为什么空气的气体成分没有密度分层?

Question

构成空气的不同气体有不同的密度。因此，人们天真地认为，较重的气体会聚集在较低的大气中，而较轻的气体则聚集在顶部。

很久以前我问过自己这个问题，我发现答案是，大气环流产生的混合足以使整个混合物保持均匀，我对这个答案很满意，直到我考虑到在地下矿井中发现的洞穴或洞穴的情况，这些洞穴已经与世隔绝了数百万年。但尽管如此，没有矿工死亡的报道，因为在洞的顶部，底部的空气只有氮气和氧气。

由分子运动产生的混合是由于其温度足以避免分层吗?还是另有原因?温度极低的空气会发生密度分层吗?

Answer 1

因此，人们天真地认为，较重的气体会聚集在较低的大气中，而较轻的气体则聚集在顶部。

这太天真了。同样幼稚的期望会导致人们认为铀应该集中在地核，或者水和乙醇的混合物应该被区分开来，水在下面，乙醇在上面。相反，铀集中在地壳中，水和乙醇很容易混合。熵和化学会导致反直觉的结果。

气体就是这样。熵有利分布是完全混合的。如果只有分子扩散在起作用，那么实现这种彻底的混合可能需要很长时间。湍流混合使混合进行得更快。

有些地方，这种熵有利分布不会发生。气体可以集中在矿井和地下室里。例如，矿井中甲烷和一氧化碳的浓度存在问题(两者的密度都低于空气)，但二氧化碳和硫化硫的浓度也存在问题(两者的密度都高于空气)。有大量花岗岩的地下室存在氡的问题(氡的密度明显高于空气)。由于湍流混合的减少，气体可以集中在矿井和地下室。这使得产生气体的过程压倒了缓慢的分子分散过程，导致熵分布不利。

地球上层大气也有区别。在这里，上层大气的极度稀少意味着湍流混合被高度衰减。极端的太阳辐射(高紫外线和x射线)通过将分子氧、水蒸气和较小程度上的氮分裂成组成部分而产生气体。在高层大气中很长的平均自由程意味着较轻的成分比较重的成分移动得更高。

Answer 2

但尽管如此，没有矿工死亡的报道，因为在洞的顶部，底部的空气只有氮气和氧气。

是也不是，矿工死于其他原因，比如缺氧、硫中毒等。
但是举例来说，你已经有了硫磺中毒的案例火山在火山地区，仅仅是因为空气中溶解的硫比周围的空气重。
所以这就是你一直想要的效果，但你仍然需要一个严重缺乏风和正确的地形来使分层发生。

现在让我们缩小一点。地球有一个表面。这就产生了摩擦，大大减缓了地表风的速度，从而产生了行星边界层(PBL)。你可以把PBL想象成“自由流媒体氛围想要做的事情，但后来它遇到了一个表面”。
只是因为表面的摩擦，我们的表面上只有中等强度的风，才会出现一些特殊的现象，比如充满硫磺的小山谷。

在大气层的高处，速度要快得多。因此，雷诺数越高，流动的不稳定就越容易，湍流就会出现，把一切都混合在一起。
只有在卡门线高度约100公里处，情况才会足够平静下来(就摩擦动量密度在层与层之间的转移而言)，分子才会开始按重量分离。

所以我想说你最初的直觉是对的，只是行星表面在其中的作用不太直观。
顺便说一下，在海洋里。这一现象在决定全球循环方面起着巨大的作用。不同的盐度不同的水层导致不同的密度和分层流动。由于水的密度比空气的密度高10^6美元，人们需要更强的动量源来混合这些层。但是这样的源并不存在，所以我们得到了不同密度的分层流。