» не упомянуть (хотя там конечно только станция была, а не целая космическая колония).


      1. gerahmurov
        15.11.2017 20:23

        Так там с внутренних стенок живут. А с внешних?


        1. voyager-1
          15.11.2017 20:55

          Для этого масса тора должна быть больше земной массы в несколько раз, иначе у вас весь воздух с этого «бублика» в космос утечёт: у тора притяжение само по себе меньше получается + кроме 1 км/с скорости разогретых частиц в верхней атмосфере у вас есть ещё несколько км/с от вращения (при земных 1G гравитации 2-3 км/с скорости частиц атмосферы уже должно хватить для того чтобы лишиться всей атмосферы за несколько млн лет насколько помню).

          Так что выбирать получается придётся что-нибудь одно: или можно лёгкий доступ в космос, или можно дышать воздухом, физику тут к сожалению не обманешь).


          1. georgeci
            16.11.2017 16:54

            В статье как раз возможность этого и обсуждается.


          1. gerahmurov
            16.11.2017 17:44

            Не очень представляю формирование планеты с полостью внутри бублика. Так что скорее усложнённый космос, если говорить о планете.


          1. Victor_koly
            16.11.2017 18:02

            2-3 км/с не улетят с Земли. Но какой-то очень малый процент молекул действительно достигнет первой космической и останутся летать на большой высоте, а ещё меньший процент из них — достигнет 2й космической или хотя бы будут способны просочиться в область превышения гравитации Луны на земной.



  1. Arxitektor
    15.11.2017 19:13

    Можно даже целую серию фантастики выпустить )
    На тему герой на такой платете )


    1. advan20092
      15.11.2017 21:25

      Мир-кольцо уже есть


      1. hdfan2
        16.11.2017 08:15

        Это не то кольцо. Мир-кольцо немножко побольше. На несколько порядков.


    1. Exkluzif
      15.11.2017 21:25

      Лари Нивен, серия книг «Мир кольцо» — добро пожаловать!


  1. stalinets
    15.11.2017 19:23
    +1

    Ну что, будет в KSP запуск спутника с такой планеты?


    1. dfgwer
      15.11.2017 21:51

      В КСП невозможно поставить неточечную гравитирующую массу. Также в ксп нет задачи трех тел, делая невозможным приближение через много точек.


  1. dfgwer
    15.11.2017 19:53

    Тороидальная планета, когда-то обсуждали на fai, тут выжимка тех обсуждений.


  1. alexhott
    15.11.2017 20:00

    а два сцепленных бублика могут существовать?


    1. perfect_genius
      15.11.2017 20:17

      Пожалуйста:
      image


    1. voyager-1
      15.11.2017 20:17

      Один внутри другого — ещё как-то можно представить (теоретически). Два сцепленных — нет, просто все мелкие астероиды которые образуют вращающийся шар пересталкиваются между собой ещё до того как сформируют «бублики». И даже если их искусственно в таком виде создать — они столкнуться и разрушатся, так как центры масс обоих этих «бубликов» будут пытаться за счёт гравитационного притяжения занять центры масс друг друга.


      1. vasimv
        15.11.2017 21:33

        Ну, можно всю эту конструкцию закрутить относительно общей оси, чтобы их центробежная сила растаскивала в стороны с силой достаточной для компенсации взаимного притяжения. Но, конечно, долго не продержится, да и разрушаться будут.


  1. mikhaelkh
    15.11.2017 20:17

    Так как тор гомеоморфен шару с ручкой, а тоннель под Ла-Маншем по сути — дырка в ручке, наша Земля — один из примеров тороидальной планеты.


    1. x67
      16.11.2017 20:07

      Я бы сказал, что наша земля — космический чайник, несущийся в неизвестность сквозь время и пространство)


  1. bbidox
    15.11.2017 20:40

    Мир-Кольцо было, теперь Мир-Бублик!


  1. lexab
    15.11.2017 21:25

    Вот ты какой, плоский мир Discworld…


  1. xxWolf
    15.11.2017 21:25

    Интересно, как самолеты будут летать над тороидом. Особенно, через дырку.


    1. dfgwer
      15.11.2017 21:49

      В центре дырки не воздуха. Как обычные самолеты


      1. askv
        15.11.2017 22:11

        Допустим, воздуха там нет. Но они могут, разогнавшись, проскочить через неё, не летя вдоль внутренней поверхности?


        1. sumanai
          15.11.2017 22:43
          +1

          Затраты там будут не намного меньше затрат на взлёт космического корабля. Нефиговый самолёт выходит.


          1. askv
            16.11.2017 08:27

            Тогда на многоразовой ракете, как Маск предложил :)


            1. zagayevskiy
              16.11.2017 15:19

              Мост построить. Делов-то.


              1. askv
                16.11.2017 21:17

                Только не мост, а лифт. С невесомостью в середине пути…


        1. bak
          15.11.2017 23:19

          Предположим что речь идёт о сверхзвуковом пассажирском самолёте, разогнавшемся до 2000 км/ч. С гравитацией 0.3G (3м/с) он потеряет свою скорость примерно за 3 минуты, чего явно не хватит для преодоления 1300 км до центра (даже с учетом постепенно уменьшающейся гравитации).


  1. KodyWiremane
    15.11.2017 21:25

    Пользуясь случаем, а кто-нибудь моделировал близко вращающиеся планеты, соединённые общим для обеих частей океаном? Такое вообще возмможно?


    1. dfgwer
      15.11.2017 21:44
      +2

      Они нагреются от трения и испарятся. Кинетическая энергия в тепловую, сила трения сразу испарит со взрывом. Даже если они будут синхронизированы как шестеренки, чтобы относительные скорости в месте контакта будут почти нулевые, из-за сферичности разность не будет точно равно 0. Разогрев и испарения. Еще есть приливные силы, близкие планеты создадут чудовищные приливы, разогревая планеты до состояния Ио. Предел Роша, приливные силы будут растягивать планеты и при сближении порвут планету на диск.
      Единственное что возможно, легкие планеты вдали от звезды, типо Плутона, при отсутствии звездного ветра они сохранят протяженную разреженную атмосферу и возможно смогут существовать в одной, очень протяженной и разреженной атмосфере.
      ПС Возможно вы имели ввиду гравитационно-сцепленные планеты всегда обращенные друг другу одной стороной? Сразу в голову не пришло. Тогда приливы и силы трения не проблема. Однако предел Роша остается в силе. Такие двойные звезды существуют, планеты наверняка тоже, только соединенные общей атмосферой.


      1. KodyWiremane
        16.11.2017 00:02

        dfgwer, tgx, однажды посетила мысль о двойной планете, части которой (вероятно, примерно одинаковой массы) объединены общим объёмом жидкости, в котором живые существа могли бы путешествовать с одной части на другую:

        О=О

        Показалось довольно занятным. К сожалению, в понимании гравитации я застрял на взаимодействии материальных точек, так что «гравитационный градиент» в объёме целого космического тела — это для меня rocket science. Интересует любая возможность: гравитационное сцепление — отлично; предел Роша (впервые загуглил сегодня) — можно оставить планеты за пределом, а воду как-нибудь всё-таки впихнуть между ними, или для требуемой массы предел слишком широким будет? (Вообще, чисто гравитационно, в этой воде плавать-то можно будет с планеты на планету?)


        1. PaulAtreides
          16.11.2017 01:40

          Боб Шоу. Астронавты в Лохмотьях.


          1. KodyWiremane
            16.11.2017 21:42

            По аннотации — круть, жаль только, что (видимо) без межпланетной воды.

            DrZlodberg, похоже, без магии, как в «Многоярусном мире», не обойтись…


            1. PaulAtreides
              16.11.2017 23:41

              Только с межпланетной атмосферой. :)


            1. DrZlodberg
              17.11.2017 09:02

              «Высокие технологии неотличимы от магии» А.Кларк, если не ошибаюсь. :)
              В сделанном мире при наличии, например, возможности управлять тяготением — задача вполне решаема в любой комбинации. А кто знает, что там в будущем изобретут…


              1. Zenitchik
                17.11.2017 15:40

                Кларк ошибался. Если человек перестаёт отличать технологии от магии — значит у него нет образования.


                1. DrZlodberg
                  17.11.2017 17:48

                  Я бы поспорил. Смысл не в магии, смысл в отсутствии возможности понять, как оно там работает. И чем дальше, тем больше технологий, для понимания которых требуется даже не техническое, а достаточно специальное образование. Про гуманитарное (или мы его образованием не считаем?) я вообще молчу.


                  1. Zenitchik
                    17.11.2017 21:55

                    И чем дальше, тем больше технологий, для понимания которых требуется даже не техническое, а достаточно специальное образование.

                    Смотря что называть пониманием. Если знать подробности — это одно, а если общий принцип — это другое.


                    1. DrZlodberg
                      17.11.2017 22:21

                      Ну вот как пример — я знаю как работает комп до уровня физики. А вот работа квантового проца (который уже реальность) для меня по прежнему магия, хотя прочитано про них много. :( Считать ли мне себя необразованным? А как в реале работает чёрная дыра изнутри так вообще толком никто не знает. Разве что «общий принцип».
                      Да и не думаю, что есть кто-то живой, кто имеет представление обо всём уже известном на свете. Ибо это «обовсё» крайне объёмно быстро растёт.


                      1. Zenitchik
                        17.11.2017 23:36

                        для меня по прежнему магия, хотя прочитано про них много.


                        Поделитесь источниками. Попробую вникнуть.

                        А как в реале работает чёрная дыра изнутри так вообще толком никто не знает


                        С каких пор чёрная дыра относится к технике?


                        1. DrZlodberg
                          17.11.2017 23:49

                          Основной источник — статьи тут/на хабре. Я не понимаю сам квантмех. Там чем больше пытаешься понять, тем больше понимаешь, что ни черта не понимаешь. Надо будет как-нибудь собраться с духом и временем, и попробовать более обстоятельно разобраться. Но это так, как пример. Суть послания была в другом — всегда можно найти какую-то область, в которой ты не разбираешься. И даже если это исправить — см начало.

                          Ок, ЧД — не самый удачный пример. По крайней мере до тех пор, пока их не научатся создавать искусственно и использовать. Однако теоретически как их создать знают, так что…


                          1. Zenitchik
                            18.11.2017 02:25

                            Основной источник — статьи тут/на хабре

                            Так себе источник.

                            всегда можно найти какую-то область, в которой ты не разбираешься

                            Вы опять повышаете планку. Не надо.


                            1. DrZlodberg
                              18.11.2017 11:21

                              Возможно. Однако тут обычно вполне неплохой баланс между простотой объяснения и содержанием. Более специфичная литература по таким темам навевает кошмары даже предисловием.

                              Про планку, пардон, не понял.


                              1. Zenitchik
                                18.11.2017 13:35

                                Про планку, пардон, не понял.

                                Я говорю про понимание общего принципа, а вы переводите разговор на умение разбираться в деталях.

                                Более специфичная литература по таким темам навевает кошмары даже предисловием.

                                Сочувствую. У меня — нет.


                                1. DrZlodberg
                                  18.11.2017 13:41

                                  Ок, вернёмся к примеру с квант-компом. Общий принцип я знаю. Но почему это работает? Магия.
                                  Где тут провести эту планку? Разве что между людьми, которые уверены, что знают, и теми, кто понимает, что не знает.


                    1. muxa_ru
                      18.11.2017 04:46

                      Смотря что называть пониманием. Если знать подробности — это одно, а если общий принцип — это другое.


                      — нужна кровь невинной человеческой души (девственницы)
                      — кровь исчадия тьмы (летучая мышь)
                      — существо соединяющее оба этих мира (жуки-светлячки)

                      Всё это помещать и выпить во время полнолуния при ретроградном Марсе. Или Сатурне.

                      Я в подробностях не особо разбираюсь, но общий принцип такой как я описал выше.


                      1. Zenitchik
                        18.11.2017 13:36

                        Это не общий принцип, это инструкция пользователя. К тому же плохая.


                        1. muxa_ru
                          18.11.2017 17:34

                          > Это не общий принцип, это инструкция пользователя.

                          Ну вот именно на таком уровне и находится понимание общих принципов современных технологий у большинства людей.


                1. black_semargl
                  17.11.2017 23:42

                  Чем выше технологии — тем уже область знаний, про которую можно получить образование конкретному человеку. Потому что мозги и время не бесконечные.
                  И всё за её пределами неотличимо от магии


                  1. Zenitchik
                    18.11.2017 02:27

                    И Вы туда же? Я же не о специализации, а о понимании принципа.

                    И всё за её пределами неотличимо от магии

                    Категорически не согласен. У меня не получается вспомнить ни одной отрасли техники, которая лично мне казалась бы похожа на магию.


              1. KodyWiremane
                17.11.2017 20:19

                В общем-то, это я тоже имел в виду).


        1. DrZlodberg
          16.11.2017 10:38

          Есть такая серия книг — «Многоярусный мир». Там каждый создавал себе собственную микровселенную (размером чуток больше планеты) с собственными законами. В частности была планета, у которой периодически в произвольном месте кусок выделялся в луну (со всем, что на нём было), а потом джоинился обратно. Типа — лунный месяц :)

          Ещё было какое-то произведение, где атмосферы касались, и можно было на дирижаблях на другую планету летать.

          Но вообще интуитивно кажется, что разорвёт их.

          PS: Поискал книгу из предыдущего комментария — похоже это как раз вторая, про атмосферу. :)


    1. tgx
      15.11.2017 22:03

      Интересный вопрос. Вы говорите о такой конфигурации?


      1. sumanai
        15.11.2017 22:44
        +1

        Тут массы перетекают, а человек выше говорил о стабильной конфигурации водного моста.


        1. tgx
          15.11.2017 23:57

          Тоже предполагаю, что неявно подразумевался случай «стабильного» водного моста между двумя планетами. Я не специалист в астрофизике и запутался в ответе dfgwer, поэтому решил уточнить вопрос картинкой (отмечу, что на картинке не планеты, картинка показывает только конфигурацию задачи).

          Хочу уточнить несколько моментов.
          1. Гравитационно-сцепленные планеты это как, например, Плутон-Харон, Земля-Луна? То есть так:
          image

          2. Почему в такой конфигурации приливы и силы трения не проблема? В контексте ответа, видимо, речь о том, что не будет обусловленного этими эффектами разогрева планет. А что на счет разогрева «стабильного» водного моста?

          3. Полагаю в этой задаче борьба гравитационных и межмолекулярных сил притяжения в конденсированном теле (среда океанов). По наивным предположениям гравитационные силы доминируют и никакого «стабильного» водного моста существовать не может. Так ли это? Интересно, возможно ли существование системы из твердого тела в форме гантели (очевидно это предельный случай с сильными связями – кристаллическая решетка)?

          4. Думаю если говорить не о планетах, а о телах с жидкостью на поверхности, то, видимо, существуют геометрические параметры задачи (размеры тел, расстояния и прочее), с которыми «стабильный» водный мост может существовать. Но речь не о планетах.

          5. Кстати, какое определение планеты? Если судить по Wikipedia, то ведь можно под это понятие и каплю воды подвести (если нет соседей вокруг).


          1. vedenin1980
            16.11.2017 00:23

            то ведь можно под это понятие и каплю воды подвести

            Нельзя — капля воды круглая за счет поверхностного натяжения жидкостей, а не собственной гравитации.


            1. tgx
              16.11.2017 00:45

              Согласен, тогда в определении подразумевается, что гравитация – доминирующий эффект.

              Но на каком масштабе? Давайте рассмотрим множество нейтральных частиц. До микрометров включительно доминируют флуктуационные силы (Ван-дер-Ваальс, Казимир). Эти силы будут приводить к притяжению частиц с образованием тела. Это точно не планета. Но как только гравитационное притяжение превысит флуктуационное притяжение (масса совокупности частиц увеличилась), то станет ли объект планетой? Здесь надо как-то еще рассмотреть сферичность формы тела. Не сочтите за спекуляции понятиями, просто хочу разобраться.


            1. DrZlodberg
              16.11.2017 10:47

              Зависит от размеров капли. В невесомости (а у нас же нет соседей по условию) капля может быть любых размеров. Правда с некоторых там начнётся уже образование ледяного ядра, как я понимаю. Просто за счёт давления. Т.е. она будет уже не совсем каплей, а иметь сложную структуру.


          1. dfgwer
            16.11.2017 10:27

            1. Да это так. Только Земля-Луна не полностью сцеплена, Луна всегда направлена одной стороной к Земле, а сторона Земли направленная к Луне меняется. Из-за этого на Земле возникают приливы.
            2. Приливов (бегающая за Луной волна) нет, они всегда направлены друг к друг одной стороной. Сил трения нет, точки поверхности покоятся относительно друг друга.
            3. Поверхность океана принимает форму эквипотенциальной поверхности. Для шара это шар и на поверхности океана потенциальная энергия силы тяжести везде одинакова. Для двух тел, поверхность выглядит такimage
            Водяной и атмосферный мостик существовать могут, только похоже нестабильны.
            Прочность кристаллической решетки в масштабах планет пренебрежимо, меньшие тела могут существовать (комета Чурюмова-Герасименко).


    1. black_semargl
      16.11.2017 00:58

      Проблема в том, что обратная связь — положительна.
      Т.е. перетекание массы с одной на другую будет увеличивать скорость перетекания.
      Т.е. даже если они первоначально будут абсолютно одинаковы — первый же случайно перелетевший атом создаст дисбаланс который будет только нарастать.


      1. KodyWiremane
        16.11.2017 01:20

        А если увеличить массу воды (чтобы сделать её основной массой), планеты затормозятся и упадут к центру? must sleep


        1. black_semargl
          16.11.2017 10:06

          Перетечёт с одной на другую…


      1. dfgwer
        16.11.2017 10:36

        Похоже есть решение с обратной отрицательной связью.
        Что куда перетекает, зависит от глубины потенциальной ямы, где глубже туда и будет перетекать. Глубина увеличивается с увеличением плотности и массы. Если перетекает неплотная жидкость или газ, может случиться так, что уменьшение плотности от увеличения объема будет сильнее.


        1. KodyWiremane
          16.11.2017 22:07

          Если масса воды будет порядка массы планеты? Это как-нибудь поможет?


    1. Alcpp
      19.11.2017 02:05

      Когда-то снился сон, что Луна вышла на такую орбиту у Земли, что висела в некоторых местах в 2 метрах от поверхности Земли. Хотелось рукой достать.

      Интересно, кто нибудь такое моделировал, что планеты очень близко, но не соприкасаются.
      Предположим горы и холмы были снесены во время первого прохода Луны.


      1. askv
        19.11.2017 06:08

        Такое вряд ли возможно — спутник скорее всего будет разрушен приливными силами.


        1. Fagot63
          19.11.2017 10:11

          Была даже книга где планеты прошлись слишком близко друг к другу и обменялись кусками поверхности, в результате горстка выживших оказалась на другой обитаемой планете с экзотичной фауной.


  1. seminole
    16.11.2017 00:14

    Самое главное то что на такой планете не будет циклонов и ураганов и вообще говоря климат будет стабильный, с разными температурными зонами, разным атмосферным давлением в разных зонах но при это очень устойчивым. Главная причина это Теорема о причёсывании ежа


    Собственно поэтому всем так нравятся Токамаки


    1. vedenin1980
      16.11.2017 00:32

      Теорема о причёсывании ежа ничего не говорит о таких планетах, она только утверждает что на сферической планете всегда будут циклоны.

      На такой планете скорее всего наоборот будут постоянные циклоны и ураганы, просто потому что гравитация сильно отличается с высотой, температура в разных местах очень разные, от этого воздух будет постоянно перемещается из одной точки в другую.


      1. seminole
        16.11.2017 03:23

        Предлагаю компромисс — постоянные дующие в одном направлении ветры


        1. arheops
          16.11.2017 04:35

          такие ветры на замкнутом теле — невозможны. Даже если взять цилиндр(не шар), то на краях цилиндра будет замедление ветра, что приведет к циклону.


          1. seminole
            16.11.2017 06:31

            А что насчет разомкнутых тел? или например давайте куб попробуем или параллелепипед?


            1. arheops
              16.11.2017 08:07

              на разомкнутом бесконечно малой ширины(круг) — можно. в других вариантах врятли, но это неочевидно. почитайте про историю теоремы о причесывании.


  1. hdfan2
    16.11.2017 08:26

    Раз пошла такая пьянка — а может ли существовать планета из Last Exile?

    Кто не смотрел Last Exile, но собирается, под спойлер лучше не смотреть
    1. Shpiler
      16.11.2017 10:47

      Ну Престор это по сюжету именно две планеты с общей атмосферой. Как уже выше писали, увы, нет — их порвет. С другой стороны на скрине видно не только сами планеты, но и странную конструкцию вокруг. Если это, конечно, не визуализация атмосферы компьютером Экзайла, то можно предположить что эти песочные часы были специально построены вокруг планет колонистами для поддержания стабильности системы


  1. Androniy
    16.11.2017 08:27

    Будем называть два круга, параллельных плоскости вращения, экваторами (внешним и внутренним).
    Не круга, а окружности, по идее. Круг — сплошная фигура.
    На Пончике гравитация вдоль экваторов составляет всего 0,3 G...
    В подписи к картинке написано м/с^2, и цифры такие же. Так что скорее всего все-таки гравитация 0,3 м/с^2, что почти в 10 раз меньше, чем 0,3 G.


  1. DrZlodberg
    16.11.2017 10:26

    Выше уже упоминали «Мир-кольцо». Собственно формально это тоже тор. Может ли около маленькой звезды сформироваться из большого пояса астероидов тороидальная планета вокруг всей звезды?

    Из плюсов — нет проблем с раскруткой, т.к. по сути в масштабе системы это одномерный шнур. Локальная гравитация будет примерно как на бесконечной плоскости.

    Из минусов — освещёна только с одной стороны, т.е. не жилая в принципе.
    Спутник будет делать полный облёт очень долго.
    Луна планету может просто сломать.
    Так же непонятно, что с её устойчивостью даже без луны. Не начнёт ли она ломаться и комковаться в планету более традиционного дизайна. В смысле — самостоятельно. При наличии в системе другой подвижной массы — естественно рассыплется. Но потребное количество материала таково, что, скорее всего, на неё уйдёт весь запас из системы.
    Хотя, кольцо скорее всего разорвёт ещё в процессе сборки. Просто метеоритами или за счёт неравномерного оседания вещества. А жаль…


    1. dfgwer
      16.11.2017 10:39

      Представил себе жизнь и цивилизацию на кольцах Сатурна.


      1. DrZlodberg
        16.11.2017 10:49

        Если бы они могли существовать в жидкой форме… Хмм…


    1. KinsleR
      16.11.2017 11:18

      Мир-кольцо неустойчив, поэтому там появилось продолжение с корректирующими двигателями


      1. DrZlodberg
        16.11.2017 11:29

        Ух ты! Оказывается я пропустил 3 книги. :(


        1. KinsleR
          16.11.2017 11:31

          Рад дать наводку, но если честно, они уже не ахти воспринимаются…


          1. DrZlodberg
            16.11.2017 11:33

            Посмотрим. В любом случае, думаю, они будут лучше, чем большая часть современного. По крайней мере доступного на русском.


          1. Fagot63
            16.11.2017 12:16

            Есть в фантастике еще и газовый тор. «Интегральные деревья»


            1. KinsleR
              16.11.2017 12:19

              Кстати да, у меня воспоминание мелькнуло, но название не вспомнил, помню что долго думал как же относительно (в каком положении) звезды деревья летают и откуда пополняется атмосфера :)


              1. Zenitchik
                16.11.2017 14:18

                Ну, как «в каком» — осью на звезду. И из-за разницы кеплеровских скоростей, газ ниже дерева движется быстрее него, а выше — медленее, что приводит к изгибу ветвей в форме знака интеграла.
                Правда, непонятно, за счёт чего эти деревья противодействуют вращению.


                1. KinsleR
                  16.11.2017 14:20

                  вот именно что должна появляться еще одна ось вращения, дерево же не идеальное и потоки воздуха неламинарные


                  1. Zenitchik
                    16.11.2017 15:07

                    Ну, допустим, что осевому вращению дерево противодействует чисто аэродинамически — изогнутые ветви работают как флюгер.
                    А почему оно вокруг оси, нормальной к орбите, не вращается — непонятно.


                    1. Dima954
                      16.11.2017 20:22

                      Ну как бы из-за приливных сил, о чем там весьма подробно и на пальцах рассказывается. Т.е. каждое дерево, это своего рода луна, всегда повёрнутая к центральному телу одной стороной.
                      И еще на сюжете этих сил у Нивена рассказ построен, называется, если не ошибаюсь, «нейтронная звезда».


                      1. Zenitchik
                        16.11.2017 20:33

                        Т.е. приливные силы сильнее аэродинамических?
                        Дерево существенно асимметрично?


                        1. Dima954
                          16.11.2017 21:57

                          по книге — да, ну и вероятно, что так и есть при относительно большой массе дерева и относительно малой площади крон (их две)


    1. rPman
      16.11.2017 16:18

      >> Из минусов — освещёна только с одной стороны, т.е. не жилая в принципе.
      вращать вдоль оси


      1. DrZlodberg
        17.11.2017 08:41

        Сурово! Но вариант, да. Правда раскрутить будет не просто.


        1. rPman
          18.11.2017 02:53

          сравнимо с самой постройкой.

          любая конструкция такого размера должна строиться и состоять из компонентов, способных к движению, сначала для доставки самой части к нужному месту, затем для удержания и коррекции орбиты, ну и в последствии для раскрутки.

          полагаю, для защиты от метеоритов, двигатели необходимо оставить и в завершенной конструкции.


          1. DrZlodberg
            18.11.2017 11:27

            Неверно.
            Это не конструкция, это просто та же планета, но растянутая в кольцевую колбасу. С коррекцией орбиты да, сложно. Остальное не требуется. Согнать в узкое кольцо кучу астероидов — они уже имею необходимую орбитальную скорость (+- коррекция, да). Удержание атмосферы и прочее — за счёт естественной гравитации. По сути у нас условно бесконечный шнур, т.е. гравитация направлена к его оси везде.
            Тут сложность в том, чтобы эта штука не начала комковаться по длине. :(


            1. rPman
              18.11.2017 18:50

              кометы стабилизируются в планету лет эдак через сотню миллионов, вы согласны столько ждать

              согнать астероиды, стабилизировать — я об этих двигателях и говорю


              1. DrZlodberg
                19.11.2017 10:49

                Кометы в такую самостоятельно очень вряд-ли соберутся. И да, сборка в любом случае займёт немало времени. Но и сдвинуть один астероид и сдвинуть (синхронно) хреновину длинной в световые минуты и массой минимум с несколько юпитеров… А то и порядка самой звезды.


  1. stanislavskijvlad
    16.11.2017 11:34

    Крутая тема для игры!
    Шутер или выживалка.

    А ещё сразу Мир-кольцо вспомнился.
    Надо Бетезде подкинуть идею.


    1. Alex_v99
      16.11.2017 12:29

      Так Halo уже давно сделали же…


  1. vesper-bot
    16.11.2017 11:37

    Сдается мне, солнечные приливные силы затормозят вращение такой планеты чуть быстрее, чем на ней появится жизнь (для Земли это 2.2 млрд лет), и она схлопнется в «обычный» сфероид.


    1. Victor_koly
      16.11.2017 22:04

      Приливные силы не спешат тормозить Луну — за 2.2 млрд. лет не успели. Хотя конечно нужно посчитать, как влияет совмещение гравитации звезды и частей сфероида друг на друга.


      1. Zenitchik
        16.11.2017 22:11

        Луну они ускоряют. Она выше ГСО.


        1. Victor_koly
          16.11.2017 22:33

          Комментатор выше говорил про Солнце. Наличие спутника у такой планеты, тем более — с таким огромным (среди со всех 8 планет) отношением массы спутника к массе планеты — слишком фантастическая идея. Если не вспоминать, что такой мир вообще рассматривался как искусственное тело.


  1. Zloy_starik
    16.11.2017 13:19

    Жил на такой планете, не шибко удобно. Проблемы с гравитацией и сутки меняются слишком быстро для меня. Был ещё на планете в форме пирамидки, но у них жесткая иерархия в соц.строе. На разных сторонах, разная каста. Из за этого на сторону с самым хорошим климатом и красивой природой меня не пустили.


    1. EugeneButrik
      16.11.2017 15:30

      Хм… жить им было не удобно. А представьте каково нам было её конструировать. Этот бублик более менее стабилен только в собранном виде, а когда только начали каркас под него монтировать так намучились, что пришлось дополнительных спецов вызвать с Магратеи. Например, на начальном этапе «дырки от бублика» там, можно сказать, что и вовсе не было — всё пространство было занято пространственным кружалами, уравновешивающими неравномерно стремящиеся сколапсировать внутрь сектора бублика разной степени готовности и массы. А последующая балансировка всего этого хозяйства… ужас… как вспомню. А всё эти мыши с их причудами.


  1. A31F
    16.11.2017 15:19

    Вот небо-то внутри этого «бублика» Выглядеть будет (примерно):
    image


    1. KvanTTT
      17.11.2017 02:11

      А если в бок посмотреть?


      1. brzsmg
        17.11.2017 14:33

        В бок =)
        image


  1. muxa_ru
    16.11.2017 15:19

    Не раскрыта тема землетрясений и движения плит.

    Шарообразная форма способствует самовылечиванию последствия тектонических процессов.

    А что будет с тором?
    Сломается и разлетится на части?


    1. vesper-bot
      17.11.2017 10:10

      Вроде как тектоника — это только верхний слой, тут толщина тора несколько тысяч км. Тектоника будет, и ИМХО посильнее, чем на Земле, но тоже повреждения коры будут зарастать.


  1. namelessnoob
    16.11.2017 15:19

    Будь на такой планете разумная жизнь, то тамошние физики наверняка бы радовались настолько разной гравитации и возможности поставить обсерватории в центре кольца.


  1. BabyWolf
    16.11.2017 15:20

    Экспедиция Тяготение, не тороид, но близко.


    1. KinsleR
      16.11.2017 16:01

      там же сильно сплющенный эллипсоид был вытянутый по экватору. не?


  1. EugeneButrik
    16.11.2017 18:06
    +1

    Орбиты-маятники могут пригодиться спутникам связи на внутренней поверхности тора.
    А зачем там будут нужны спутники связи? Расстояние по прямой между двумя концами любого канала связи (пусть хоть радиосвязи, хоть какой-нибудь оптическо-лазерной) будет даже меньше, чем через спутник :)


  1. askv
    16.11.2017 22:23

    Что если по одной из лунных орбит запустить Солнце? Лучше, конечно, по спиральной, чтобы не жарить планету с одной стороны…


    1. Victor_koly
      17.11.2017 00:28

      Вы хотите запустить «вокруг» планеты объект массой во много тысяч раз больше планеты?


      1. askv
        17.11.2017 07:31

        Сделаем Солнце миниатюрным или планету гигантской… можно заменить на искусственное солнце с излучением от ядерного реактора :)


        1. Victor_koly
          17.11.2017 14:31

          Пока автор не берет планету гигантской. У любого «гигантского» объекта с постоянной плотностью и явно выраженной размерностью выше 2 (то есть скажем мы не расширяем «бублик» только по большим осям, но и по расстоянию между «полюсами») будет расти гравитация.
          Искусственное облучение даже порядка солнечная постоянная * площадь Земли (хорошо направленный источник) = 697 ПВт или условно говоря 166.81 Мт/с.


  1. askv
    17.11.2017 21:25

    Вопросы.
    1. Может ли ось вращения тора отклоняться от центральной оси, будет ли это устойчивой конструкцией?
    2. Может ли это быть не тор, а диск (плоская Земля)? Понятно, жить можно будет только на ободе, но всё же?
    3. Может ли звезда иметь форму тора?


    1. Victor_koly
      17.11.2017 23:18

      В смысле жить на ободе? На самом диске будет просто вектор гравитации смещаться от вертикального к горизонтальному, если обод у Вас бесконечно тонкий.
      У звезды сила гравитации уравновешивается силой давления, вызванной энергией термоядерных реакций + центробежной силой. Если мы имеем форму тора, значит на его внутренней поверхности вектора эти 3 силы должны уравновешиваться.
      Честно считать лень, но замечу такой факт. В случае обычной сферы сила гравитации растет с радиусом (при разумной функции падения плотности от центра). Кривые гравитации для «бублика» автор изобразил, но все равно нужно понять, куда она направлена.
      Может вообще получится, что скажем во внутренней стороне «бублика» скорость вращения слоев вещества должна расти по мере приближения к оси.