Введение

Состояние равновесия между внешними силами, действующими на жидкость, и внутренним градиентом давления. В механике жидкостей гидростатическое равновесие (гидростатический баланс, гидростазия) – это состояние жидкости или пластического твердого тела, находящегося в покое, которое возникает, когда внешние силы, такие как гравитация, уравновешиваются силой градиента давления. В планетарной физике Земли сила градиента давления препятствует сжатию планетной атмосферы гравитацией в тонкую, плотную оболочку, а гравитация препятствует рассеянию атмосферы в космос силой градиента давления. В общем случае, именно это заставляет объекты в космосе приобретать сферическую форму. Гидростатическое равновесие является определяющим критерием, отличающим карликовые планеты от малых тел Солнечной системы, и играет важную роль в астрофизике и планетарной геологии. Данное условие равновесия указывает на то, что форма объекта симметрично округлена, преимущественно за счет вращения, в эллипсоид, при этом любые неровности поверхности обусловлены относительно тонкой твердой корой. Помимо Солнца, в Солнечной системе подтверждено существование примерно дюжины объектов, находящихся в состоянии гидростатического равновесия.

Жидкости

Гидростатическое равновесие относится к гидростатике и принципам равновесия жидкостей. Гидростатические весы – это особый тип весов, предназначенный для определения массы веществ в воде. Использование гидростатических весов позволяет определить их удельную плотность. Это равновесие строго соблюдается, когда идеальная жидкость находится в установившемся горизонтальном ламинарном потоке, а также когда любая жидкость находится в состоянии покоя или движется вертикально с постоянной скоростью. Оно также может служить удовлетворительным приближением, если скорости потока достаточно малы, чтобы ускорением можно было пренебречь.

Планетарная геология

Понятие гидростатического равновесия также стало важным при определении того, является ли астрономический объект планетой, карликовой планетой или малым телом Солнечной системы. Согласно определению планеты, принятому Международным астрономическим союзом в 2006 году, одной из определяющих характеристик планет и карликовых планет является то, что они обладают достаточной гравитацией, чтобы преодолеть собственную прочность и достичь состояния гидростатического равновесия. Такие тела часто имеют дифференцированное внутреннее строение и геологию, характерную для планеты (планемо), хотя тела, близкие к гидростатическому равновесию или ранее находившиеся в нем, такие как протопланета 4 Веста, также могут быть дифференцированы, а некоторые тела в гидростатическом равновесии (в частности, Каллисто) не полностью дифференцировались с момента своего формирования. Чаще всего форма равновесия представляет собой сплюснутый сфероид, как в случае с Землей. Однако для спутников, находящихся на синхронной орбите, почти однонаправленные приливные силы создают скаленоид (трехосный эллипсоид). Кроме того, предполагаемая карликовая планета имеет форму скаленоида из-за быстрого вращения, хотя в настоящее время она может и не находиться в равновесии. Ранее считалось, что для достижения гидростатического равновесия ледяным объектам требуется меньшая масса, чем скалистым. Самый маленький объект, который, по-видимому, имеет форму равновесия, – это ледяной спутник Мимас диаметром 396 км, в то время как самый большой ледяной объект с явно неравновесной формой – ледяной спутник Протей диаметром 420 км, а самые крупные скалистые тела с явно неравновесной формой – астероиды Паллада и Веста диаметром около 520 км. Однако Мимас на самом деле не находится в гидростатическом равновесии при текущей скорости вращения. Самым маленьким телом, подтвержденно находящимся в гидростатическом равновесии, является карликовая планета Церера, ледяная, диаметром 945 км, а самым крупным известным телом с заметным отклонением от гидростатического равновесия – Япет, состоящий в основном из пористого льда и почти не содержащий горных пород. Диаметр Япета составляет 1469 км, и он не является ни сферой, ни эллипсоидом. Вместо этого он имеет странную форму, напоминающую грецкий орех, из-за уникального экваториального хребта. Некоторые ледяные тела могут находиться в равновесии, по крайней мере частично, благодаря наличию подповерхностного океана, что, однако, не соответствует определению равновесия, используемому МАС (гравитация преодолевает внутренние силы сопротивления твердого тела). Даже более крупные тела отклоняются от гидростатического равновесия, хотя и сохраняют эллипсоидальную форму: примерами служат Луна Земли диаметром 3474 км (в основном скальная) и планета Меркурий диаметром 4880 км (в основном металлическая). В 2024 году Kiss и др. обнаружили, что имеет эллипсоидальную форму, несовместимую с гидростатическим равновесием при текущей скорости вращения. Они предположили, что Кваоар первоначально вращался быстрее и находился в гидростатическом равновесии, но его форма "зафиксировалась" и не изменилась при замедлении вращения под действием приливных сил от своего спутника Вейвот. Если это так, то ситуация будет аналогична ситуации с Япетом, который слишком сплюснут для своей текущей скорости вращения. Тем не менее, Япет по-прежнему обычно считается луной планетарной массы, хотя и не всегда. Твердые тела имеют неровную поверхность, но локальные неровности могут соответствовать глобальному равновесию. Например, массивная основа самой высокой горы на Земле, Мауна-Кеа, деформировала и опустила уровень окружающей коры, так что общее распределение массы приближается к равновесию.

Атмосферное моделирование

В атмосфере давление воздуха уменьшается с увеличением высоты. Эта разница в давлении создает направленную вверх силу, называемую силой градиента давления. Сила тяжести уравновешивает эту силу, удерживая атмосферу вблизи Земли и поддерживая разницу давлений на разных высотах.