Auswirkungen auf die Wissenschaften mit Helium statt Stickstoff

Angenommen, wir haben einen Planeten, dessen Atmosphäre ungefähr die gleichen gasförmigen Anteile wie die Erde hat, aber Helium ersetzt Stickstoff und hat eine starke Wasserstoffpräsenz in der oberen Atmosphäre; hat eine stärkere Anziehungskraft als die Erde; und hat eine dickere Atmosphäre als die Erde (von der Oberfläche des Planeten bis zur Grenze zum Weltraum). Welche Auswirkungen hätten diese Bedingungen auf die Entwicklung von Wissenschaft und Technik aus menschlicher Sicht? Zu den Feldern, an denen ich interessiert bin, gehören unter anderem die folgenden:

  • Flug. Leichter-als-Luft-Fahrzeuge würden wahrscheinlich erhitztes Helium oder Wasserstoff benötigen, um den Flug aufrechtzuerhalten, aber was ist mit Starrflüglern und Drehflüglern? Wäre es leichter oder schwerer zu fliegen, oder gäbe es keinen merklichen Unterschied?
  • Kommunikation. Wellen breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch unterschiedliche Materialien/Dichten aus. Würde es einen merklichen Einfluss auf die Übertragung von z. B. Funkwellen geben?
  • Tauchen. Wenn Taucher tiefe Tauchgänge machen, tauschen sie den Stickstoff in ihren Druckluftbehältern gegen Helium aus (das war die Idee hinter der atmosphärischen Veränderung). Wäre Helium immer noch eine praktikable Option für tiefe Tauchgänge?
  • Sprengstoffe. Wie bei der Kommunikation haben Wellen unterschiedliche Ausbreitungsfaktoren. Würden Explosionen merklich beeinträchtigt? Wären sie zum Beispiel zerstörerischer, aber in einem kleineren Radius?
  • Feuerarme. Wären Schusswaffen in Erweiterung zu Sprengstoffen merklich betroffen? Die Schwerkraft würde Munition wahrscheinlich schneller zu Boden ziehen. Würden Projektile mehr oder weniger Widerstand von der veränderten Atmosphäre erfahren und möglicherweise die effektive Reichweite beeinträchtigen?
  • Weltraumflug. Die moderne Raketentechnik basiert auf dem Konzept einer kontrollierten Explosion. Welcher Faktor würde die größte Rolle bei der Abschreckung/Förderung der Raumfahrt spielen: das Helium in der Atmosphäre, der starke Gravitationsschacht oder die Höhe der Atmosphäre? Würden moderne Raketentriebwerke auch den hohen Wasserstoffgehalt in der oberen Atmosphäre zur Explosion bringen und solche Fahrzeuge effektiv daran hindern, den Weltraum zu erreichen?

Bitte beachten Sie: Ich bin überhaupt nicht an einer Untersuchung der Auswirkungen dieser Veränderungen auf die menschliche Physiologie interessiert; Menschen wären wahrscheinlich kleiner, dichter und klingen wie Alvin und die Chipmunks.

Wenn es Bereiche gibt, die ich noch nicht aufgelistet habe, von denen Sie glauben, dass sie von den oben beschriebenen Bedingungen merklich betroffen wären, können Sie sie gerne auflisten.

Nachtrag: Mir ist aufgefallen, dass sich viele der Antworten eher auf die Machbarkeit der Entwicklung von Leben in einer auf Helium basierenden Atmosphäre beziehen als auf die Auswirkungen, die die Atmosphäre auf die Entwicklung des wissenschaftlichen Verständnisses haben würde. Nur um es klarzustellen, dieser Planet ist nicht die Erde, daher kann davon ausgegangen werden, dass alle biologischen Faktoren für die angegebene Atmosphäre richtig entwickelt sind. Antworten auf diese Frage sollten sich nur auf die Auswirkungen auf verschiedene Bereiche von Wissenschaft und Technik beziehen.

Es wäre höchst unwahrscheinlich, eine Atmosphäre mit sowohl freiem Wasserstoff als auch freiem Sauerstoff zu haben. Es ist wahrscheinlicher, dass Sie eine von Helium dominierte Atmosphäre und entweder etwas Wasserstoff oder (weniger wahrscheinlich) etwas Sauerstoff und viel Wasser haben. Gase in Planetenatmosphären neigen nicht dazu, sich so zu schichten.
@MontyWild Mir ist bewusst, dass sich eine Atmosphäre nicht so bildet, aber diese Frage hat mich inspiriert. Während Wasserstoff und Helium in Bezug auf die Masse nah beieinander liegen, habe ich das Gefühl, dass ich genug von der Diskrepanz wegwinken kann, um plausibel zu bleiben.
Oh nein, nicht die Sauerstoff-Wasserstoff-Hindenburg-Atmosphäre!
Für einen guten Überblick darüber, was uns fehlen würde (in Bezug auf die chemischen Eigenschaften von Stickstoff, am bemerkenswertesten die starke chemische Bindung im N2-Molekül), hören Sie sich diese 2 Business Daily- Podcasts der BBC in ihrer Unterserie Elemental Business : Nitrogen Explosives and Nitrogen Fertilizer an Sie würden überall viele mögliche chemische Reaktionen verlieren
@Frostfyre - Im Nachhinein ... etwas, mit dem Sie hier sehr vorsichtig sein müssen, ist das Mischen Ihrer Atmosphäre. Stickstoff und Sauerstoff mischen sich gut ... sie haben ungefähr das gleiche Gewicht und es schichtet nicht wirklich viel. Helium und Sauerstoff sind eine andere Geschichte ... Helium steigt auf und Sauerstoff sinkt. Ohne ständige Winde oder etwas, um dies zu mischen, könnten Sie eine stärkere Sauerstoffansammlung bekommen und Konzentrationen erreichen, bei denen alles verbrennen oder für das menschliche Leben giftig werden könnte. Höhlen und unterirdische Kavernen können zu 100 % aus Sauerstoff bestehen, wenn sich das Helium abscheidet.
Nun, es gäbe kein Leben, das ist also ein Anfang. Das ersetzt das N von CHON

Antworten (7)

Eine Möglichkeit, die relative Schwierigkeit des Fliegens abzuschätzen, besteht darin, die Auswirkungen auf die Reynoldszahlen zu vergleichen . (tl;dr: Flug ist viel schwerer)

Die Formel, die wir verwenden werden, ist die Schnur-Reynolds-Zahl:

R = v c v

wobei V die Geschwindigkeit ist, c die Sehnenlänge des Tragflügels ist und v die kinematische Viskosität ist; es ist v das ändert sich; wobei ein größerer Wert einer niedrigeren Reyndold-Zahl und einem schwierigeren Flug entspricht.

Dynamische Viskositäten bei 20 ∘ C in 10 − 5 K g m ⋅ s

μ H e = 1,96
μ EIN ich r = 1,82

Flüssigkeitsdichte bei 20 ∘ C in K g m 3

ρ H e = 0,1664
ρ EIN ich r = 1.205

Geben Sie uns kinematische Viskositäten , by v = μ ρ in m 2 s

v H e = 11.8
v EIN ich r = 1.51

Natürlich wird unsere tatsächliche Atmosphäre wahrscheinlich irgendwo zwischen diesen Werten liegen, aber die viel höhere Viskosität von Helium sollte zu niedrigeren Reynoldszahlen für ansonsten ähnliche Tragflächen führen, kombiniert mit der höheren Schwerkraft, sollte das Fliegen auf der fraglichen Welt schwieriger machen als hier auf der Erde.

Danke dafür. Es bestätigt meine Vorstellung, dass der Flug erheblich beeinträchtigt würde. Was wäre das effizienteste Mittel, um den Auswirkungen einer dünneren Atmosphäre entgegenzuwirken? Oder wäre das eine separate Frage?
Nun, die beiden anderen Parameter in der Analyse der Reynoldszahl sind Geschwindigkeit (schneller fliegen) und Länge (größere Flügel verwenden).

Es gibt einige Eigenschaften von Stickstoff gegenüber Helium in Bezug auf spezifische Wärme und Volumen ... Also beantworte ich die Frage, die Sie nicht gepostet haben ... Klima!

Volumen – Helium nimmt bei gleichem Gewicht etwa das 7,5-fache des Volumens von Stickstoff ein. Dies bedeutet letztendlich, dass sich Ihre Atmosphäre über eine wesentlich größere Entfernung nach oben ausdehnen wird, um die gleiche Masse zu haben ... etwa das 6-fache des Volumens, nur um die gleiche Masse (und den gleichen Druck auf Meereshöhe) beizubehalten. Ich habe ehrlich gesagt keine Ahnung, ob dies die Beibehaltung Ihrer Atmosphäre im Vergleich zu ihrer Auswaschung in den Weltraum beeinflussen würde.

Diffusion - Wasser diffundiert etwa dreimal schneller in Helium als in Stickstoff. Dies hätte wettertechnisch einen wirklich interessanten Effekt, da sich Wolken in einer Heliumatmosphäre deutlich schneller ausbreiten und sogar große Regenereignisse verhindern könnten. Stattdessen würden Sie fast einen dunstigen Nebel in der Atmosphäre anstelle von Wolken bekommen. (meistens Spekulation meinerseits).

Hitze. Helium hat eine wahnsinnig hohe Wärmekapazität, fast das Fünffache von Stickstoff. Das bedeutet, dass zum Erwärmen deutlich mehr Energie benötigt wird, aber auch zum Kühlen deutlich mehr Energie. Euer Klima wäre viel konstanter und schwanke weniger von den täglichen Ereignissen.

Ich müsste mich eingehender damit befassen und die Antwort ein paar Mal bearbeiten ... aber ich habe das Gefühl, dass Sie deutlich mehr Wasserdampf in der Atmosphäre haben werden, die sich viel weiter nach oben erstreckt als unsere derzeitige Erde. Dadurch wird der grau/weiße Bewölkung-Look viel häufiger als an einem klaren sonnigen Tag.

Ich wäre gespannt, welche Art von Windmustern dies auslösen würde und was genau für einen Jetstream passieren würde. Mehr Recherche ... Ich weiß, es ist nicht das, wonach Sie in einer Antwort gesucht haben, aber die meisten Fragen, die Sie gestellt haben, scheinen sich nicht allzu sehr zu ändern. Die Veränderung, die ich sehe, betrifft das Wetter, die atmosphärische Erwärmung und den Wasserdampf.

Ich frage mich, ob eine Heliumatmosphäre einen andersfarbigen Himmel oder andere Sonnenuntergangsfarben haben würde?

Hinzufügen

Helium hat ein ganz anderes Absorptionsspektrum als Stickstoff. Gut möglich, dass der Himmel eine andere Farbe hat

Die veränderte Atmosphäre hätte also einen erheblichen Einfluss auf die Fortschritte in der Astronomie aufgrund der erhöhten Wolkendecke? Ist das Fehlen von starkem Regen eine definitive, wissenschaftlich fundierte Behauptung oder nur eine Spekulation auf der Rückseite des Umschlags? Es gibt ein paar Regionen auf meiner Welt, die auf hohe Niederschläge angewiesen sind. Unabhängig davon +1 für die Diskussion der klimatologischen Auswirkungen.
@Frostfyre Ich habe einige zusätzliche Untersuchungen zu Helium durchgeführt, aber es wird nicht so schnell, da es auf der Erde halb selten ist. Mangel an Regen ist Spekulation ... aber es ist anständig wissenschaftlich fundiert. Wasser breitet sich in Helium stärker aus und verursacht größere, weniger dichte Wolken. Darüber hinaus erfordert Regen einen Partikel, um den das Wasser zunächst kondensiert ... es liegt nahe, dass in leichterem Helium weniger Partikel herumschwimmen. Es ist nicht zu sagen, dass die hohen Regenfälle nicht auftreten können, da sie schließlich fallen müssen, aber größere, sich ausbreitende Wolken wären ein beständiger Anblick.
Zweifeln Sie an wirklichen Auswirkungen auf die Astronomie ... das Klima variiert und obwohl einige Gebiete mehr Wolken sehen könnten, werden andere Gebiete Ihres Globus klar sein.
Ich weiß genug über Physik, um zu diesem Punkt zu kommen. Ich vermutete, dass es immer noch Wolken geben würde, hatte aber nicht damit gerechnet, dass sie größer sein würden. Danke für den Hinweis.
@Frostfyre - ein Problem, das Sie beachten sollten ... Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff können alle in der Erde abgeschieden und durch eine Vielzahl von Prozessen wieder eingeführt werden. Helium ist etwas anders, da es mit absolut nichts reagiert (abzüglich eines halbstabilen HeH + -Zustands und etwas halbstabilem Sauerstoff-Fluor-Zustand). Helium kann durch radioaktiven Zerfall auf einem Planeten entstehen, aber die Freisetzungsrate ist winzig. Helium ist leicht und wird aus unserer Atmosphäre herausgeschleudert und in den Weltraum entweichen, und es gibt wirklich keine Möglichkeit, es selbst wieder aufzufüllen. Dieser Planet und seine Atmosphäre hätten eine begrenzte Lebensdauer.
Mit einer ausreichend hohen Gravitationskraft kann dieser Effekt sicherlich verlangsamt werden. Hinzu kommen die Bemühungen eines früheren Zyklus technologisch fortgeschrittener Menschen, die Atmosphäre zu stabilisieren, und dieser Faktor kann weitgehend ignoriert werden. Zugegeben, alles hat eine begrenzte Lebensdauer, es kommt nur darauf an, wie lange.

Stickstoff aus der Atmosphäre wird auch von Pflanzen zum Aufbau von Proteinen verwendet. Ohne gasförmigen Stickstoff aus der Atmosphäre könnte sich das Leben also nicht entwickeln, oder das Leben wäre ganz anders. Wo würde es herkommen?

Sie können dieses Problem wegwischen, indem Sie Ihre humanoide Rasse von einem anderen Planeten migrieren, wenn Sie dies wünschen. Aber Sie sollten sich überlegen, welche Wirkung auf lokale Lebensformen Atmosphäre aus Inertgas haben würde.

Helium ist inert, kann also Stickstoff in Reaktionen nicht ersetzen.

Die Migration ist eigentlich ein Teil meiner Zeitlinie: Technisch fortgeschrittene Menschen von der Erde beschlossen, den Planeten zu terraformieren/zu kolonisieren, erlebten eine Katastrophe und mussten ihre Gesellschaft mit nur minimalen Spuren ihrer fortgeschrittenen Vorfahren wieder aufbauen.

Einige Ihrer Punkte:

  • Flug: Leichter als Luft würde riesige Hydrogen-/beheizte Heliumräume benötigen, um Auftrieb zu erzeugen (wenn es überhaupt möglich wäre). Die Luftfahrt wäre schwieriger (aktuelle Flugzeuge haben eine Flughülle, in der die Luft dicht genug ist, um genügend Auftrieb zu erzeugen, wenn sie höher fliegen, bleiben sie stehen).

  • Kommunikation: Ihre Stimme wäre lustig. Ansonsten nichts (Radiowellen sind elektromagnetische Wellen, ihre Geschwindigkeit würde nicht beeinträchtigt).

  • Tauchen: Helium wird verwendet, weil hoher Stickstoffdruck giftig ist. Nichts würde sich ändern.

  • Raumfahrt: Hidrogen-Explosion. Es würde davon abhängen, was es sonst noch zu kombinieren gibt. Ich denke, der meiste Sauerstoff wäre im Gravitationsschacht niedriger, und die oberen Schichten werden wahrscheinlich sowieso nicht sehr dicht sein.

Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Wollen Sie damit sagen, dass die Geschwindigkeit und Übertragung des Lichts nicht von der Substanz beeinflusst wird, durch die es sich bewegt?
Bei den Entfernungen, für die wir Funk verwenden, nicht merklich.
@samuel. Lichtgeschwindigkeit durch unsere Luft ist sehr nah am Vakuumwert, etwa 90 km/s langsamer...
@SerbanTanasa Ich bezog mich auf das Rayleigh-Fading, das Sie in Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen berücksichtigen müssen. Es ist ein fortschrittliches digitales Kommunikationsdetail, das in der realen Welt wichtig ist, aber möglicherweise nicht für eine Geschichte. Der Punkt ist, dass einige Anpassungen vorgenommen werden müssten, es ist nicht "keine Auswirkung".

Wir würden mehr wiegen

Der größte Effekt, den Sie hätten, wäre, dass Sie einen viel massiveren Planeten brauchen, um das Helium festzuhalten. Helium ist leicht genug, dass es durch Sonnenwind aus unserer Atmosphäre gerissen werden kann. Helium macht den kleinsten Bruchteil unserer Atmosphäre aus, weil es ständig verloren geht. Unser Planet erzeugt es langsam durch radioaktiven Zerfall.

Juptier kann Helium viel besser halten als die Erde, daher ist sein Heliumanteil höher.

Ich hatte bereits darüber nachgedacht, dass jede Spezies auf diesem Planeten mehr wiegen würde als beispielsweise auf der Erde. Mein Interesse, diese Frage zu stellen, war, wie sich die Umwelt auf Fortschritte in Wissenschaft und Technologie auswirken würde. Während diese Antwort die physiologischen Veränderungen beim Menschen anspricht, geht sie so wie sie ist nicht auf die Frage ein.

Zur Ergänzung der bestehenden Antworten. Sowohl Helium als auch Wasserstoff stellen eine Bedrohung für die Stabilität Ihrer Atmosphäre im Laufe der Zeit dar (unter Berücksichtigung einer geologischen Zeitskala), da ihr Molekulargewicht so gering ist, dass sie allein durch thermische Bewegung eine Fluchtgeschwindigkeit erreichen. Diese Gase neigen also ziemlich dazu, in den Weltraum zu diffundieren und somit zu verschwinden. Die Erschöpfung der Atmosphäre ist hier also ein echtes Problem.

Dies erfordert ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft (im Wesentlichen "Oberflächengravitation") Ihres Planeten und der Wärme in der Atmosphäre (hauptsächlich bestimmt durch die Entfernung zu seinem Zentralstern). Jupiters Anziehungskraft ist stark genug, um H und He zu halten, während dies bei Mars und Venus nicht der Fall ist. Die Erde selbst hat Probleme, ihr Helium in der Atmosphäre zu halten, weshalb es für alle technischen Zwecke aus Erdgas gewonnen wird.

Heliumatome sind so klein (aufgrund ihrer Struktur sogar kleiner als Wasserstoff), dass sie jedes Material durchdringen. Es gibt Beispiele aus der Praxis, dass es in iPhone-Uhrkristalle gelangt ist und Fehlfunktionen verursacht hat . Vakuumröhren und CRT-Displays oder sogar Leuchtstofflampen sind wahrscheinlich unpraktisch, da sie das ständige Abpumpen des Heliums erfordern. Helium kann Defekte in Kristallgittern verursachen und damit die Herstellung von Hightech-Metallurgie, -Chemie und -Elektronik erschweren. Wenn hochreine Materialien gewünscht werden, müssen sie mühsam im Vakuum entgast werden, um Helium loszuwerden.

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