Wie würden sich Wasser-Ammoniak-Ozeane verhalten?

Wissenschaftler vermuten stark, dass mehrere Monde in unserem Sonnensystem Ozeane aus Wasser-Ammoniak-Gemisch zugefroren haben. Ich habe auch Spekulationen über die Möglichkeit von Oberflächenwasser-Ammoniak-Ozeanen auf Exoplaneten und Exomonden gelesen. Was ich nicht oft gesehen habe, ist eine Diskussion darüber, wie sich diese Ozeane anders verhalten könnten als die Wasserozeane der Erde.

Genauer gesagt, wie würde sich das Oberflächenwasser-Ammoniak-Ozean-Verhalten von unserem Wasser-Ozean-Verhalten unterscheiden in Bezug auf:

  • Eisbildung
  • Verdunstung
  • Oberflächen- und Unterwasserströmungen
  • Unterschiedliche Wasser-Ammoniak-Verhältnisse je nach Temperatur oder anderen Faktoren

Ich würde gerne wissen, ob dies untersucht wurde und ob diese Verhaltensweisen in Artikeln, Büchern oder ausführlichen Artikeln zu diesem Thema beschrieben wurden. Vor allem alles, was in die Besonderheiten der Wasser/Ammoniak-Verhältnisse eingeht.

Ich werde hier einige persönliche Spekulationen hinzufügen. Obwohl es nicht Teil der oben genannten primären Frage ist , hilft es, die Art des Problems zu erklären, das ich zu verstehen versuche, und kann daher hilfreich sein, um einzugrenzen, welche Ressourcen am nützlichsten sind.

  • Würden die Ammoniakmoleküle im Ozean bei zunehmender Hitze vor den Wassermolekülen verdampfen, was dazu führen würde, dass wärmere Bereiche des Ozeans eine erhöhte Menge an H2O im Vergleich zu NH3 aufweisen? (Und die kühleren Bereiche wie die Pole haben ein zunehmendes Verhältnis von NH3 zu H2O).
  • Wenn das oben Gesagte wahr wäre, könnte das äquatoriale Wasser, das weniger NH3 enthält, die Bildung von Wassereis erleichtern? Wenn ja, könnte ich mir vorstellen, dass Exoplaneten wassereisbedeckte Äquatoren haben, weil sie wärmer sind, und die kühleren Pole könnten dank der größeren Menge an NH3 im Ozean eisfrei sein.
  • Würde das auf dem Ozean gebildete Eis aus einer molekularen Mischung bestehen, die der des Ozeans entspricht (mit H2O und NH3 im gleichen Verhältnis wie der Ozean), oder würden einige Moleküle zuerst ausfrieren und möglicherweise verschiedene Schichten oder Bereiche unterschiedlicher Art verursachen? von Eis?
  • Könnten die Pole einiger Wasser-Ammoniak-Planeten "Kontinente" aus Wasser-Ammoniak-Eisen haben, die vom Meeresboden bis zur Oberfläche gefroren sind (dank der Tatsache, dass gefrorenes Ammoniak dichter als flüssig ist, wodurch ganze Teile des Ozeans gefrieren können solide)?

Wenn meine Spekulation richtig ist (und ich könnte mich gewaltig irren, da ich noch nicht verstehe, wie sich eine Mischung aus Wasser-Ammoniak tatsächlich verhält), dann ein Exoplanet mit einem äquatorialen Band aus Wassereis, flüssigem Ozean in mittleren Breiten und fest Polkappen/Kontinente aus Wasser/Ammoniak-Eis könnten möglich sein. Das Ammoniak im Ozean würde in der Nähe des wärmeren Äquators schneller verdampfen, was dazu führen würde, dass dieser Bereich eines globalen Ozeans ein größeres Verhältnis von H2O aufweist, und der Ammoniakniederschlag und der Ozean könnten an den Polen gefrieren, was zur Bildung riesiger polarer Kontinente führen würde Ammoniak/Wassereis. Ich würde mir vorstellen, dass die Strömungen ganz anders funktionieren würden als auf der Erde, mit Oberflächen- und Tiefenströmungen mit unterschiedlichen Ammoniak-Wasser-Verhältnissen und Temperaturen. Ich sehe auch die Möglichkeit gefrorener Meeresböden in den ammoniakreicheren Teilen eines Ozeans,

Natürlich ist das Verhältnis von Ammoniak zu Wasser sehr wichtig. Ich würde gerne konkrete Informationen dazu sehen!

Jede informierte Klarstellung geschätzt!

Haben Sie die grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasser-Ammoniak-Gemischen erforscht? Dinge wie Viskosität, spezifische Wärme, Schmelz- und Verdampfungstemperaturen wären wichtig.
FWIW, es wurde viel über Wasser-Ammoniak-Gemische geforscht, da sie in der Absorptionskälte eingesetzt werden können . Meine Vermutung ist, dass das Wetter in einer Umgebung mit Wasser + Ammoniak sehr kompliziert werden kann!
Betrachtet man das 1-atm-Wasser-Ammoniak-Phasendiagramm im Bereich von -80 bis -100 °C, können Konzentrationsänderungen tatsächlich Schmelzen/Gefrieren verursachen. Aber ich vermute, dass der Dampfdruck bei diesen Temperaturen niedrig sein wird. Wärmere Planeten in der Nähe von 0 °C können eine interessante Dynamik aufweisen, da reines Wassereis in Ammoniak-Wasser-Mischungen instabil werden kann, wenn der Ammoniakgehalt steigt.
Völlig andere Frage, aber verwandt, weil es um die Eigenschaften von Flüssigkeitskörpern auf anderen Körpern des Sonnensystems geht: Wie würde eine „Wasser“-Landung auf Titan aussehen? Wie dickflüssig ist die Flüssigkeit?
finde ich zu breit. Es erfordert nicht nur Kenntnisse über Ammoniak in wässrigen Lösungen/Mischungen unter verschiedenen Bedingungen, sondern sogar eine Modellierung in Planetengröße.
@Alchimista Ich habe die Frage leicht bearbeitet, sodass sie eindeutig nach Informationen in bestehenden Forschungsarbeiten und Veröffentlichungen fragt und nicht nach "spezifischem Einzelwissen" von Benutzern. Sieht das besser aus?
@uhoh Ich habe deine Änderungen überprüft und bin damit einverstanden.
@Alchimista Ich denke, die Fragen erfordern keine Modellierung in Planetengröße, um beantwortet zu werden, obwohl die Modellierung in Planetengröße eine gründlichere Antwort geben könnte. Ich frage mich, wie sich große Mengen Ammoniakwasser verhalten würden: verdampfen, gefrieren, welche Art von Eis würde sich bilden, würde es einen Gradienten von mehr zu weniger Ammoniak von / zu Wärmequellen geben usw. Es scheint, als ob diese Fragen erforderlich wären ein Verständnis der Eigenschaften von Ammoniakwasser (unter atmosphärischem bis höherem Druck), aber nicht unbedingt große Modellierung. Experimentelle Ammoniak-Wasser-Daten und Grundkenntnisse der Physik sind höchstwahrscheinlich ausreichend.
@Mithoron Ja? Warum der Link?
Da Sie auch auf Chem.SE danach gefragt haben, sollten in solchen Fällen Fragen verlinkt werden.
Fiese Frage: duckduckgo.com/… Ich bezweifle, dass viel Stipendiengeld in Studien gebunden ist, aber viele komplizierte Grafiken und Gleichungen: shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/37842/16/… Wir werden es wahrscheinlich tun müssen in eine solche Welt migrieren, bevor wir ernsthaft damit beginnen, sie zu verstehen. -Keine freundliche Umgebung.
Dann ist das Q eher "Wie verhält sich Wasser-Ammoniak?".
Ein bedeutender Teil von Rocheworld/Flight of the Dragonfly (zwei Ausgaben desselben Romans von Robert L. Forward) spielt auf oder in einem Wasser-Ammoniak-Ozean. An einem Punkt, IIRC, „schneit“ es unter Wasser, wobei eine Art von Kristall nach unten fällt, während eine andere nach oben fällt. Seinem Ruf nach wird Robert L. Forward die Wissenschaft davon richtig verstanden haben.

Antworten (1)

Es ist eine große Frage, aber irgendwie ein Lieblingsthema von mir, wenn ich über Exoplaneten nachdenke, also kann ich eine ungefähre Antwort geben, und ich lade jeden ein, eine Korrektur zu geben oder eine technischere Antwort zu geben, wenn er möchte.

Eisbildung

Ein Ammoniak-Wasser-Ozean wäre der Eisbildung nicht zuträglich, da Wassereis in der Ammoniak-Wasser-Lösung sinken würde und Ammoniak-Eis in flüssigem Ammoniak sinken würde. Es gibt keinen Bereich, in dem das Eis schwimmt, es sei denn, Sie entfernen fast das gesamte Ammoniak und haben einen hohen Wasseranteil.

Allerdings haben Ozeane wahrscheinlich gelöste Salze, insbesondere auf felsigen Welten, die ein sehr hohes Verhältnis von Stein zu Wasser haben. Eine Wasserwelt mag viel weniger salzige Ozeane haben, aber lassen Sie uns nicht zu sehr ablenken.

Wenn in der Wasser-Ammoniak-Mischung genügend gelöste Salze oder Eisen vorhanden sind, kann die Dichte ausreichend sein, damit Wassereis oben bleiben kann. Eis neigt dazu, sich aus nahezu reinem Wasser mit sehr wenig Meersalz zu bilden, was seinen Auftrieb erhöht. Es ist möglich, dass sich bei ausreichender Salzigkeit Eis in einem Ozean aus Ammoniakwasser bildet. Es ist auch möglich, dass Eis sinkt.

Dichte

Darauf möchte ich jetzt hinweisen, weil es wichtig ist. Nach dem Vorbild unserer Ozeane sinken höhere Salzkonzentrationen.

Salzkonzentration nach Dichte

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Das ist eine Art gesunder Menschenverstand und wird wahrscheinlich auch mit einem Wasser-Ammoniak-Ozean passieren. Höhere Ammoniakkonzentration in der Nähe der Oberfläche, höhere Wasser- (und höhere Salz-) Konzentration, wenn Sie tiefer gehen. Das ist Spekulation meinerseits, aber es scheint vernünftig.

Unterschiedliche Wasser-Ammoniak-Verhältnisse je nach Temperatur oder anderen Faktoren

Höhere Wasserkonzentrationen würden absinken und höhere Ammoniakkonzentrationen steigen und zu den niedrigeren fließen. Das ist einfache Physik. Wie auf der Erde ist die Schwankung des Salzgehalts von Oberflächenwasser nicht allzu groß. Das gleiche würde wahrscheinlich mit einem Ozean aus Ammoniakwasser passieren, die Oberflächenströmungen würden versuchen, die unterschiedlichen Verhältnisse auszugleichen. Es würde eine gewisse Variation geben, aber wahrscheinlich nicht so ausgeprägt wie die Variation mit der Tiefe. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie in einer Region einen Ozean mit 90 % Wasser und in einer anderen Region ein Verhältnis von 40 zu 60 erhalten, da die Schwerkraft ein solches Ungleichgewicht verabscheut. Der Bereich mit 90 % Wasser wäre schwerer und folglich niedriger. Sie können diese Art von Dichteungleichgewicht bei einer festen Kruste haben, aber nicht bei einem fließenden Ozean.

Die unterschiedliche Dichte des Ozeans ist aus einem anderen Grund wichtig. Auf der Erde ist der Salzgehalt über der Meeresoberfläche relativ konstant, der kalte Polarozean ist dichter und sinkt ab, und es wird angenommen, dass dies das ozeanische Förderband antreibt .

Es gibt eine Reihe von Unsicherheiten darüber, ob ein Ammoniak-Wasser-Ozean fördern würde oder nicht. Sie benötigen eine ausreichende Temperatur- und / oder Dichtevariation, wobei Sie bedenken, dass der Ozean, wenn Sie mit einem Ungleichgewicht im Verhältnis beginnen, daran arbeiten würde, dies zu korrigieren, sodass der Planet einen Motor benötigt, um das Förderband aufrechtzuerhalten. Auf der Erde ist dieser Motor der warme Äquator und die kalten Pole. Verschiedene Planeten hätten unterschiedliche Temperaturschwankungen. Die Venus zum Beispiel hat praktisch keine Temperaturschwankungen an ihrer Oberfläche.

Ich suchte, konnte aber keine Tabelle mit Ammoniak-Wasser-Lösung nach Temperatur finden. Das wäre ein Faktor, wenn jemand es finden kann.

Verdunstung

Ammoniak in Wasser hat einen Sättigungspunkt , basierend auf Temperatur und Druck. Wenn die Ammoniak-Wasser-Lösung beispielsweise an einem heißen Tag diesen Sättigungspunkt überschreitet, würde Ammoniak ziemlich schnell aus dem Ozean sprudeln. Vielleicht schnell genug, um ein Wettersystem zu erzeugen und eine Dichteänderung auszulösen, und in diesem Fall ein Absinken des wärmeren Wassers und eine Art Rückwärtsförderer, angetrieben durch sinkendes Wasser in den wärmsten Regionen des Planeten.

Der Phasenübergang, flüssig zu gasförmig, würde dem Wasser auch Wärme entziehen.

Ein Planet mit einem Ozean aus Ammoniakwasser und einer Oberflächentemperatur, die den Sättigungspunkt überschreitet, könnte ziemlich dynamisch sein.

Wenn der Planet etwas kälter ist und/oder der Ammoniakanteil unter dem Sättigungspunkt bleibt, dann handelt es sich eher um ein Gleichgewichtssystem. Wasser ist ein gutes Lösungsmittel und nimmt viele Gase wie CO2 in geringen Mengen auf. Ammoniak und Wasser mischen sich im Gegensatz zu CO2 und Wasser sehr gut, so dass die Verdunstung eines Ammoniak-Wasser-Ozeans unterhalb der Sättigung nicht viel anders wäre als Wasser auf der Erde, wo die Verdunstung hauptsächlich durch Wind und Sonnenlicht angetrieben wird. (Im Gegensatz zur Logik ist die Temperatur bei der Verdunstung nicht so wichtig wie direktes Sonnenlicht). Wind spielt ebenfalls eine große Rolle, und auf der Erde führen fließendes Wasser aus Regen oder Schneeschmelze und Transpiration von Pflanzen Wasser in die Atmosphäre zurück, das schnell wieder an die Oberfläche regnet oder schneit. Der Wasserdampfanteil der Erde in der Atmosphäre beträgt zu jeder Zeit etwa 1 %,

Ammoniak würde ähnlich wie Wasser in die Atmosphäre gelangen, aber wie lange es in der Atmosphäre bleiben würde, ist ein Faktor. Lufttemperatur und 100 % relative Luftfeuchtigkeit sind die Obergrenzen dafür, wie viel Wasserdampf in der Atmosphäre vorhanden sein kann. Es gibt keine solchen Obergrenzen für Ammoniak bei erdähnlicher Temperatur und erdähnlichem Druck, da Ammoniak im Gegensatz zu Wasser bei Standardtemperatur und -druck ein Gas ist.

Infolgedessen wird ein theoretischer erdähnlicher Planet mit einem Ozean aus Ammoniakwasser sehr wahrscheinlich auch viel Ammoniak in der Atmosphäre haben, nicht die Spuren von 1% Wasser in unserer Atmosphäre, sondern viel mehr. Sie können keinen Ammoniakozean ohne Ammoniak in der Atmosphäre in hohen Konzentrationen haben.

Um beispielsweise Ammoniak-Regentropfen bei 1 ATM zu haben, muss die Lufttemperatur kälter als -33 ° C sein, da dies die Siede- / Verflüssigungstemperatur von Ammoniak ist. Wenn der Planet nicht wirklich kalt wäre, würde ein Großteil des Ammoniaks einfach in der Atmosphäre bleiben, aber vermutlich würde der Planet Wasserregen haben und dieser Wasserregen würde einen Teil des Ammoniaks zurückziehen und in die Ozeane zurückführen. Das ist das Gleichgewicht, und es ist kompliziert zu versuchen, es zu berechnen, aber die Frage ist nicht nur, wie schnell es verdunsten würde, sondern auch, wie schnell es zurückkehren würde, und die Rückkehrrate würde von der Rückkehrmethode abhängen. Ammoniak ist ein Gas bei normalen Planetentemperaturen, was bedeutet, dass es wahrscheinlich auch in der Atmosphäre verbleiben würde und nicht vollständig in den Ozean gelangen würde. Es wäre etwas von beidem.

Vielleicht würden sich das Ozeanverhältnis und das Regenwasser/Ammoniak-Verhältnis im Laufe der Zeit ausgleichen, aber auch das ist nur Spekulation.

Wenn der Planet sehr kalte Pole hat, an denen das Ammoniak aus der Atmosphäre regnen könnte, oder vielleicht Gezeitensperren, und eine kältere Nachtseite des Planeten, dann könnte das Ammoniak schneller aus der Atmosphäre zurückkehren.

Ich würde gerne wissen, ob dies untersucht wurde und ob diese Verhaltensweisen in Artikeln, Büchern oder ausführlichen Artikeln zu diesem Thema beschrieben wurden.

Papiere sind mir nicht bekannt. Es macht Spaß, über die theoretische Planetenentstehung nachzudenken, aber um es richtig zu machen, sind einige ziemlich ernsthafte Computermodelle erforderlich. Was ich zu diesem Thema gelesen habe, ist viel weniger ehrgeizig als Ihre Frage. Modelle werden auf Wasserwelten und auf Gezeiten eingeschlossenen Welten und auf Plattentektonik für Planeten unterschiedlicher Masse erstellt. Ich habe noch nie eine Studie über Ozeane aus Ammoniakwasser gesehen, aber ich denke, es ist ein lustiges Thema.

Die Erde musste irgendwann ziemlich reichlich Ammoniak haben, weil sie eines der primären „Eise“ in Kometen ist. Kometen bestehen hauptsächlich aus Ammoniak, Wasser, CO2 und CH4, mit kleineren Mengen anderer Elemente. Es lohnt sich zu fragen, wohin das Ammoniak der Erde gegangen ist. Es kann chemisch reaktiver sein als die anderen Elemente. Wenn die Erde ihr Ammoniak verliert, können andere Planeten ihr Ammoniak im Prozess der Planetenbildung und der damit verbundenen Chemie ebenfalls verlieren. Es ist auch möglich, dass Ozeane aus Ammoniakwasser weit verbreitet sind, vielleicht häufiger als Ozeane aus reinem Wasser, wie wir sie auf der Erde haben.

Vielleicht werden uns die Zeit und bessere Teleskope mehr über dieses Thema sagen.

Nehmen Sie meine Antwort mit einem Körnchen Salz, da ich ein Bastler bin.

Das ist toll! Ich denke, ich habe ein paar Anschlussfragen für Sie, wenn Sie Lust haben. Ich habe meine eigenen Nachforschungen zu diesem Thema angestellt, und ich habe ein paar neue Erkenntnisse, die ich vielleicht beitragen kann. Zu Ihrer Information, mein Interesse an Ammoniak-Wasser-Welten neigt sich etwas mehr zu denen, die kalt (0 ° C, -10 ° C, -30 ° C, -40 ° C) als wärmer sind. Teilweise scheint es, dass NH3-Ozeane wahrscheinlicher sind auf Welten, die weiter von ihrer(n) Sonne(n) entfernt sind. In dieser Entfernung sind wasserstoffdominierte Atmosphären auf der "Supererde" sehr plausibel, was bedeutet, dass ein biochemischer "Cold Haber" -Prozess Ammoniak aus N2 und H2 erzeugen könnte. Vielleicht viel davon.
@n_bandit Danke. Ich tue mein Bestes, aber meine Antwort ist eher ein Überblick als eine wissenschaftliche Antwort. Versuchen Sie, die Stack-Regeln zu befolgen, z. B. eine Frage nach der anderen und nicht zu breit, oder wir können uns jederzeit zum Chatten bewegen, um eher eine Hin- und Her-Diskussion zu führen.
Gibt es nicht "gemischte" Eissorten? Kristalle, die für jedes Ammoniakmolekül ein oder zwei Wassermoleküle enthalten? Sie könnten Eis bilden, das schwimmen könnte.
@SteveLinton Sie haben Recht, dass Ammoniak und Wasser zusammen gefrieren (wenn es kalt genug wird). Ich glaube das habe ich komplett übersehen. Wasser gefriert nicht aus einer Wasser-Ammoniak-Lösung, wie es aus einer Salzwasser-Lösung oder einigen (allen?) Wasser-Alkohol-Lösungen gefriert. Deshalb ist Ammoniak ein gutes Frostschutzmittel. Aber - meine Chemie sollte wohl überprüft werden.
@SteveLinton kleine Korrektur zu oben. Wasser gefriert fast rein aus einer Salzwasserlösung, aber Wasser-Alkohol ist ein fraktioniertes Gefrieren, bei dem ein Teil des Alkohols mit dem Wasser gefriert, aber eine höhere Konzentration von Wasser gefriert. en.wikipedia.org/wiki/Fractional_freezing Ich glaube nicht, dass Ammoniakwasser fraktioniert gefriert, aber ich konnte nichts finden, was dies ausdrücklich besagt.
@userLTK Ich habe kürzlich in einem Artikel ein Diagramm gefunden, in dem die Eisbildung bei verschiedenen Ammoniakkonzentrationen, Temperaturen und Drücken behandelt wurde. Wenn ich mich recht entsinne, wird beim Absenken der Temperatur das Wasser allmählich als reines Wassereis aus dem Ammoniak gefrieren, bis beim Erreichen des Gefrierpunkts des Ammoniaks nur noch Ammoniak übrig ist. Dann beginnt Ammoniak zu gefrieren und reagiert mit dem Wassereis, um eine neue Art von Eis zu bilden. Das Eis und die Temperaturen waren anders, als Sie den Druck erhöhten. Ich muss das Diagramm ausgraben und hier teilen.
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