Wie ändert sich die Zusammensetzung, wenn man eine erdähnliche Atmosphäre 50 km unter dem Meeresspiegel ausdehnt?

Ich arbeite daran, die Atmosphäre eines fiktiven Planeten zu entwerfen, der von der Venus inspiriert ist (nennen wir ihn Cael).

Die Atmosphäre von Cael in einer Höhe von 50 km ist im Wesentlichen identisch mit der Erdatmosphäre auf Meereshöhe und parallel zur Erdatmosphäre, wenn die Höhe darüber hinaus zunimmt. Ich möchte herausfinden, was in den unteren 50 Kilometern passieren muss, damit die erdähnliche Atmosphäre dort bleibt, wo sie ist. Mein Problem ist, dass ich keine Ressourcen darüber finden kann, was passiert, wenn eine erdähnliche Atmosphäre um eine signifikante Entfernung nach unten ausgedehnt wird .

Die Atmosphären von Venus , Jupiter und Saturn enthalten alle unterschiedliche Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, die durch Temperatur- und Druckänderungen mit zunehmender Tiefe verursacht werden. Während keiner von ihnen eine Schicht aus erdähnlicher Zusammensetzung hat, die als bequeme Referenz verwendet werden kann, scheint es logisch, dass dies auch im Fall von Cael zutreffen würde. Also meine Frage ist,

Welche Schichten würden sich unter einer vollständigen erdähnlichen Atmosphäre bilden?

Für die Zwecke dieser Frage beginnt die erdähnliche Atmosphäre an der imaginären Oberfläche, wo die Temperatur und der Druck der Cael-Atmosphäre funktionell identisch mit der Erdatmosphäre auf Meereshöhe sind, 50 km über der wahren felsigen Oberfläche. Ich nenne dies die Sea-Level Equivalent Altitude oder SLE.

Genau wie auf der Erde hat Cael etwa 10-20 km über dem SLE eine Tropopause, die den Beginn der Stratosphäre markiert. Darüber befinden sich Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre. Wie auf der Erde ist die atmosphärische Zusammensetzung aufgrund der turbulenten Mischung, die ihre molekularen Wechselwirkungen dominiert, bis zum untersten Teil der Thermosphäre effektiv konstant.

Eine sehr grobe Schätzung für den Luftdruck an der Oberfläche von Cael beträgt 50 atm, laut diesem "Air Pressure at Altitude Calculator" von Mide Technology Corp. Dieser Druck liegt weit über dem kritischen Druck für Stickstoff (33,5 atm) und genau um den kritischen Druck herum für Sauerstoff (49.8).

Basierend auf meinen Forschungen auf anderen Planeten glaube ich, dass die Temperatur wahrscheinlich mit der Tiefe auf irgendwo zwischen 100 °C und 500 °C ansteigen wird. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass die Temperatur konstant bleibt und nicht zunimmt, wenn Sie unter den Erdtemperatur-SLE absteigen, liegen die kritischen Temperaturen beider Gase unter -100 °C, eine Temperatur, die noch nie an der Erdoberfläche gemessen wurde.

Daher würde ich erwarten, ein sehr hohes Volumen an überkritischem Stickstoff sowie etwas überkritischen Sauerstoff an der felsigen Oberfläche von Cael zu finden. Argon, Neon und Methan wären unter diesen Bedingungen ebenfalls überkritisch.

Ich erwarte auch Ozeane aus flüssigem Wasser, weil Cael genug Wasser haben muss, um Wasserwolken und Niederschlag über dem SLE zu erleben, und meine Schätzungen für Temperatur und Druck liegen innerhalb des flüssigen Abschnitts des Phasendiagramms von Wasser.

Die wahre Oberfläche von Cael ist mit ziemlicher Sicherheit frei von jeglicher Art von organischem Leben, abgesehen von den abgehärtetsten Extremophilen. Sofern kein anderes Gas oder Verfahren den Sauerstoff auf über 40 km begrenzt hält, sollten der extreme Druck und die (angenommene) hohe Temperatur selbst niedrige Sauerstoffanteile ziemlich gefährlich machen.

Caels Biosphäre besteht aus schwebenden und fliegenden Lebensformen, die in erdähnlichen Höhen leben. Diese Organismen halten die hohe Sauerstoffkonzentration aufrecht.

Weitere Informationen zu Cael (fettgedruckte Einträge sind behoben, andere können geändert werden):

  • Masse: 6 × 10²⁴ kg
  • Durchschnittlicher Radius der Planetenoberfläche: 6.450 km
  • Durchschnittliche Schwerkraft auf der Planetenoberfläche: 9,65 m/s²
  • Durchschnittliche Höhe des SLE: 50 km
  • Mittlere Schwerkraft bei SLE: 9,5 m/s²
  • Sonnenintensität und spektrale Zusammensetzung bei SLE sind die gleichen wie auf der Erde
Die tiefere Atmosphäre könnte fast alles sein. Die Venus hat eine erdähnliche Temperatur/einen erdähnlichen Druck bei etwa IIRC, 70 km (jedenfalls knapp über den Wolkenobergrenzen), aber die Wolken bestehen eher aus Schwefelsäure als aus Wasser.
Ja, die Atmosphäre der Venus war das erste, was ich recherchiert habe. Was auch immer die Zusammensetzung der tiefen Atmosphäre ist, es kann nichts sein, was das Hemdsärmelwetter in der SLE-Höhe stört. Schwefelsäurewolken, falls vorhanden, dürfen nicht über 45 km aufsteigen. 😁
Beachten Sie, dass es keine Phasengrenze zwischen einer überkritischen Schicht in der Nähe der Oberfläche und der Hochdruckgasschicht darüber geben würde, eine würde einfach in die andere übergehen.
@Slarty Ja, aber es könnte klar definierte atmosphärische Schichten geben, genauso wie die Erde atmosphärische Schichten hat (Troposphäre, Mesosphäre usw.). Oder es gibt möglicherweise keine Verhaltensänderungen bis hinunter zur Oberfläche. Das will ich herausfinden.
@ Lawton, stimmt. Lautes Denken könnte vielleicht eine hohe Konzentration von so etwas wie Xeon in der Atmosphäre helfen, da der Großteil des Xeons, der so viel schwerer ist, näher an der Oberfläche gehalten würde, während der Großteil des Sauerstoffs in der oberen Atmosphäre wäre ... aber dann Auch hier ist Xeon in jeder signifikanten Konzentration ein narkotisches Anästhetikum ... muss noch etwas darüber nachdenken.
Die untere Atmosphäre kann alles sein, solange sie bei 50 km in die erdähnliche Atmosphäre übergeht. Druck allein würde es für einen ungeschützten Menschen tödlich machen, lange bevor es die Oberfläche erreicht; Die Luft könnte voller Säure, Karzinogene und Neurotoxine sein, solange sie am Boden der Atmosphäre bleiben. 😁
Etwas verwandt mit dem, was Sie wollen: To'ul'hian Worlds von Orions Arm
@TheDyingOfLight Das ist sehr relevant, danke! Ich bin mit dieser Seite nicht vertraut, wissen Sie, ob sie Quellen oder Daten enthält, in die ich mich vertiefen kann?
Mir sind keine Quellen bekannt. Tatsächlich könnte Orions Arm das Konzept erfunden haben. Ihre Beschreibung, wie solche Welten vermeiden, sich in venusianische Höllenlandschaften zu verwandeln, klingt jedoch plausibel. Ich denke, Sie sollten jemanden mit einem Doktortitel in Astronomie fragen, um eine bessere Antwort zu erhalten. Selbst dann wird es wahrscheinlich ein vielleicht ja/nein sein.

Antworten (2)

Ich würde vorschlagen, dass das Ergebnis so etwas wie Venus wäre. Sie könnten mit einem Planeten mit 1 atm erdähnlicher Atmosphäre in 50 km Höhe und einer ähnlichen Zusammensetzung bis zur Oberfläche beginnen, aber das wäre nicht stabil.

Eine viel tiefere Atmosphäre würde mehr Wärme absorbieren und bei einem so hohen Druck und einer so hohen Sauerstoffkonzentration würde organisches Material auf der Oberfläche verbrennen, wodurch viel Kohlendioxid erzeugt wird, was auch die Temperatur erhöht und die Oberfläche erwärmt. Dies würde zu einer stärkeren Verdunstung von Wasser aus den Ozeanen und einer stärkeren Freisetzung von Kohlendioxid aus den Ozeanen führen, was den Treibhauseffekt verstärken würde.

Die Temperatur würde dramatisch ansteigen, wenn sie etwa 270-300 Grad C erreichen würde, würde sie anfangen, die Ozeane wegzukochen, aber es könnte gut sein, dass sie nicht so hoch wird, aber sie würde eine totgekochte Welt hinterlassen, in der die Sauerstoffkonzentration abnimmt, wie es Oberflächenmaterialien waren oxidiert und der Sauerstoff wurde nicht ersetzt.

Ich möchte eine stabile Konfiguration mit der erdähnlichen Atmosphäre oben und allem, was benötigt wird, um diese darunter zu unterstützen. Die einzige lebende Materie, die auf Caels Oberfläche wäre, wäre Leben, das sich unter den dort herrschenden Bedingungen entwickelt hat, wenn das überhaupt möglich ist; und da es sich um eine stabile Umgebung handelt und nicht um eine, die einen plötzlichen Druckanstieg hatte, sollte es keine Feuersbrünste geben.
Nun, Sie brauchen eine viel niedrigere Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche, um Brände zu verhindern, und Sie können vernünftigerweise keinen Sauerstoffgradienten haben, der in die obere Atmosphäre ansteigt. Ich befürchte, dass das, wonach Sie suchen, nicht möglich ist, aber jemandem könnte etwas einfallen. Die Leute hier sind ziemlich erfinderisch...
Ich bin völlig in Ordnung, wenn die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche alles sofort verbrennt, was dort herunterfällt, solange ich in 50 km Höhe eine erdähnliche Atmosphäre habe.
Ja das ist ein Problem. Es würde etwas brauchen, das enorme Mengen an Sauerstoff auf der Oberfläche produziert, das selbst einer Oxidation in einer Umgebung mit hohem Sauerstoffdruck bei hoher Temperatur widerstehen kann. Vielleicht ist ein außerirdisches Artefakt oder eine Geoengineering-Maschine schief gelaufen? Oder ist das zu ausgefallen? Ein solches Gerät könnte durchaus ausreichend Sauerstoff erzeugen, um alles zu verbrennen und zu oxidieren, was verbrannt oder oxidiert werden könnte, was schließlich zu einer Sauerstoffumgebung mit hoher Temperatur und hohem Druck führt, die alles verbrennen würde, was hineinfällt.
Es gibt eine ausgedehnte luftgetragene Biosphäre mit pflanzlichen Analoga, die den Sauerstoff produzieren, der durch Auftrieb und Wind in der Luft gehalten wird.

Wenn es hoch oben in der Atmosphäre ein schwimmendes Biom gibt, das viel Sauerstoff produzieren könnte, und wenn es eine begrenzte Anzahl oder keine Tierarten gäbe, könnte sich Sauerstoff ansammeln. Zuerst würde alles, was auf der Oberfläche oxidiert werden könnte, oxidieren, aber schließlich würde nur noch wenig verbrennen und Hochdrucksauerstoff würde sich ansammeln.

Herabfallende Materie würde zu Boden sinken und unter Freisetzung von CO2 verbrannt werden. Die CO2-Werte wären näher an der Oberfläche etwas höher, da CO2 schwerer als O2 ist, aber viel würde sich wieder zum Biom entschärfen und von den Pflanzenschichten resorbiert werden, wodurch eine erdähnliche Atmosphäre mit hohem O2- und niedrigem CO2-Druck von 1 bar zurückbleibt 50km. Der Großteil des auf den Planeten zugänglichen Kohlenstoffs wäre entweder unterirdisch in Karbonatgestein oder im schwimmenden Biom eingeschlossen.

Wie ändert sich die Zusammensetzung, wenn man eine erdähnliche Atmosphäre 50 km unter dem Meeresspiegel ausdehnt?
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