流浪地球2中，未来建设太空电梯的地方是加蓬，加蓬这个地方 ...

静静的等258

假设人类已研发出足够完美的太空电梯材料，那下一个问题就是，把它放在哪里？
在《流浪地球2》中，它被建在了非洲加蓬。
大部分经过高中物理洗礼的同学都会立刻想到，这是因为加蓬在赤道上。
直觉上，太空电梯就应该放在赤道上。克拉克在《天堂的喷泉》里，就把太空电梯放在了赤道附近的塔普罗巴尼。
真的么？为什么只能在赤道上？

你也许会说：这还用问，高中物理课上都讲过了，地球同步卫星都在赤道上方3.5万公里处，在这个高度上绕地球运转的卫星，周期是24小时，倾角0度，所以它几乎相对于地球静止。
如果不在赤道上方，也就是有倾角的话，其在地球的投影（星下点）轨迹就是一个8字，这就不是相对地面静止了，还怎么保持电梯稳定？
但太空电梯不是只靠万有引力绕地球转的卫星，也不是一根杆子，而更像是带绳子的链球，电梯另一头的极大质量的配重（位于同步轨道高度以外）会被自转的地球像拨浪鼓一样甩起来以拉直电梯。所以这样想的话，好像不在赤道上也可以嘛。



拨浪鼓假想模型，请做向心力、地心引力和拉力的受力分析

有人又会想到，高中地理老师不是说过，科里奥利力（地转偏向力）会让沿纬线运动的物体向赤道方向移动嘛？嗯，这是由于没有绳子拽着它。现在有个”绳子“拽着配重，所以最终是可以达到受力平衡的（忽略其它影响）。
那干嘛吴京还不远万里去非洲加蓬呢？
简单的答案是：因为更简单，更便宜。
在赤道上，配重轴向受的力基本上垂直于地球表面，配重受的拉力等于离心力（非惯性系哦）减去重力。在非赤道上空，电梯将不再垂直于地球表面，而是倾斜的，意味着在同样的离心力和重力时，配重受的拉力将更大。（想一想为什么？）



此图为夸张表现，地球图片仅为示意

不仅是配重，电梯本身的重量也要考虑。从赤道向北或向南移动的每一度，重力就越会倾向于将电梯拉向赤道平面，或者说其自重会产生更大的垂度（也就是更弯了），产生了剪切负载。锚施加的拉力抵消了这种趋势，使电梯处于平衡状态[1]。



非赤道上的太空电梯的示意图（考虑到自重后）

为了避免电梯的弯曲，要么增加张力（即配重更大更远），要么提升电梯材料的刚度。如果用的是碳纳米管（目前被认为是最佳的候选材料），本身抗剪能力就很糟糕的情况下，再增加剪切负载将大大增加建设难度和成本。



不用配重而用线缆配重时的真实比例（绿色为地球，红色为地球同步轨道，玫红色是赤道面，蓝色是太空电梯）

或者你可以这样想，如果电梯的质心在地球静止轨道上，那么它将不需要地基的拉力就可以维持静止，这将会大大减少地基锚点所受的巨大拉力。
另一方面，考虑到建造前期需要将大量的材料运输并停放在太空中，那么从地球静止轨道开始向两端布署线缆将是最佳选择。当一段长线缆“向下”（向地球）下降，另一段长线缆将“向上”（远离地球）来保持轨道平衡，以便整个系统保持在地球同步轨道上。
综上，在赤道上方，电梯材料受到的剪切负载就会小得多，地基受力更少，建造将更简单、更便宜。


为什么是加蓬？

铺垫了那么多，终于讲到正题了。
在赤道上，首先先考虑海洋。锚点布置在大洋上最大的好处是，国际水域可以大大简化基站领土使用的谈判时间和成本，而且可以做成移动平台。
但如果平台不够稳固，就有可能会被拉离海面，而且运输和后勤将会是噩梦级别的。现代海上钻井平台的复杂性和可能丢失的风险都足以劝退想在海上建第一个太空电梯的想法。因此，与海上平台相比，陆基设施能以更低的风险提供更多好处。
而赤道横跨13个国家：


那选哪一个呢？
为什么不选离中国更近的印尼？哦，有人觉得不喜欢这个国家。那如果是政治因素，为什么不选非洲东海岸肯尼亚附近？毕竟在现实世界里，中国有可能会在索马里和肯尼亚旁的吉布提建立火箭发射基地。
那我们一个一个因素来筛选吧。首先考虑沿海地区会更有利于国际运输，减少路网建设，所以排除在赤道附近没有海岸的5\6\7 。
考虑到需要大量的各国人员进驻，所以面积过小的孤岛可能无法满足大规模基建的土地面积（比如不受气旋影响的厄瓜多尔的加拉帕戈斯群岛），排除10\12\13，剩下1\2\3\4\8\9\11。
提到1号：南美洲的厄瓜多尔，大卫·杰罗德在科幻小说《Jumping Off the Planet》中就把太空电梯放在了这里。也许厄瓜多尔是个好选择？毕竟南纬1度的厄瓜多尔的钦博拉索山的峰顶，是地球表面离地心最远的地方，也是地球表面距离太空最近的地方。
在地球的哪个地方用肉眼看月亮最大？


钦博拉索山(chimborazo)

然而，对于要建9万公里电梯的工程来说，区区海拔6272米的山顶并不能带来足够多的吸引力。而且山区增加了物流难度。唯一的好处是减少了6公里的大气摩擦。
那还有什么因素？避险疏散涉及的人口密度？这可以克服。
更重要的因素，是政治稳定度、少风和少地震。
台风

先说台风。上面说了，电梯的超长长度和材料决定了，其受的横向力越小越好。那哪里受热带风暴/台风/飓风影响最小呢？
下图[2] 是热带风暴的典型路径和受影响区域：


由此可见，南美洲和非洲西岸是受影响最小的地方。排除印尼和非洲东岸 8\9\11，剩下1\2\3\4。
地震

地震可能会摧毁地面锚点的建筑物或基础设施。如果发生强震，被拽动的线缆会像琴弦一样振动。为了保证地基的稳定，尽量放在少地震的地带。下图是1963年到1998年的震中数据[3]。



1963年到1998年的震中数据。图片来源：NASA/DTAM

从图中可见，南美西岸是重灾区，排除1\2，只剩下3巴西和4加蓬。
由于线缆像风筝线一样从上到下连接了云层和大地，雷电的因素也要考虑进去。统计显示全球每年有近14亿次闪电发生，其中有25%的闪电击中陆地，其他闪电直接在云层中释放。让我们看看闪电的频次分布（注意看，太平洋东部有一大片少雷区）：



平均每年每平方公里的闪电次数（红/黄色表示闪电高发）by Wiki

看上去巴西在赤道线上的马卡帕所处的地区略优于加蓬。
政治影响

最后，考虑到电梯的建造和运营将需要巨额财政投资，太空电梯必须放在一个政治稳定、但又不能过于强势的国家的领土上。巴西的经济相对更稳定，因此可以补贴建筑业，而且也有发射能力。美国或欧洲的航运很方便，而亚洲国家可以通过巴拿马运河到达那里。赤道线上的马卡帕是个不错的选择。
加蓬的劣势在于其传染性疾病很多，加蓬总体患病率为25%，疟疾目前是加蓬致死率第一的疾病[4]，约有4.8万名艾滋病毒携带者。当年法国开发巴拿马运河的公司破产的原因之一就是数以万计的修建者因疟疾和黄热病而死亡。
但如果让我在巴西和加蓬之间选择的话，也许我还是会选加蓬，它将是对各国（包括中国）来说最好的选择之一。
毕竟，加蓬参加医保的人比巴西要少。



如果从配重处断裂的太空电梯线缆