Warum steigt Helium/Wasserdampf nach "oben"?
Mir ist klar, dass Helium und Wasserdampf leichter sind als Luft/Stickstoff.
Faktoren, die mit in die Antwort einbezogen werden sollten sind:
-Dichte -Gravitation -Vakuum
Messbar ist ja, dass die Erde pro Sekunde ca. 30kg Wasserstoff verliert und ca. 50g Helium. Helium und Wasserstoff unterliegen ja auch der Gravitation, wie jede andere Masse (in Relation gesehen) auch, werden allerdings nach "oben" verdrängt, warum nicht nach unten? Bedeutet die Wechselwirkung zwischen Weltall (Vakuum) und Erdgravitation spielen irgendeine Rolle dabei.
Warum ist es also nun so, dass "leichte" Teilchen eher vom Vakuum angezogen werden, als von der Erdgravitation?
8 Antworten
Hi,
dies ist so, als ob du fragst, warum ein Bleiklotz nach unten fällt. Blei hat eine (wesentlich) höhere Dichte als Luft. Folglich verdrängt es diese und fällt nach unten. Die verdrängte Luft steigt nach oben - an den Platz, wo vorher der Bleiklotz war. dieser Vorgang ist vollkommen alltäglich und selbstverständlich.
Nichts anderes ist es mit dem Helium. Luft hat eine größere Dichte als Helium, also verdrängt es dieses. Das verdrängte Helium steigt nach oben, wo vorher die Luft war. Gewissermaßen ist das Helium also nicht einfach nur nach oben gestiegen, sondern die Luft nach unten geflossen, weil sie dichter war.
Helium ist nun ein gas mit sehr geringer Dichte. Nur die Dichte von Wasserstoff ist noch geringer. Folglich wird Helium von nahezu allen Gases verdrängt, und steigt entsprechend weit nach oben, weil sich immer noch ein Molekül eines dichteren Gases findet.
Mit dem Vakuum hat das nichts zu tun. Dichtere Stoffe neigen nur dazu, sich näher an der Quelle der Gravitation aufzuhalten. Tun sie das nicht, können sie potenzielle Energie verlieren (und tun dies auch, wenn sie nicht durch andere Kräfte aufgehalten werden).
Deswegen gehen beispielsweise Steine, Metall und Glas im Wasser unter, Holz und Öl aber nicht. Und im Falle des Heliums sind es die Luftmoleküle, die auf diesem Weg ihre potenzielle Energie verlieren indem sie nach unten sinken und dabei das Helium nach oben drücken.
LG, NA
Google mal "Molares Volumen":
Kurz: Ein Mol eines jeden Gases hat unter gleichen Bedingungen (p, T) dasselbe Volumen (zumindest für praktische Betrachtungen ~ dasselbe).
D.h. das Gase mit geringerer Molmasse auch geringere Dichten haben und zwangsläufig eine Tendenz zum Aufstieg nach "oben" haben.
Dazu kommt, dass kleinere Teilchen in der obersten Atmosphäre bei gleichem Energieeintrag schneller die Fluchtgeschwindigkeit erreichen (die Geschwindigkeit, die jede Masse haben muss um aus dem Schwerefeld einer anderen Masse (hier die Erde) zu entkommen).
Alles zusammengenommen führt dazu, dass kleiner Teilchen (i.e. Gase mit geringerer Molmasse) eher die Erdatmosphäre verlassen als schwerere (eigentlich Masse-reichere) Teilchen. H2, He (und H2O) haben mit Molmassen von 2, 4 (und 18) eine deutlich geringere Dichte als die Hauptbestandteile der Luft- N2 mit 28g/Mol und O2 mit 32g/mol).
Netterweise, und dem anthropischen Prinzip sei Dank, heißt das, dass sich unsere Atemluft eher nach "unten" orientiert und durch die thermische Diffusion keine komplette Trennung von O2 und N2 erfolgt.
D.h. das Gase mit geringerer Molmasse auch geringere Dichten haben und zwangsläufig eine Tendenz zum Aufstieg nach "oben" haben.
Genau das ist der Punkt an dem es hapert. Nehmen wir mal an wir befinden uns in einem Raum ohne Gravitation. Dann wird es auch nicht nach oben steigen, weil es kein oben gibt. Da wir jetzt aber Gravitation haben und zusätzlich eine andere Kraft/Kräfte, welche Materie anziehen steigt es nach oben - bis teilweise ins Weltall.
Wie dort der Zusammenhang ist, weiß ich aber nicht. Dass sie aufgrund von Dichte die Tendenz haben nach oben zu steigen, ist ja klar. Aber warum sie nach oben gehen weiß ich nicht.
Die Frage bleibt also immernoch, warum können kleinere Teilchen mit geringerer Dichte nach oben entkommen ? Den Punkt kann ich deiner Antwort leider nicht entnehmen.
Du gehst doch bei Deiner Frage von einem Gravitationsfeld aus und außer der Gravitations wirkt da nichts (oder auf Alles gleich)....
Google doch mal "Auftrieb"!
Das Stoffe, hier Gase, geringerer Dichte als ihr Umgebungsmedium aufsteigen ist doch nicht weniger schwer zu verstehen als der Auftrieb von Styropor in Wasser.
Ich gehe von einem Gravitationsfeld (Erde) und einem Vakuum (All) aus. Warum wird die Kraft des Vakuums hier nicht berücksichtigt?
Es gibt keine Kraft des Vakuums und für die Beantwortung der Frage ist das Vakuum irrelevant.
Gravitationskräfte die von anderen Massen im Sonnensystem auf Gasteilchen in der Erdatmosphäre wirken sind im Vergleich zur wirkenden Erdanziehung relativ belanglos (Gravitationskräfte sind direkt proportional zu den Massen, aber umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes der Masseschwerpunkte).
Hattet Ihr in der Schule schon den (hydrostatischen) Auftrieb?
Falls ja, erinnerst Du Dich auch noch: Die Auftriebskraft ist gleich dem Gewicht des verdrängten Wassers. Und wenn ein Körper unter Wasser ist und weniger wiegt als das verdrängte Wasser, dann ist der Auftrieb größer als das Gewicht und der Körper steigt nach oben.
Was in der Schule u.U. erst später drankommt: Den Auftrieb gibt es nicht nur in Flüssigkeiten, sondern auch in Gasen. Nur ist er da kleiner, da das Gewicht des verdrängten Gases klein ist.
Jetzt stellst Du Dir einen Helium-gefüllten Ballon in Luft vor: Der Auftrieb ist größer als das Gewicht, der Ballon steigt. Nimm das Helium ohne Ballon drum rum, der Auftrieb ist immer noch da, das Helium steigt immer noch.
"Messbar ist ja, dass die Erde pro Sekunde ca. 30kg Wasserstoff verliert und ca. 50g Helium."
Zu dieser Behauptung müsstest du Messdaten und Forschungsquellen vorlegen !
Denn ich behaupte mal, dass es keinerlei derartige Messungen gibt, weil sowas praktisch unmöglich ist !
Die angegebenen Zahlen von den 30kg Wasserstoff und 50g Helium, welche die Erde (angeblich) in jeder Sekunde an den umgebenden Weltraum verliert, beruhen garantiert nur auf theoretischen Berechnungen und Abschätzungen. Wie genau oder ungenau die sind, kann ich nicht überprüfen (obwohl ich selber seinerzeit auch einiges an Physik studiert habe).
Nebenbei:
Im folgenden Artikel sind es beim Wasserstoff doch nur 3kg (anstatt 30kg) pro Sekunde:
https://www.spektrum.de/magazin/wenn-die-atmosphaere-ins-all-entweicht/1015399
In einem anderen Artikel zum Thema steht zum Beispiel:
"Pro Sekunde entweichen nicht weniger als 3 Tonnen Wasserstoffgas!"Quelle: https://www.science.lu/de/die-erde-auf-diaet/wie-veraendert-sich-die-masse-der-erde-von-tag-zu-tag
Nachrechnen lohnt sich sehr !
Wenn man sieht, wie locker es gewisse Autoren mit ein paar Dezimalstellen mehr oder weniger nehmen, scheint mir dies doch eher beängstigend. Zu befürchten ist, dass auch Leute mit Einfluss (in Politik und Wirtschaft) keineswegs gefeit gegenüber derartig kapitalen Fehlern sind !
Ich möchte hier auch nochmal meinen "Senf" dazugeben:
Archimedes hat festgestellt: Dort, wo ein Körper ist, kann kein anderer sein.
Dies hat er festgestellt, als die randvoll gefüllte Badewanne überlief, in dem Moment, in dem er hineingestiegen ist.
Albert Einstein hatte angeblich einen IQ von um die 150. Und, da IQ Logarithmisch "gemessen" (oder zumindest "gezählt") wird, bedeutet dies, dass er 32 Mal so intelligent gewesen sein müsste, wie ein Durchschnittsmensch.
Von Einstein stammt angeblich folgendes Zitat:
Ich kenne zwei Dinge, die unendlich sind:
Zum Einen das Universum.
Und zum Anderen die menschliche Dummheit.
Aber beim Universum bin ich mir noch nicht so ganz sicher.
Warum hat Einstein dies gesagt?
Eine Theorie dient nur der Greifbarmachung und der Möglichkeit der Berechnung und Nutzbarmachung (Erfindungen und Entwicklungen) von beobachtbaren Phänomenen in der Natur.
Wer war zu erst da? Ich? Oder die Welt?
Wenn Einsteins Gehirn (das immer noch konserviert existiert) mittels eines hochauflösenden bildgebenden Verfahrens (Kernspintomograph mit Supraleitung) eingescannt wird und dieses Gehirn-Image in einen oder mehrere (Kopien) Supercomputer der Zukunft eingespeist wird, dann wird das Bewusstsein von Einstein genau (mehrfach) an der Stelle (oder den Stellen) widerauferstehen, wo immer es der "Besitzer und Benutzer" des technischen Equipments auferstehen lassen will. Unter Umständen auch im ewigen Fegefeuer.
Seit Menschengedenken haben Menschen anderen Menschen und Tieren Schaden zugefügt. Die Atombombe wurde erst möglich (und berechenbar) unter anderem durch Einsteins Relativitätstheorie.
All unser Forschen und Streben gibt uns immer mehr Möglichkeiten an die Hand das Höllenfeuer schön warm und gemütlich zu temperieren.
Mir wäre ein kurzer und schmerzloser Tod am Galgen lieber, als auf dem Scheiterhaufen eines ewigen Fegefeuers (in einer mannigfachen Computersimulation) verbrannt zu werden.
Wo willst du hin? Was willst du? Willst du dem Teufel gleich werden?
Okay, soweit klar! Möchtest du dabei auf fremde Hilfe und Vorleistungen zurückgreifen? Nun, es ist bestimmt möglich, was du vorhast, wenn du nur stark genug daran glaubst und ultra-hart daran arbeitest. Am Besten schläfst, isst und trinkst du nicht mehr, sondern "arbeitest" nur noch an der ultimativen Lösung für dein "Problem". Bedenke, dass du nicht alleine bist mit deinem Vorhaben. Es gibt "leider" etliche "Persönlichkeiten", die dir gegenüber einen Vorsprung an Wissen und Vermögen haben.
Und du weißt vielleicht, dass diese "Persönlichkeiten" ihren Vorsprung nicht freiwillig abgeben werden. Oder seit wann würde der Teufel freiwillig seinen Posten jemand X-beliebigen anderen überlassen?
Du kannst jedoch tapfer in der Armee des Teufels kämpfen und all die schröpfen, knechten und unterdrücken, die aufgrund ihrer Geburt ein minderwertigeres Los vom Teufel zugeteilt bekommen haben als du.
Viel Erfolg!
Das ergibt absolut Sinn, danke.