Frage von Transposon, 93

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?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von NutzlosAlpha, 62

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

Kommentar von Transposon ,

Dichtere Stoffe neigen nur dazu, sich näher an der Quelle der Gravitation aufzuhalten.

Das ergibt absolut Sinn, danke.

Kommentar von NutzlosAlpha ,

Dankeschön!

Antwort
von weckmannu, 30

Der letzte Satz in der Fragestellung enthält ein Missverständnis, deshalb auch die Frage.

Leichte Teilchen werden nicht vom Vakuum angezogen.

Vielmehr ist es so, dass schwerere Teilchen stärker angezogen werden als leichte. Deshalb sinken die schweren Teilchen nach unten, und die leichten Teilchen steigen auf.

Hinzu kommt, dass am oberen Rand der Atmosphäre die Tatsache zur Geltung kommt, dass sich die Teilchen in Gasen abhängig von der Temperatur mit recht hoher Geschwindigkeit innerhalb des Gases bewegen. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist breit gestreut. Ein Teil der Teilchen überschreitet die Fluchtgeschwindigkeit der Erdanziehung. Deshalb entweichen diese Teilchen ins All. Das wirkt im Mittel wie eine allmähliche Diffusion des dünneren Gases.

Kommentar von Transposon ,

Danke für die Antwort. Das hilft mir schon mal weiter.

Weißt du auch warum das Vakuum vernachlässigbar ist in der Anziehung?

Kommentar von weckmannu ,

Das Gravitationsfeld eines Körpers hängt nur von der Entfernung ab und klingt deshalb allmählich nach außen ab.

Es gibt keine Wechselwirkung mit dem "Vakuum" - das ist einfach der leere Raum.

Warum das so ist, weiss evtl. der liebe Gott. Die Physiker haben es nur gemessen.

Expertenantwort
von TomRichter, Community-Experte für Chemie & Physik, 28

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.

Antwort
von PeterJohann, 35

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.

Kommentar von Transposon ,

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.

Kommentar von PeterJohann ,

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.

Kommentar von Transposon ,

Ich gehe von einem Gravitationsfeld (Erde) und einem Vakuum (All) aus. Warum wird die Kraft des Vakuums hier nicht berücksichtigt?

Kommentar von PeterJohann ,

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).

Antwort
von Christian3684, 14

Ganz einfach: Helium ist leichter als Luft. Luft steigt auf durch die Erwärmung. (Thermodynamischer Prozess).

Bei der Wolkenbildung wird angenommen, dass feine Staubpartikeln zu ihrer Entstehung beitragen. Können sie aber auch bei sehr hoher Trockenheit verhindern.

Antwort
von Havenari, 25

Warum sollte Wasserstoff nach unten "verdrängt" werden? Da tummeln sich doch die ganzen schwereren Moleküle.

Und der weit überwiegende Teil der Wasserstoffmoleküle bleibt ja durchaus im Gravitationsfeld der Erde hängen - es sind nur die flottesten Moleküle, die in den Weltraum abhauen.

Kommentar von Transposon ,

Zum Beispiel weil die Erde weniger Anziehungskraft benötigt, um "leichte" Teilchen anzuziehen. Warum sollten sie also lieber nach oben wandern? Wenn ich 1kg Wasserstoff habe und 1 Kg Stickstoff habe, dann wird doch die gleiche Kraft benötigt, um die jeweiligen Massen zu sich zu ziehen (jetzt nur auf Masse bezogen).

Der Unterschied, müsste also an der jeweiligen Atomgröße/Atommasse liegen. Wie das aber zusammenhängt, kann ich mir nicht zusammenreimen.

Mir fällt eventuell ein Vergleich ein: Ich stelle 2 Magneten gegenüber und an einem Magnet "haften" bereits Teilchen unterschiedlicher Masse. Dieser Magnet ist der Schwächere. Der andere Magnet besitzt eine stärkere Anziehungskraft. Dann bleiben die Teilchen bestimmt erstmal an dem schwachen Magneten hängen, da der starke Magnet die Kraft nicht überwinden kann, die nötig ist, um die "gebundenen " Teilchen vom schwachen Magneten zu lösen.

Aber wenn man etwas Zeit vergehen lässt, lösen sich eventuell nach und nach die sehr leichten Teilchen vom schwachen Magneten ab und lagern sich in einem Zwischenstadium ab?

Vielleicht rede ich grad totalen Müll, keine Ahnung ^^

Kommentar von Havenari ,

Ich hätte jetzt nicht von "totalem Müll" gesprochen, aber dein Konzept von der Schwerkraft ist... sagen wir mal: eigenwillig.

Schau: die Atmosphäre funktioniert nicht anders als ein Swimmingpool. Schweres sinkt nach unten, leichtes schwimmt an der Oberfläche. Wenn du ein Stück Eisen in den Pool wirfst, geht es unter, weil es schwer ist. Styropor schwimmt an der Oberfläche, weil es leicht ist.

Genauso geht es in der Atmosphäre: Wasserstoff ist das leichteste aller Gase, deshalb "schwimmt" er ganz oben auf der Atmosphäre rum. Und die besonders energischen Wasserstoffmoleküle schaffen es halt, die in diesen Höhen eh schon nicht mehr so gigantische Gravitation zu überwinden und ins All abzuhauen.

Kommentar von PeterJohann ,

Die Kraft die auf 1 kg Gas wirkt ist natürlich gleich, egal welches Gas es ist, aber 1kg H2 hat ein etwa 14.4 mal größeres Volumen als 1kg Luft

Antwort
von Jerichmed, 14

Zu den entweichenden Gasen gibts sogar eine Livestatistik:
http://live-counter.com/massezuwachs-erde/

Echt geiler Stoff oder? :)

Kommentar von Transposon ,

Ja, coole Idee ^^

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