Wie dicht muss eine Atmosphäre sein, um einen Flüssigkeitsozean in 1000 Fuß Höhe zu "schweben"?

Es gibt mehrere Paare von Flüssigkeiten und Gasen, bei denen das Gas dichter ist, und daher schwimmt die Flüssigkeit darauf ... zumindest für eine Weile, da sich in vielen Fällen eines in das andere auflöst, was die Wirkung ruiniert!

Mir ist nur ein Paar bekannt, bei dem sich das Gas nicht in der Flüssigkeit auflöst und bei dem dieser Effekt tatsächlich praktisch demonstriert wurde (und nicht weniger in einem YouTube-Video! Kann man eine Flüssigkeit auf einem Gas schweben lassen? ): Überkritisches Xenon und flüssige NaK-Legierung. (Technisch gesehen ist überkritisches Xenon eigentlich kein Gas , aber nah genug!) Dies funktioniert, weil NaK ein superleichtes Metall mit einem sehr niedrigen Schmelzpunkt ist, Xenon ein wirklich schweres Gas ist, Xenon sich nicht in NaK auflöst oder mit NaK reagiert , und Sie können die Dichte einer überkritischen Flüssigkeit weit über die normale Flüssigkeitsdichte hinaus erhöhen, indem Sie den Druck erhöhen.

Dieses Paar existiert bei extrem hohen Drücken, aber normalen, für den Menschen angenehmen Temperaturen. Und flüssiges NaK ist tatsächlich spiegelglänzend! Leider ist alles andere daran nicht besonders menschenfreundlich. Sie könnten wahrscheinlich genug Sauerstoff im Xenon auflösen, um atembar zu sein, aber Xenon ist ein starkes Anästhetikum - jeder Mensch, der versucht, diese Atmosphäre zu atmen, würde schnell bewusstlos werden, selbst wenn er sich an den Druck gewöhnt hätte. Auch der Sauerstoff würdemit dem NaK reagieren, was in kurzer Zeit alles vermasseln würde. Sie möchten wahrscheinlich eine stark reduzierende Atmosphäre, in der Wasserstoff mit dem Xenon gemischt ist, um die Spiegelschicht aufrechtzuerhalten. Das könnte für irgendeine Lebensform atembar sein, aber nicht für Menschen! Wasserdampf würde auch mit der NaK-Schicht reagieren, daher benötigen Sie ein alternatives, nicht sauerstoffhaltiges Biolösungsmittel. (Ich dachte für einen Moment, eine Mischung aus überkritischem Xenon und überkritischem CO2 als Biolösungsmittel könnte funktionieren, aber das würde wahrscheinlich mit dem Kalium reagieren. Also weiß ich nicht ... es sei denn, Sie können ein reduzierendes, nicht sauerstoffhaltiges Lösungsmittel finden das ist zwischen -13 °C und 785 °C flüssig, muss dies vielleicht doch ein lebloser Planet sein.)

Sie haben auch das Problem, woher die notwendigen planetarischen Mengen an Xenon, Natrium und Kalium kamen ... äh, Magratheaner haben es geschafft!

Lassen Sie mich auf dem Kommentar von @AlexP aufbauen, denn er hat völlig Recht. Flüssiges Wasser kann unabhängig vom Druck nicht über der Atmosphäre schweben, da LOX leichter als Wasser ist. Das Wasser würde fallen und der LOX steigen (und dann wahrscheinlich zu einem Gas kochen).

Aber lassen Sie uns die Idee auf eine etwas andere Weise untersuchen ...

Weil die Idee super cool ist.

Wasserdampf steigt dort in Form von Wolken auf, die Regen auslösen. Könnte es möglich sein, unten eine dichte, aber atmungsaktive Atmosphäre zu haben, die oben eine sehr hohe Konzentration von Wasserdampf zulässt? Und kann dieser Wasserdampf dicht genug sein, um in Ermangelung eines besseren Beispiels Fische zuzulassen?

Im Moment werde ich die Tatsache völlig ignorieren, dass Fische aus genau dem gleichen Grund, den AlexP beschrieben hat, durch Wasserdampf fallen würden. Ich werde auch ignorieren, was mit den armen Trotteln passiert, wenn sie zufällig aus dem Grund des Teichs schwimmen ....

Nun, volle Offenlegung, ich bin keineswegs ein Meteorologe oder Klimatologe. Ich ziehe offiziell diese zufällige Kette von kaum zusammenhängenden Gedanken aus nicht besonders dichter Luft. Sie wurden gewarnt .... (Und wenn Sie versucht sind, abzustimmen, nur weil meine Wissenschaft meilenweit daneben liegt, denken Sie daran, dass ich viel mehr Spaß habe als Sie. Thbppttt!)

Sie sagen uns also nicht, wer auf Ihrer Welt lebt, also nehmen wir an, einige Menschen haben sich an das Klima angepasst. Laut Wiki besteht die Erde zu 78 % aus Stickstoff, zu 20 % aus Sauerstoff, zu 1 % aus Argon, zu 0,04 % aus CO2, einigen Dingen, die uns egal sind, zu 0,001 % bis 5 % aus Wasserdampf und zu 0,000179 % aus Methan. Das sind 99,0412 % unserer Atmosphäre, mit Ausnahme der Dinge, um die ich mir keine Sorgen machen werde, und unter der Annahme eines niedrigen Wassergehalts.

Es ist der Stickstoff, der uns wirklich umbringt. Das Zeug ist dünn. Also müssen wir es auf etwa 45 % reduzieren. Es wird riechen und es wird hupend heiß, aber wir müssen trotzdem Wasser verdampfen, richtig? Erhöhen wir das Methan auf 2,5 %, den Sauerstoff auf 45 %, das Argon auf 3 %, das CO2 nur ein kleines bisschen auf 0,05 % und unseren Wasserdampf auf den Bereich von 2,5 % bis 7,5 %. Nehmen Sie die Elemente, die mir egal sind, und verbessern Sie sie entsprechend, um die Lücke zu füllen.

Übrigens, Sie müssen sich an diesen hupenden heißen Kommentar erinnern ...

OK, wir haben eine Atmosphäre, die Venus stolz machen würde, und hey, Menschen könnten sich tatsächlich daran gewöhnen, sie einzusaugen. Es wird ein bisschen zu sehr so ​​sein, als würde man in Ihrem Umkleideraum in der 7. Klasse leben ... aber wir sind anpassungsfähig Spezies.

Nun ... hier ist eine Vermutung, die wahrscheinlich die weitaus wissenschaftlich orientierten unter uns in die Nacht schreien lassen wird ... gleich nachdem sie mich in einer dunklen Gasse gefunden und die Scheiße aus mir herausgeprügelt haben. Aber...

Wir brauchen viel "leichten" Wasserdampf. Das deutet darauf hin, es an etwas zu binden, das ihm hilft, zu schweben.

• H ₃ O ₂ ist dichter als Wasser, aber es hat ein geringeres spezifisches Volumengewicht, was darauf hindeutet, dass es als Dampf leichter in der Atmosphäre "schwimmen" könnte als H 2 _O. Es ist auch glatt (niedriger Reibungskoeffizient). würde einer großen Menge davon ein etwas glasiges Aussehen verleihen und es würde sich rutschig anfühlen/sein (gut für die Fische!).

• Jetzt mischen wir das mit ein bisschen Ammoniak. NICHT VIEL! Gerade genug, um die Dichte etwas zu verringern.

• Zum Schluss mischen wir etwas Alkohol unter! (YAY! Glücklicher Fisch!) Eine schnelle Google-Suche listet Ethanol als bevorzugtes Molekül auf. Basierend auf der Tatsache, dass meine trinkfreudigeren Freunde in der High School tatsächlich die High School überlebt haben, werde ich mich auf die Beine stellen und raten, die Menschheit könnte 25 % Ethanol im Wasserdampf-Gebräu aushalten.

• Und etwas ganz Magisches, das diese drei Elemente zusammenhält, ohne sie wie Eisen zu beschweren. Auch das ignoriere ich komplett. Thbppttt!

OK, ich rate noch einmal, aber sagen wir mal 74 % H ₃ O ₂ , 25 % Ethanol und 1 % Ammoniak. (Und hoffen wir, dass die Schläge, die ich bekomme, keine Knochen brechen.)

Was ich also aufrichtig glaube (das ist hier ein wirklich starkes Wort. Vielleicht wäre "Wunsch" besser!), Ist, dass wir eine atembare Atmosphäre mit einer üppigen, dicken Wasserdampfschicht darüber haben, die gerade dick genug sein könnte (danke die Hitze!), damit ein Fisch (na ja ... jedenfalls ein fliegender Fisch) darin leben kann. Die Lebewesen, die sich entwickeln, um diese Schicht zu lieben, werden darin schwimmen, aber es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie sie jemals verlassen, da ihre Flugfähigkeit gewonnen hat Sie können sie in der dünnen oberen Atmosphäre nicht hochheben, und ihre Schwimmfähigkeit wird sie nicht retten, wenn sie in der unteren Atmosphäre zu Boden stürzen. Wasserstoffsäcke würden enorm helfen. Und ich vermute, dass der Planet aus dem Weltraum wie ein wolkenbedeckter Spiegel aussehen würde. Wenn Sie an der Oberfläche leben, erwarten Sie nicht, bald die Sonne zu sehen.

Und es wird HEISS! HEISS HEISS HEISS! So landen Sie vielleicht nicht auf einem gastfreundlichen Planeten ... Das wäre eine Schwäche in der Handlung, die Überwindung einer möglicherweise lähmenden Hitze ... Aber nur vielleicht ... Die Kreaturen eines solchen Planeten wären COOL! (kein eigentliches Wortspiel beabsichtigt. ... naja, vielleicht ein kleines.)

Meine Muse dahinter war die Atmosphäre von Titan und die geschichteten Atmosphären von Jupiter und Saturn. Die gar nichts sind, wie ich es beschrieben habe.

Wasser ist leicht diamagnetisch, was bedeutet, dass es ein Magnetfeld beider Polaritäten abstößt. Ein bekanntes Beispiel dafür ist das Schwebefrosch-Experiment, bei dem ein 16-Tesla-Magnetfeld verwendet wurde:

Wenn Ihr Planet also ein ausreichend starkes Magnetfeld hätte, würde er Wasser abstoßen. Das Magnetfeld der Erde ist in verschiedenen Teilen der Welt unterschiedlich stark, sodass ein lokalisiertes starkes Feld dazu führen könnte, dass Wasser anderswo auf Bodenniveau vorhanden ist.

Dies lässt natürlich viele Dinge über die Quelle des Magnetfelds und die Stabilität der Situation offen. Zum Vergleich: Neutronensterne haben Magnetfelder von 10 ¹¹ Tesla, es gibt also natürliche Prozesse, die sehr starke Felder verursachen.

Flüssigkeit über Gas scheint ein ziemlich harter Schlag zu sein.

Gas über Gas: Das dichteste Gas, das ich finden kann, ist Perfluorbutan C4F10 mit einem Molekulargewicht von 238, also bei Standtemperatur und -druck etwa 7-mal so dicht wie Luft. (Ja, UCl6 ist dichter, hat aber Nebenwirkungen)

Sie ungemischt zu halten, wäre ein Problem, obwohl sie wahrscheinlich einen Gradienten aufbauen würden.

Würde es für Luftschiffe interessant machen. Und wenn Sie zu tief gehen, ertrinken Sie.

Flüssigkeit auf Flüssigkeit. Dies hat den Vorteil, dass Sie nicht mischbare Flüssigkeiten erhalten können. Wahrscheinlich wollen Sie Wasser für die oberste Schicht. Wenn Sie oben zu Perfluorpentan gehen, erhalten Sie eine Flüssigkeit, die bei 28 ° C siedet. Eruptionen von erstickendem Gas, wenn der Ozean zu warm wird.

Strömungen und Wellen, wenn man zwei Flüssigkeiten ähnlicher Dichte hat, sind faszinierend.

Ich werde den zweiten Teil dieser Frage beantworten, denn ja, es gibt absolut einfachere Möglichkeiten, dies zu tun als mit einem schwimmenden Ozean. Das Phänomen, das diesen spiegelähnlichen Effekt verursacht, ist die Total Internal Reflection . Dies geschieht, wenn Licht auf eine Grenze zwischen zwei Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes trifft. Wenn dies geschieht, kann das Licht entweder hindurchtreten oder reflektiert werden und ist oft eine Kombination aus beidem. Dieses Verhalten unterliegt dem Snellschen Gesetz:

$$n_1 * sin(\theta_1) = n_2 * sin(\theta_2)$$ wo $n_1$und $n_2$sind die Brechungsindizes der Materialien und $\theta$ist der Einfallswinkel. Um Totalreflexion zu erhalten, der Ausgangswinkel $\theta_2$muss 90 Grad oder größer sein. Das folgende Diagramm fasst dies gut zusammen, von Josell7 bei Wikipedia:

Natürlich arbeitet Josell mit Wasser und Luft, ein ziemlich typisches Physikbeispiel, aber die Theorie ist immer noch dieselbe. Unser Ziel ist die Veränderung$n_1$und$n_2$um einen größtmöglichen zurückgeworfenen Winkel zu erhalten, wodurch die Winkel mit vollständiger innerer Brechung vergrößert werden.

Bevor ich auf Worldbuilding-Optionen eingehe, möchte ich auf ein paar Orte hinweisen, an denen dies bereits auf der Erde geschieht. Totalreflexion ist kein seltenes Phänomen, und jeder, der unter Wasser in einem Pool auf die Oberfläche geschaut hat, kann Ihnen sagen, dass es passiert. Den Ort, den ich besonders hervorheben möchte, sind Luftspiegelungen . Dies sind Fälle, in denen eine Schicht heißer, nicht dichter Luft in der Nähe der Oberfläche von oben und aus großer Entfernung betrachtet wird. Wenn sich das Licht vom Himmel zu Ihren Augen bewegt, kommt es in einem so flachen Winkel, dass der kleine Dichteunterschied (der im Allgemeinen ein Indikator für den Brechungsindex ist) ausreicht, um zu bewirken, dass es von der heißen Luftschicht reflektiert wird zurück zu unseren Augen. Für uns erscheint dies in der Ferne als kleiner Himmelsfleck auf dem Boden, weshalb sie oft mit Wasser verwechselt werden!

Anders als beim Versuch, eine Flüssigkeit über einem Gas zu schweben, wirkt hier die Dichte bei uns. Wir wollen ein sehr dichtes Gas in Bodennähe und ein leichtes Gas direkt darüber haben. Unsere beste Wahl für das leichte Gas ist Helium, da sein Brechungsindex 1,000035 beträgt. Ironischerweise ist dies ein Gegenbeispiel zu meinem obigen Kommentar, wo ich sagte, dass dichtere Dinge im Allgemeinen einen höheren Brechungsindex haben, da Wasserstoffgas einen RI von 1,000132 hat.

Wenn wir unserer jetzigen Erde einfach eine Schicht Heliumgas hinzufügen, können wir den kritischen Winkel mit dieser Gleichung auflösen, die aus dem obigen Snellschen Gesetz abgeleitet ist:

$$\theta_{crit} = arcsin(\frac{n_2}{n_1})$$ was in unserem Fall ist $$\theta_{crit} = arcsin(\frac{1.000035}{1.000292}) = 88.7$$ Wenn man also die Erde mit einer Heliumschicht bedeckt, werden die zwei Grad über dem Horizont vollständig reflektierend. Kühl! Machen wir es besser.

Andere Gase mit einem hohen Brechungsindex sind unangenehme Dinge wie Benzol und Chloroform. Diese Gase bringen uns jedoch nur auf etwa 85 Grad. Das dichteste bekannte nicht reaktive Gas bringt uns nicht weiter. Gase auf Gase werden also sehr schwer zu machen sein.

Die beste Lösung ist die, die bereits in der Natur vorhanden ist – lassen Sie Ihre Kreaturen in einem Ozean leben, und der kritische Winkel springt auf ~45 Grad, was ungefähr so ​​​​hoch ist, wie Sie bekommen können.

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Update von den Leuten von Chemistry :

Es scheint keine grundsätzliche Grenze für den Brechungsindex zu geben, aber er hängt stark von Temperatur und Druck ab. Eine Antwort erwähnte einen Brechungsindex von bis zu 1,029 für ein Gas, was unseren kritischen Winkel auf 75 Grad anhebt – auf Augenhöhe mit einer idealisierten Halokline!d