К каким последствиям приведет изменение состава воздуха с целью увеличения его плотности?

В другом вопросе я спросил, как можно сделать дирижабли более жизнеспособными. Первое (и пока единственное) многообещающее решение, которое я придумал, — увеличить плотность воздуха.

В реальном мире воздух (на Земле) состоит в основном из азота (~80%) и кислорода (~20%). Я хотел бы уменьшить содержание азота в пользу более тяжелого газа.

К сожалению, большинство тяжелых газов кажутся так или иначе токсичными, хотя и криптон, и ксенон кажутся приемлемыми; Радон был бы следующим шагом в категории инертных газов, но он радиоактивен. Изменение состава воздуха с (упрощенного) 80% азота, 20% кислорода на 50% азота, 30% ксенона, 20% кислорода повысит плотность примерно с 1,25 кг/м³ до примерно 2,68 кг/м³, что примерно удвоит плавучесть.

Отсюда мой вопрос: каковы будут последствия уменьшения процентного содержания азота в воздухе в пользу более тяжелого газа, такого как криптон или ксенон?

Приложение: я с тех пор прочитал этот вопрос , ответ на который гласит: «Ксенон является отличным общим анестетиком, поэтому давайте не будем создавать атмосферу, которая делает нас бессознательными». Я готов просто признать, что этого свойства не существует в моем мире (возможно, люди и другие существа выработали иммунитет), если ксенон окажется во всем остальном лучшим вариантом.

Должна ли это быть смесь элементарных газов? Альтернативы могут включать, возможно, галофторуглероды - нетоксичные (за исключением того, что они вытесняют кислород) и действительно плотные.
@Tantalus'touch. Я бы предпочел элементарные газы, поскольку «атмосфера мира состоит из азота, кислорода и ksadfjhklsdjfklsdjlfjsdkljfldsjlskjfklj» звучит немного странно. Тем не менее, я ценю любой вклад в неэлементарные газы - если они работают лучше, чем элементарные газы, они все еще являются вариантом. Кроме того, я всегда мог дать им собственное имя.
Гораздо лучше просто увеличить давление примерно до 2,5 атм, уменьшив при этом долю кислорода примерно до 12%. В атмосферном давлении Земли нет ничего святого; с тем же успехом это может быть 0,5 атм или 2 атм.

Ответы (4)

Весьма вероятный риск заключается в том, что тяжелые газы будут расслаиваться на самых низких высотах, вытесняя более легкие газы и создавая бескислородную среду.

Ситуация, при которой нормальное перемешивание атмосферы прекращается, называется инверсией.

При правильных условиях нормальный вертикальный градиент температуры инвертируется, так что воздух у поверхности Земли холоднее. Это может произойти, например, когда более теплая и менее плотная воздушная масса движется над более холодной и более плотной воздушной массой. Этот тип инверсии возникает вблизи теплых фронтов.

Температурные инверсии останавливают атмосферную конвекцию (которая обычно присутствует)

Образование бескислородных областей из-за тяжелых газов происходит уже во время лимнического извержения :

Лимническое извержение, также известное как опрокидывание озера, представляет собой редкий тип стихийного бедствия, при котором растворенный углекислый газ (CO2) внезапно извергается из глубоких вод озера, образуя газовое облако, способное задушить диких животных, домашний скот и людей.

Как только происходит извержение, над озером образуется большое облако CO2, которое распространяется на окрестности. Поскольку СО2 плотнее воздуха, он имеет тенденцию оседать на землю, одновременно вытесняя пригодный для дыхания воздух, что приводит к удушью. CO2 может сделать жидкости человеческого организма очень кислыми и потенциально вызвать отравление CO2. Когда жертвы хватают ртом воздух, они фактически ускоряют асфиксию, вдыхая газ CO2.

Это было бы высоким риском в районах с низким атмосферным перемешиванием. Конечно, над этими областями из-за расслоения плавучесть также уменьшится.

Датч, вам известны какие-либо такие области над землей? Атмосфера Земли довольно смешанная. Извержение на озере Ньян убило все, но быстро прошло. Есть ли место, где газы расслаиваются?
@Willk Я знаю районы, где в зависимости от сезона из-за распределения температуры может случиться так, что перемешивание атмосферы перестанет вызывать, например, смог и концентрацию загрязнения.
@Willk География может сыграть большую роль. Я впервые узнал об инверсиях, когда жил в Питтсбурге, где холмы и долины делают температурные инверсии не такой уж редкостью. Например, от смога Донора 1948 года в течение нескольких дней заболели десятки тысяч человек, когда загрязнение воздуха попало в ловушку у поверхности из-за инверсии температуры. Не уверен, что что-то подобное может произойти где угодно, но это может произойти естественным образом при правильных обстоятельствах.
@Willk, атмосфера Земли не сильно различается по плотности компонентов. Самый легкий из неследовых компонентов, азот, имеет атомную массу 28, а самый тяжелый, углекислый газ, имеет атомную массу 44. Сравните это с 131 атомной массой ксенона.

Ты бы говорил как Дарт Вейдер https://www.youtube.com/watch?v=irz-diec-qg%3Frel%3D0

Хотя эффект действительно значителен только при очень высоких плотностях.

Есть небольшая проблема с выбором газа, многие газы при высоких концентрациях обладают активными биологическими свойствами. Например, инертные газы от аргона и выше обладают анестезирующими свойствами, хотя только в значительной степени для ксенона и выше.

Как насчет того, чтобы просто увеличить давление окружающего воздуха , тем самым увеличив плотность воздуха?

Если вы сделаете атмосферу на 95 % азотной и на 4 % кислородной при давлении 5 бар (в 5 раз больше давления на уровне моря на Земле), то нормальные люди по-прежнему смогут дышать вашей атмосферой, а ваши дирижабли получат в 5 раз большую выталкивающую силу от своих воздушных шаров. Не имеет значения, газ легче воздуха или простой нагретый воздух. 5-кратное давление воздуха означает, что 5-кратная плотность воздуха означает 5-кратную подъемную силу на объем воздушного шара.

Для нормальных людей 5 бар - это практически предел. Азотный наркоз на самом деле срабатывает чуть ниже этого уровня, но некоторая степень акклиматизации возможна. Пониженное содержание кислорода обеспечит соответствующее парциальное давление кислорода для дыхания.

Какие еще последствия может иметь это повышенное атмосферное давление? Я предполагаю, что это увеличит сопротивление воздуха, но это, вероятно, будет верно и для более тяжелой газовой смеси с ксеноном.
Если у вас в пять раз больше давления воздуха, разве вам не нужны пропорционально более высокие давления (и, следовательно, плотности) подъемных газов? Я думал об этом, но не знаю, будет ли на самом деле по-другому. Кто-нибудь из физиков хочет прокомментировать?
@DWKraus, грузоподъемность определяется разницей плотностей, а не соотношением плотностей, и поэтому также умножается на пять.

Это зависит от обстоятельств вашего мира. Если бы мир с высокой атмосферой Xeon действительно существовал (очень маловероятно), то любые существа, которые эволюционировали в атмосфере, не подвергались бы анестезирующим эффектам. Если бы каким-то образом были введены высокие концентрации Ксеона (!), то любая жизнь могла бы подвергнуться анестезирующему эффекту.

Ксеон, вероятно, будет обнаружен в несколько более высоких концентрациях в нижней тропосфере, чем, скажем, в стратосфере, но общие атмосферные эффекты ветра, дождя и конвекции почти наверняка обеспечат хорошее перемешивание. Обратите внимание, что концентрация углекислого газа в атмосфере не меняется ( https://www.jstor.org/stable/1934239?seq=1 ), несмотря на то, что углекислый газ является более тяжелым газом, чем кислород, азот или аргон.

Один из способов увеличить плавучесть — сделать мир холодным. Холодные газы плотнее горячих. Если бы внутренний объем подъемного газа был нагрет (химическими, магическими или солнечными средствами), его грузоподъемность увеличилась бы.

Я полагаю, что атмосфера с высоким содержанием Xeon действительно маловероятна (SCNR ^^). Тем не менее, это мир фантазий, поэтому, хотя он должен в основном следовать законам физики, чтобы поддерживать внутреннюю согласованность, просто объявить ксенон обычным явлением не проблема. Я знаю, что это, вероятно, не имеет большого смысла с химической точки зрения, но я буду использовать здесь подход свободы творчества. В любом случае, я рассмотрю вариант с температурой - возможно, стоит попробовать, если разница заметна (а не только + 5% плавучести или около того).
Ну, это зависит от того, сколько вы хотите нагреть газ. Можно ли все разумно рассчитать, используя законы идеального газа - кажется, работает для воздушных шаров. И да, конечно, если это фантазия, то наполняйте свои сапоги! В качестве альтернативы вы можете ввести то, что я называю «минимальной магией», то есть сохранить все в соответствии с нашим миром, за исключением одной вещи (что-то вроде предположения о большом количестве ксенона), но убедиться, что физические законы не нарушены. Я думаю, что я был достаточно успешным, когда попробовал это здесь: worldbuilding.stackexchange.com/questions/191893/…
Холод бы сработал. но ваш дирижабль не будет! Чтобы удвоить подъемную силу, вам нужно, по сути, вдвое снизить температуру. Абсолютная температура . Так что 150K (-190f) будет приятным летним днем.
Я думаю, учитывая предложение, дирижабль сработал бы нормально. Предложение (Heavenium) является проблемой. Температура не решает все проблемы, но может помочь. Если бы было -30C 243K снаружи и даже 30C 303K внутри конверта, это обеспечило бы полезную подъемную силу. А можно сделать еще теплее.

Я согласен с ответами, которые предлагают придать вашей планете более плотную атмосферу. Я приведу ссылки на расчеты, предполагающие, что пригодная для дыхания атмосфера может иметь примерно в пять раз большее давление на уровне моря, чем земная атмосфера, а возможно, и намного больше.

Вы также можете подумать о том, чтобы дать вашей планете более высокую или более низкую поверхностную гравитацию, в зависимости от того, что будет иметь тенденцию к увеличению плавучести газов, которые легче атмосферы.

Конечно, каждый элемент или соединение, которые могут присутствовать в атмосфере, станут токсичными, если они присутствуют в слишком большой концентрации. Даже кислород, жизненно необходимый для жизни, в избыточных количествах становится ядовитым. Итак, если вы увеличите концентрацию каждого вероятного и невероятного элемента и соединения до максимума, который может выдержать человек, вы найдете абсолютный верхний предел плотности атмосферы на высотах, где живут люди (и существа с такими же потребностями).

Обитаемые планеты для человека Стивен Х. Доул, 1964, 2007, обсуждает экологические требования человека.

И издание 1964 года есть в сети:

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

На страницах с 13 по 19 Доул обсуждает потребности людей в атмосфере. На странице 15 Доул утверждает, что нормальное атмосферное давление кислорода на уровне моря на Земле составляет около 149 миллиметров ртутного столба. Общее атмосферное давление на уровне моря составляет 29,92 дюйма ртутного столба или 759,968 миллиметра ртутного столба.

На странице 19 Доул говорит:

Таким образом, атмосфера обитаемой планеты должна содержать кислород с парциальным давлением при вдохе от 60 до 400 миллиметров ртутного столба и углекислый газ с парциальным давлением примерно от 0,05 до 7 миллиметров ртутного столба. Кроме того, парциальные давления инертных газов должны быть ниже определенных установленных пределов, а другие токсичные газы не должны присутствовать в количествах, превышающих следовые количества. Некоторое количество азота должно присутствовать, чтобы азот в комбинированной форме мог попасть в растения.

Таким образом, углекислый газ был бы очень плохим выбором для повышения атмосферного давления. Согласно таблице 2 на странице 16, приблизительные верхние пределы давления для азота и аргона составляют около 2330 и 1220 миллиметров ртутного столба. Таким образом, атмосфера, пригодная для дыхания, может иметь общее давление азота, аргона и кислорода в 3950 миллиметров ртутного столба, что примерно в 5,197 раз превышает давление земной атмосферы на уровне моря.

Я отмечаю, что Доул считает, что гелий и неон могут присутствовать при еще большем давлении в пригодной для дыхания атмосфере, но верхние пределы довольно неопределенны.

И, конечно же, новые исследования могли изменить безопасные пределы содержания различных атмосферных газов.

К каким последствиям приведет изменение состава воздуха с целью увеличения его плотности?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v