¿Cuáles serían los efectos de cambiar la composición del aire para aumentar su densidad?

En otra pregunta , pregunté cómo se podrían hacer más viables las aeronaves. La primera (y hasta ahora única) solución prometedora que se me ocurrió es aumentar la densidad del aire.

En el mundo real, el aire (en la Tierra) está compuesto principalmente de nitrógeno (~80%) y oxígeno (~20%). Me gustaría reducir el contenido de nitrógeno a favor de un gas más pesado.

Desafortunadamente, la mayoría de los gases pesados ​​parecen ser tóxicos de una forma u otra, aunque tanto Krypton como Xenon parecen estar bien (-ish); El radón sería el siguiente paso en la categoría de gases nobles, pero es radiactivo. Cambiar la composición del aire de un 80 % de nitrógeno (simplificado), un 20 % de oxígeno a un 50 % de nitrógeno, un 30 % de xenón y un 20 % de oxígeno aumentaría la densidad de aproximadamente 1,25 kg/m³ a aproximadamente 2,68 kg/m³, duplicando aproximadamente la flotabilidad.

De ahí mi pregunta: ¿cuáles serían los efectos de reducir el porcentaje de nitrógeno en el aire a favor de un gas más pesado como Krypton o Xenon?

Anexo: desde entonces leí esta pregunta , que tiene una respuesta que dice "el xenón es un excelente anestésico general, así que no adoptemos una atmósfera que nos deje inconscientes". Estoy abierto a simplemente decidir que esta propiedad no existe en mi mundo (quizás los humanos y otras criaturas desarrollaron una inmunidad) si Xenon resulta ser la mejor opción.

¿Tiene que ser una mezcla de gases elementales? Las alternativas podrían incluir tal vez halofluorocarbonos, no tóxicos (excepto porque desplazan el oxígeno) y realmente densos.
@Tantalus'touch. Preferiría los gases elementales, ya que "la atmósfera del mundo está compuesta de nitrógeno, oxígeno y ksadfjhklsdjfklsdjlfjsdkljfldsjlskjfklj" suena un poco raro. Sin embargo, también aprecio cualquier aporte sobre gases no elementales: si funcionan mejor que los gases elementales, siguen siendo una opción. Además, siempre podría darles un nombre personalizado.
Mucho mejor, simplemente aumente la presión a alrededor de 2,5 atm, mientras disminuye la proporción de oxígeno a alrededor del 12%. No hay nada sagrado en la presión atmosférica de la Tierra; podría ser tan fácil como 0,5 atm o 2 atm.

Respuestas (4)

Un riesgo muy probable es que los gases pesados ​​se estratifiquen en las alturas más bajas, desplazando a los gases más ligeros y convirtiéndolo en un ambiente anóxico.

Una situación en la que se detiene la mezcla atmosférica normal se denomina inversión.

Dadas las condiciones adecuadas, el gradiente de temperatura vertical normal se invierte de modo que el aire es más frío cerca de la superficie de la Tierra. Esto puede ocurrir cuando, por ejemplo, una masa de aire más cálida y menos densa se mueve sobre una masa de aire más fría y más densa. Este tipo de inversión se produce en las proximidades de los frentes cálidos.

Las inversiones de temperatura evitan que ocurra la convección atmosférica (que normalmente está presente)

La formación de regiones anóxicas debidas a gases pesados ​​ya ocurre durante la erupción límnica :

Una erupción límnica, también conocida como vuelco de un lago, es un tipo raro de desastre natural en el que el dióxido de carbono (CO2) disuelto brota repentinamente de las aguas profundas del lago, formando una nube de gas capaz de sofocar la vida silvestre, el ganado y los humanos.

Una vez que ocurre una erupción, se forma una gran nube de CO2 sobre el lago y se expande a la región circundante. Debido a que el CO2 es más denso que el aire, tiende a hundirse en el suelo, desplazando simultáneamente el aire respirable, lo que provoca asfixia. El CO2 puede hacer que los fluidos corporales humanos sean altamente ácidos y potencialmente causar envenenamiento por CO2. Cuando las víctimas jadean por aire, en realidad aceleran la asfixia al inhalar gas CO2.

Esto sería un alto riesgo en áreas con baja mezcla atmosférica. Por supuesto, por encima de esas áreas, debido a la estratificación, la flotabilidad también se reduciría.

Holandés, ¿conoces alguna de esas áreas sobre el suelo? La atmósfera de la Tierra es bastante mixta. La erupción del lago Nyan mató cosas pero se aclaró rápido. ¿Hay algún lugar donde los gases se estratifiquen?
@Willk Sé de áreas donde estacionalmente, debido a la distribución de la temperatura, puede suceder que la mezcla atmosférica deje de causar, por ejemplo, smog y concentración de contaminación.
@Willk Geography puede desempeñar un papel importante. Aprendí por primera vez sobre las inversiones cuando vivía en Pittsburgh, donde las colinas y los valles hacen que las inversiones de temperatura no sean terriblemente infrecuentes. El Donora Smog de 1948, por ejemplo, enfermó a decenas de miles durante un período de varios días, cuando la contaminación del aire quedó atrapada cerca de la superficie debido a una inversión de temperatura. No estoy seguro de que algo así pueda suceder en cualquier lugar, pero puede ocurrir de forma natural en las circunstancias adecuadas.
@Willk, la atmósfera de la Tierra no tiene mucha variación en la densidad de los componentes. El más liviano de los componentes no traza, el nitrógeno, tiene una masa atómica de 28, mientras que el más pesado, el dióxido de carbono, tiene una masa atómica de 44. Compáralo con el 131 del xenón.

Sonarías como Darth Vader https://www.youtube.com/watch?v=irz-diec-qg%3Frel%3D0

Aunque el efecto solo es realmente significativo a densidades muy altas.

Hay un pequeño problema con la elección del gas, muchos gases en altas concentraciones tienen propiedades biológicas activas. Por ejemplo, los gases nobles a partir del argón poseen propiedades anestésicas, aunque solo significativamente para el xenón o superior.

¿Qué tal, ya sabes, aumentar la presión del aire ambiente , aumentando así la densidad del aire?

Si haces que la atmósfera tenga un 95 % de nitrógeno y un 4 % de oxígeno, a 5 bar (5 veces la presión del nivel del mar en la Tierra), entonces tu atmósfera sigue siendo perfectamente respirable para los humanos normales, y tus aeronaves obtienen 5 veces la fuerza de flotación de sus globos. Ya sea gas más liviano que el aire o simplemente aire caliente, no hay diferencia. 5 veces la presión del aire significa 5 veces la densidad del aire significa 5 veces la fuerza de sustentación por volumen de globo.

Para los humanos normales, 5bar es prácticamente el límite. La narcosis por nitrógeno se activa un poco por debajo de esto, en realidad, pero es posible cierta medida de aclimatación. El contenido de oxígeno reducido asegurará una presión parcial de oxígeno adecuada para respirar.

¿Qué otros efectos tendría este aumento de la presión atmosférica? Me imagino que aumentaría la resistencia del aire, pero eso probablemente también sería cierto para una mezcla de gas más pesada con xenón.
Si tiene cinco veces la presión del aire, ¿no necesita presiones proporcionalmente más altas (y, por lo tanto, densidades) de gases de elevación? Estaba pensando en esto, pero no sé si en realidad sería diferente. ¿Algún físico quiere comentar?
@DWKraus, la capacidad de elevación proviene de la diferencia de densidades, no de la relación de densidades, por lo que también se multiplica por cinco.

Depende de las circunstancias de su mundo. Si existiera un mundo de alta atmósfera Xeon (muy poco probable), entonces cualquier criatura que evolucionó en la atmósfera no sufriría efectos anestésicos. Si se introdujeran de alguna manera altas concentraciones de Xeon (!), entonces cualquier vida podría sufrir efectos anestésicos.

Xeon probablemente se encontraría en concentraciones ligeramente más altas en la troposfera inferior que, por ejemplo, en la estratosfera, pero los efectos generales del viento atmosférico, la lluvia y la convección seguramente asegurarían una buena cantidad de mezcla. Tenga en cuenta que las concentraciones de dióxido de carbono no varían en la atmósfera ( https://www.jstor.org/stable/1934239?seq=1 ) a pesar de que el dióxido de carbono es un gas más pesado que el oxígeno, el nitrógeno o el argón.

Una forma de aumentar la flotabilidad sería hacer que el mundo se enfríe. Los gases fríos son más densos que los gases calientes. Si se calentara el volumen interior del gas elevador (por medios químicos, mágicos o solares) se incrementaría su capacidad elevadora.

Me imagino que una atmósfera alta en Xeon sería poco probable (SCNR ^^). Dicho esto, es un mundo de fantasía, por lo que, aunque en su mayoría debería seguir las leyes de la física para mantener una consistencia interna, simplemente declarar que Xenon es común no es un problema. Soy consciente de que probablemente no tenga mucho sentido desde un punto de vista químico, pero adoptaré el enfoque de la libertad artística aquí. De todos modos, miraré la opción de temperatura; podría valer la pena intentarlo, siempre que la diferencia sea notable (y no solo + 5% de flotabilidad más o menos)
Bueno, depende de cuánto quieras calentar el gas. Todo se puede calcular razonablemente utilizando las leyes de los gases ideales; parece funcionar para globos aerostáticos. Y sí, por supuesto, si es fantasía, ¡llévate las botas! Alternativamente, podría presentar lo que yo llamo "magia mínima", que es mantener todo como en nuestro mundo excepto una cosa (como asumir mucho Xenon), pero asegurarse de que no se rompan las leyes físicas. Creo que tuve un éxito razonable cuando lo probé aquí: worldbuilding.stackexchange.com/questions/191893/…
El frío funcionaría. ¡pero tu aeronave no lo haría! Para duplicar su ascensor, necesitaría, básicamente, reducir a la mitad la temperatura. La temperatura absoluta . Así que 150K (-190f) sería un agradable día de verano.
Creo que, dada la propuesta, la aeronave habría funcionado bien. La proposición (Heavenium) es el problema. La temperatura no es una solución para todo, pero podría ayudar. Si fuera -30C 243K fuera e incluso 30C 303K dentro de la envolvente, eso proporcionaría una cantidad útil de sustentación. Y podrías hacerlo aún más cálido.

Estoy de acuerdo con las respuestas que sugieren darle a tu planeta una atmósfera más densa. Me vincularé con los cálculos que sugieren que una atmósfera respirable podría tener hasta cinco veces la presión a nivel del mar de la atmósfera de la Tierra, posiblemente mucho más.

También es posible que desee considerar darle a su planeta una gravedad superficial más alta o más baja, lo que tenderá a aumentar la flotabilidad de los gases que son más livianos que la atmósfera.

Por supuesto, todo elemento o compuesto que pueda estar presente en una atmósfera se volverá tóxico si está presente en una concentración demasiado grande. Incluso el oxígeno, vitalmente necesario para la vida, se vuelve tóxico en cantidades excesivas. Entonces, si aumenta la concentración de cada elemento y compuesto probable e improbable al máximo que los humanos pueden tolerar, encontrará un límite superior absoluto para la densidad de la atmósfera en las elevaciones donde viven los humanos (y seres con los mismos requisitos).

Planetas habitables para el hombre Stephen H. Dole, 1964, 2007, analiza los requisitos ambientales de los humanos.

Y la edición de 1964 está en línea:

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

En las páginas 13 a 19, Dole analiza los requisitos atmosféricos de los seres humanos. En la página 15, Dole afirma que la presión atmosférica normal de oxígeno al nivel del mar en la Tierra es de unos 149 milímetros de Mercurio. La presión atmosférica general a nivel del mar es de 29,92 pulgadas de Mercurio, o 759,968 milímetros de Mercurio.

En la página 19 Dole dice:

En resumen, entonces, la atmósfera de un planeta habitable debe contener oxígeno con una presión parcial inspirada de entre 60 y 400 milímetros de mercurio y dióxido de carbono con una presión parcial de aproximadamente entre 0,05 y 7 milímetros de mercurio. Además, las presiones parciales de los gases inertes deben estar por debajo de ciertos límites especificados y otros gases tóxicos no deben estar presentes en más de trazas. Algo de nitrógeno debe estar presente para que el nitrógeno en forma combinada pueda llegar a las plantas.

Entonces, el dióxido de carbono sería una muy mala elección para aumentar la presión atmosférica. Según la tabla 2 de la página 16, los límites de presión superiores aproximados para el nitrógeno y el argón serían de unos 2330 y 1220 milímetros de mercurio. Entonces, una atmósfera respirable podría tener una presión total de 3950 milímetros de mercurio de nitrógeno, argón y oxígeno, lo que sería aproximadamente 5,197 veces la presión a nivel del mar de la atmósfera terrestre.

Observo que Dole cree que el helio y el neón podrían estar presentes a presiones aún mayores en una atmósfera respirable, pero los límites superiores son bastante inciertos.

Y, por supuesto, las investigaciones más recientes pueden haber cambiado los límites de seguridad de varios gases atmosféricos.

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