Welche Auswirkungen hätte es, die Zusammensetzung der Luft zu ändern, um ihre Dichte zu erhöhen?

In einer anderen Frage habe ich gefragt, wie Luftschiffe rentabler gemacht werden könnten. Die erste (und bisher einzige) vielversprechende Lösung, die mir eingefallen ist, ist die Erhöhung der Luftdichte.

In der realen Welt besteht die Luft (auf der Erde) hauptsächlich aus Stickstoff (~80 %) und Sauerstoff (~20 %). Ich möchte den Stickstoffgehalt zugunsten eines schwereren Gases reduzieren.

Leider scheinen die meisten schweren Gase auf die eine oder andere Weise giftig zu sein, obwohl sowohl Krypton als auch Xenon in Ordnung zu sein scheinen (-ish); Radon wäre der nächste Schritt in der Edelgaskategorie, aber es ist radioaktiv. Eine Änderung der Luftzusammensetzung von (vereinfacht) 80 % Stickstoff, 20 % Sauerstoff zu 50 % Stickstoff, 30 % Xenon, 20 % Sauerstoff würde die Dichte von etwa 1,25 kg/m³ auf etwa 2,68 kg/m³ erhöhen, was den Auftrieb ungefähr verdoppeln würde.

Daher meine Frage: Was wären die Auswirkungen einer Verringerung des Stickstoffanteils in der Luft zugunsten eines schwereren Gases wie Krypton oder Xenon?

Nachtrag: Ich habe seitdem diese Frage gelesen , die eine Antwort enthält, die besagt: "Xenon ist ein hervorragendes Vollnarkosemittel, also lassen Sie uns keine Atmosphäre annehmen, die uns bewusstlos macht". Ich bin offen dafür, einfach zu entscheiden, dass diese Eigenschaft in meiner Welt nicht existiert (vielleicht haben Menschen und andere Kreaturen eine Immunität entwickelt), wenn sich herausstellt, dass Xenon die ansonsten beste Option ist.

Muss es ein elementares Gasgemisch sein? Alternativen könnten vielleicht Halogenfluorkohlenwasserstoffe sein - ungiftig (außer da sie Sauerstoff verdrängen) und sehr dicht.
@Tantalus'touch. Ich würde elementare Gase bevorzugen, da "die Atmosphäre der Welt aus Stickstoff, Sauerstoff und ksadfjhklsdjfklsdjlfjsdkljfldsjlskjfklj" etwas seltsam klingt. Ich schätze jedoch auch jeden Beitrag zu nicht-elementaren Gasen - wenn sie besser funktionieren als elementare Gase, sind sie immer noch eine Option. Außerdem könnte ich ihnen immer einen benutzerdefinierten Namen geben.
Viel besser, einfach den Druck auf etwa 2,5 atm erhöhen und gleichzeitig den Sauerstoffanteil auf etwa 12 % verringern. Der atmosphärische Druck der Erde hat nichts Heiliges; es könnten genauso gut 0,5 atm oder 2 atm sein.

Antworten (4)

Ein sehr wahrscheinliches Risiko besteht darin, dass sich die schweren Gase in den niedrigsten Höhen schichten, leichtere Gase verdrängen und eine anoxische Umgebung schaffen.

Eine Situation, in der die normale atmosphärische Mischung gestoppt wird, wird als Inversion bezeichnet

Unter den richtigen Bedingungen wird der normale vertikale Temperaturgradient umgekehrt, so dass die Luft nahe der Erdoberfläche kälter ist. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn sich eine wärmere, weniger dichte Luftmasse über eine kühlere, dichtere Luftmasse bewegt. Diese Art der Inversion tritt in der Nähe von Warmfronten auf

Temperaturinversionen verhindern, dass atmosphärische Konvektion (die normalerweise vorhanden ist) auftritt

Die Bildung von anoxischen Regionen durch schwere Gase erfolgt bereits während der limnischen Eruption :

Ein limnischer Ausbruch, auch als Seeumsturz bekannt, ist eine seltene Art von Naturkatastrophe, bei der gelöstes Kohlendioxid (CO2) plötzlich aus dem tiefen Wasser des Sees ausbricht und eine Gaswolke bildet, die Wildtiere, Nutztiere und Menschen ersticken kann.

Sobald ein Ausbruch auftritt, bildet sich über dem See eine große CO2-Wolke, die sich auf die umliegende Region ausdehnt. Da CO2 dichter als Luft ist, neigt es dazu, zu Boden zu sinken und gleichzeitig die Atemluft zu verdrängen, was zu Erstickung führt. CO2 kann menschliche Körperflüssigkeiten stark sauer machen und möglicherweise eine CO2-Vergiftung verursachen. Wenn die Opfer nach Luft schnappen, beschleunigen sie tatsächlich die Erstickung, indem sie CO2-Gas einatmen.

Dies wäre ein hohes Risiko in Gebieten mit geringer atmosphärischer Durchmischung. Oberhalb dieser Bereiche würde aufgrund der Schichtung natürlich auch der Auftrieb reduziert.

Holländisch, sind Ihnen solche oberirdischen Gebiete bekannt? Die Atmosphäre der Erde ist ziemlich gemischt. Der Ausbruch des Nyan-Sees tötete Dinge, klärte sich aber schnell wieder auf. Gibt es irgendwo eine Schichtung von Gasen?
@Willk Ich kenne Gebiete, in denen es aufgrund der Temperaturverteilung saisonal vorkommen kann, dass die atmosphärische Vermischung aufhört, was beispielsweise zu Smog und Schadstoffkonzentrationen führt.
@Willk Geographie kann eine große Rolle spielen. Ich habe zum ersten Mal etwas über Inversionen gelernt, als ich in Pittsburgh lebte, wo die Hügel und Täler Temperaturinversionen nicht sehr ungewöhnlich machen. Der Donora-Smog von 1948 machte beispielsweise Zehntausende über einen Zeitraum von mehreren Tagen krank, als Luftverschmutzung aufgrund einer Temperaturumkehr nahe der Oberfläche eingeschlossen wurde. Ich bin mir nicht sicher, ob so etwas irgendwo passieren könnte, aber es kann natürlich unter den richtigen Umständen passieren.
@ Willk, die Erdatmosphäre weist keine großen Unterschiede in der Komponentendichte auf. Die leichteste der spurenlosen Komponenten, Stickstoff, hat eine Atommasse von 28, während das schwerste, Kohlendioxid, eine Atommasse von 44 hat. Vergleichen Sie das mit 131 von Xenon.

Du würdest wie Darth Vader klingen https://www.youtube.com/watch?v=irz-diec-qg%3Frel%3D0

Allerdings ist der Effekt erst bei sehr hohen Dichten wirklich signifikant.

Es gibt ein kleines Problem mit der Wahl des Gases, viele Gase haben in hohen Konzentrationen aktive biologische Eigenschaften. Beispielsweise besitzen Edelgase ab Argon aufwärts anästhetische Eigenschaften, allerdings nur signifikant für Xenon oder höher.

Wie wäre es, wissen Sie, einfach den Umgebungsluftdruck zu erhöhen und damit die Luftdichte zu erhöhen?

Wenn Sie die Atmosphäre aus 95 % Stickstoff und 4 % Sauerstoff bei 5 bar (5-facher Erddruck auf Meereshöhe) machen, ist Ihre Atmosphäre für normale Menschen immer noch perfekt atmungsaktiv, und Ihre Luftschiffe erhalten die 5-fache Auftriebskraft von ihren Ballons. Ob Leichter-als-Luft-Gas oder einfache erhitzte Luft, macht keinen Unterschied. 5-facher Luftdruck bedeutet 5-fache Luftdichte bedeutet 5-fache Auftriebskraft pro Ballonvolumen.

Für normale Menschen sind 5bar so ziemlich die Grenze. Die Stickstoffnarkose setzt tatsächlich etwas darunter ein, aber ein gewisses Maß an Akklimatisierung ist möglich. Der reduzierte Sauerstoffgehalt gewährleistet einen angemessenen Sauerstoffpartialdruck zum Atmen.

Welche anderen Auswirkungen hätte dieser erhöhte atmosphärische Druck? Ich kann mir vorstellen, dass es den Luftwiderstand erhöhen würde, aber das würde wahrscheinlich auch für ein schwereres Gasgemisch mit Xenon gelten.
Wenn Sie den fünffachen Luftdruck haben, brauchen Sie dann nicht proportional höhere Drücke (und damit Dichten) von Hebegasen? Daran hatte ich auch schon gedacht, aber ich weiß nicht, ob es tatsächlich anders wäre. Irgendwelche Physiker wollen etwas sagen?
@DWKraus, die Hubkapazität ergibt sich aus dem Unterschied der Dichten, nicht aus dem Verhältnis der Dichten, und wird daher ebenfalls mit fünf multipliziert.

Es hängt von den Umständen Ihrer Welt ab. Wenn eine Welt mit hoher Xeon-Atmosphäre existierte (sehr unwahrscheinlich), dann würden alle Kreaturen, die sich in der Atmosphäre entwickeln, keine anästhetischen Wirkungen erleiden. Wenn hohe Konzentrationen von Xeon irgendwie eingeführt (!) würden, könnte jedes Leben anästhetische Wirkungen erleiden.

Xeon würde wahrscheinlich in etwas höheren Konzentrationen in der unteren Troposphäre gefunden werden als beispielsweise in der Stratosphäre, aber allgemeine atmosphärische Wind-, Regen- und Konvektionseffekte würden mit ziemlicher Sicherheit für eine gute Durchmischung sorgen. Beachten Sie, dass die Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre nicht variieren ( https://www.jstor.org/stable/1934239?seq=1 ), obwohl Kohlendioxid ein schwereres Gas als Sauerstoff, Stickstoff oder Argon ist.

Eine Möglichkeit, den Auftrieb zu erhöhen, wäre, die Welt kalt zu machen. Kalte Gase sind dichter als heiße Gase. Wenn das Innenvolumen des Traggases erhitzt würde (durch chemische, magische oder solare Mittel), würde seine Tragfähigkeit erhöht.

Eine hohe Xeon- Atmosphäre halte ich in der Tat für unwahrscheinlich (SCNR ^^). Davon abgesehen handelt es sich um eine Fantasiewelt, sodass – auch wenn sie größtenteils noch den Gesetzen der Physik folgen sollte, um eine interne Konsistenz zu wahren – es kein Problem ist, Xenon einfach für gewöhnlich zu erklären. Ich bin mir bewusst, dass es aus chemischer Sicht wahrscheinlich nicht viel Sinn macht, aber ich werde hier den Ansatz der künstlerischen Freiheit verfolgen. Wie auch immer, ich werde mir die Temperaturoption ansehen - könnte einen Versuch wert sein, vorausgesetzt, der Unterschied ist merklich (und nicht nur +5% Auftrieb oder so).
Nun, es hängt davon ab, wie viel Sie das Gas erhitzen möchten. Kann alles vernünftig mit den idealen Gasgesetzen berechnet werden - scheint für Heißluftballons zu funktionieren. Und ja, wenn es Fantasie ist, dann füllen Sie Ihre Stiefel! Alternativ könnten Sie das einführen, was ich "Minimalmagie" nenne, das heißt, alles wie in unserer Welt halten, bis auf eine Sache (so ein bisschen wie das Annehmen von viel Xenon), aber sicherstellen, dass keine physikalischen Gesetze gebrochen werden. Ich denke, ich war ziemlich erfolgreich, als ich es hier ausprobierte: worldbuilding.stackexchange.com/questions/191893/…
Kälte würde funktionieren. aber Ihr Luftschiff würde nicht! Um Ihren Lift zu verdoppeln, müssten Sie im Grunde die Temperatur halbieren. Die absolute Temperatur. Also 150K (-190f) wären ein lauer Sommertag.
Ich denke, angesichts des Vorschlags hätte das Luftschiff gut funktioniert. Der Satz (Heavenium) ist das Problem. Die Temperatur ist keine Lösung für alles, aber sie könnte helfen. Wenn es draußen -30 ° C 243 K und innerhalb der Hülle sogar 30 ° C 303 K wäre, würde dies einen nützlichen Auftrieb bieten. Und du könntest es noch wärmer machen.

Ich stimme den Antworten zu, die darauf hindeuten, Ihrem Planeten eine dichtere Atmosphäre zu geben. Ich werde auf Berechnungen verweisen, die darauf hindeuten, dass eine atembare Atmosphäre bis zu etwa fünfmal so hoch wie der Meeresspiegeldruck der Erdatmosphäre sein könnte - möglicherweise viel mehr.

Sie sollten auch in Betracht ziehen, Ihrem Planeten eine höhere oder niedrigere Oberflächengravitation zu geben, je nachdem, was den Auftrieb von Gasen erhöht, die leichter als die Atmosphäre sind.

Natürlich wird jedes Element oder jede Verbindung, die möglicherweise in einer Atmosphäre vorhanden ist, giftig, wenn es in einer zu großen Konzentration vorhanden ist. Selbst der lebensnotwendige Sauerstoff wird in zu großen Mengen giftig. Wenn Sie also die Konzentration jedes wahrscheinlichen und unwahrscheinlichen Elements und jeder Verbindung auf das für Menschen tolerierbare Maximum erhöhen, finden Sie eine absolute Obergrenze für die Dichte der Atmosphäre in den Höhen, in denen Menschen (und Wesen mit denselben Anforderungen) leben.

Habitable Planets for Man Stephen H. Dole, 1964, 2007, diskutiert die Umweltanforderungen des Menschen.

Und die Ausgabe von 1964 ist online:

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf[1]

Auf den Seiten 13 bis 19 diskutiert Dole die atmosphärischen Bedürfnisse des Menschen. Auf Seite 15 gibt Dole an, dass der normale atmosphärische Sauerstoffdruck auf Meereshöhe auf der Erde etwa 149 Millimeter Quecksilber beträgt. Der gesamte atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt 29,92 Zoll Quecksilbersäule oder 759,968 Millimeter Quecksilbersäule.

Auf Seite 19 sagt Dole:

Zusammenfassend muss also die Atmosphäre eines bewohnbaren Planeten Sauerstoff mit einem eingeatmeten Partialdruck zwischen 60 und 400 Millimeter Quecksilbersäule und Kohlendioxid mit einem Partialdruck von etwa 0,05 bis 7 Millimeter Quecksilbersäule enthalten. Außerdem müssen die Partialdrücke der Inertgase unter bestimmten festgelegten Grenzwerten liegen, und andere toxische Gase dürfen nicht mehr als in Spuren vorhanden sein. Etwas Stickstoff muss vorhanden sein, damit Stickstoff in gebundener Form in die Pflanzen gelangen kann.

Kohlendioxid wäre also eine sehr schlechte Wahl, um den atmosphärischen Druck zu erhöhen. Gemäß Tabelle 2 auf Seite 16 liegen die ungefähren oberen Druckgrenzen für Stickstoff und Argon bei etwa 2.330 und 1.220 Millimeter Quecksilbersäule. Eine atembare Atmosphäre könnte also möglicherweise einen Gesamtdruck von 3.950 Millimeter Quecksilbersäule aus Stickstoff, Argon und Sauerstoff haben, was etwa dem 5,197-fachen des Drucks auf Meereshöhe der Erdatmosphäre entspricht.

Ich stelle fest, dass Dole glaubt, dass Helium und Neon in einer atembaren Atmosphäre bei noch höheren Drücken vorhanden sein könnten, aber die Obergrenzen sind ziemlich ungewiss.

Und natürlich können neuere Forschungsergebnisse die Sicherheitsgrenzen verschiedener atmosphärischer Gase geändert haben.

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