Luft i rummet ? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

13. juli 2009

Luft i rummet ?

Hej Spørg om Fysik
Er der luft i rummet? Og hvis der er, er det så koldt? Og hvis det er koldt, hvorfor falder det så ikke ned på jorden?

Med venlig hilsen
NB

Ja, der er luft i rummet, men der er ikke meget, og ikke med samme sammensætning som på jorden.

En luftart er noget, hvor molekylerne bevæger sig frit, og ikke er bundet til hinanden, men af og til støder sammen. Det er i modsætning til en væske, hvor der er kræfter imellem molekyler nær ved hinanden, og hvor der er en overflade. Et fast stof er opbygget, så man ved hvor atomerne/molekylerne sidder ret langt væk fra det enkelte atom/molekyle, og hvor der normalt er ret betydelige kræfter imellem atomer/molekyler, samt hvor der også er en veldefineret overflade.

På jorden har vi et tryk på 1 atm (ca. 101 300 Pa = Pascal), svarende til at der står en søjle af luft over hver kvadratcentimeter, som vejer ca. 1 kg.

I en kubikcentimeter luft er der ca. 2,5 * 1019 atomer/molekyler, altså 2,5 efterfulgt af 19 nuller. Tallet afhænger af temperaturen. Ved lavere temperatur bliver der flere molekyler pr. kubikcentimeter.

Når trykket aftager, når man stiger op i atmosfæren, bliver dette tal tilsvarende mindre. I 300 km højde er trykket ca. 10-5 atm, og der er altså ca. 2,5 * 1014 molekyler, hvis vi ser bort fra temperaturen, indregnes temperaturen, som er ca. 1200 ⁰C bliver det i stedet ca. 4,8 * 1013 molekyler.

Tætheden aftager, des længere væk vi kommer, men udsendte atomer eller molekyler fra solen bevirker, at der stadig er en del. Går man langt ud i rummet langt væk fra mælkevejen og solsystemet, er men nede på omkring 1 atom/molekyle pr. kubikcentimeter. Det kan så være næsten alt fra Brint og Helium til f.eks. Jernatomer.

Temperaturen varierer op igennem atmosfæren

Ved jordoverfladen har vi omkring 20 ⁰C, ved 15 km højde og 100 km højde er der ca. -70 til -100 ⁰C, ved 50 km lidt under 0 ⁰C. Derefter stiger temperaturen til omkring 1300 ⁰C i 400 km højde. Den måde man bestemmer temperaturen på, består i at man måler middelhastigheden af molekylerne, des hurtigere de bevæger sig des højere temperatur. Det gøres fordi efterhånden som luften bliver tyndere og tyndere, bliver dens evne til at opvarme og afkøle et termometer mindre og mindre. Overførselen sker nemlig ved at molekylerne støder ind i termometeret, og de stød opvarmer det, og når der er få sammenstød, virker det ikke rigtigt. Langt borte fra alt i rummet er der omkring -270 ⁰C dvs. ca. 3 grader fra det absolutte nulpunkt (- 273,15⁰C).

Tager man et glas med luft og lukker det med en prop, lægger al luften sig ikke på bunden. Vi skal næsten have noget så tykt som vores atmosfære, for at se at tyngden trækker gassen nedad. For hver 7,64 km man går op halveres trykket stort set, altså i 15 km højde er der ¼ atmosfære, i 23 km ca. 1/8 osv. Grunden til at alt ikke ender på bunden af vores glas er, at molekylerne bevæger sig på grund af den temperatur, de har, des højere temperatur des hurtigere. De støder sammen og støder i væggene på vores glas og bliver ved med at være jævnt fordelt både af type og fordeling. De hastigheder vi taler om, ligger for Oxygen (Ilt) og Nitrogen (Kvælstof) ved stuetemperatur omkring 500 m/s = 1800 km/h, for Hydrogen (Brint) ved stuetemperatur omkring 2000 m/s = 7200 km/h. Denne forskel skyldes, at Oxygen og Nitrogen er ca. 14-16 gange tungere end Hydrogen, så Hydrogenen skal have mere fart på, for at give samme tryk eller rettere stød imod væggene (1 atm.). Luftarter udfylder normalt det til rådighed værende rum, men trods alt holdes lufthavet inde af tyngdekraften. 

Der stoffer, vi har i atmosfæren, er stort set:

  • Nitrogen (kvælstof)   N2  78,08 % volumenprocent
  • Oxygen (Ilt)  O2  20,95 %
  • Argon  Ar  0,93 %
  • Kuldioxid (kultveilte)  CO2  0,031 %
  • Neon  Ne  1,8*10-3 %
  • Helium  He  5,2*10-4 %
  • Krypton  Kr  1,14*10-4 %
  • Hydrogen (Brint)  H2  5,0*10-5 %
  • Xenon  Xe  8,8*10-6 %

Der er desuden en varierende mængde af vanddamp. Sammensætningen er nogenlunde ensartet ud gennem atmosfæren (med nogen ændringer omkring ozonlaget).

De der er mærket 2 er molekyler, de øvrige er ædelgas atomer. De letteste som Brint og Helium kan af og til ved sammenstød nå ud af atmosfæren og få så meget fart på, at de frigør sig af jordens tyngdekraft. I ganske lille skala kan oxygen og nitrogen også, hvis de ioniseres af strålingen fra solen, hvorefter jordens magnetfelt kan hjælpe dem ud, så vi taber altså hele tiden en lille smule, men der indfanges også atomer og molekyler fra rummet fra f.eks. solvinden (de atomer eller molekyler solen slynger ud).

Med venlig hilsen
Malte Olsen