över hela världen producerar miljarder växter syre för miljarder människor. Men det är i stor skala. Tänk om vi skalar ner det till en enda person i ett lufttätt rum? Kanske den klassiska sci-fi setpiece av en heroisk astronaut instängd på ett brutet skepp i yttre rymden.
det korta svaret är 700 Krukväxter. Det är det minsta., Men det är komplicerat, så här är det långa svaret också…
låt oss föreställa oss att vår astronaut är en kvinna som heter Lucie.
och låt oss föreställa Lucie är instängd i ett växtfritt rum till att börja med.
syre utgör cirka 20% av luften omkring oss, men endast 15% av luften vi andas ut. Med varje andetag använder vi upp en fjärdedel av det tillgängliga syret., Så Lucie kvävs tragiskt efter att ha andat all luft i sitt flytande fängelse fyra gånger.
i verkligheten skulle det vara mycket tidigare än det eftersom syret skulle spridas jämnt runt rummet. Men det visar sig att det inte är långt ifrån den största frågan i det här scenariot. Så oroa dig inte för det för nu.
hur mycket luft andas du?
den genomsnittliga människan andas ca 7-8 liter luft per minut. Över en hel dag, som fungerar som om 10k-11,5 k liter luft., Den genomsnittliga kvinnan är mindre än den genomsnittliga mannen, så låt oss ta det lägre antalet 10 000 liter för Lucie dagliga luftkonsumtion.
tio tusen liter kanske låter som mycket. Men det beror på att vi bara tänker på liter i samband med bensin eller läsk.,
rymliga rymdskepp
den största raketen som någonsin gjorts var fortfarande ganska tätt på rymden, men de kommer förmodligen att bli bekvämare i framtiden. Låt oss säga att rummet Lucie olyckligt fastnat i är 4m lång, 4m bred och 2m hög. Det är lite större än den genomsnittliga sovrummet och lite mindre än den genomsnittliga vardagsrummet.,
Lucie har redan en dålig dag. Det finns ingen anledning att göra henne klaustrofobisk också.
ett rum av denna storlek har en volym på 4 x 4 x 2 = 32m3. Och en enda kubikmeter motsvarar 1000 liter-tack metriska systemet!
så Lucie har 32 000 liter luft att andas, vilket hon kommer igenom på drygt tre dagar.
vid den tidpunkten kommer syrekoncentrationen i rummet att ha sjunkit till 15%.,
är detta överlevnadsbart?
Japp! Lucie lever.
andfådd
bergsklättrare börjar i allmänhet uppleva höjdsjuka på cirka 3000m över havet. På denna höjd är luftkompositionen densamma men trycket är mycket lägre. Detta innebär att du får mindre syre i varje andetag, vilket gör att syrekoncentrationen känns lägre.
luften blir ganska tunn där.,
vid 3000m är den ekvivalenta syrekoncentrationen endast något under 15%.
Så vi har en bra uppfattning om vad som skulle hända med Lucie efter hennes tre dagar i rymden. Hon har nog lite huvudvärk, mår lite illamående, har lite svårt att sova, och kanske få några konstiga drömmar. Tre dagar är inte lång tid att acklimatisera till 3000m, men det borde räcka för att förhindra att något värre händer.
tre dagar senare, Lucie kommer att ha andades all sin luft två gånger. Vid det här laget kommer hon att vara nere på ungefär 10% syre., Det motsvarar 6000 m höjd, lite högre än Kilimanjaro.
sex dagar är inte tillräckligt lång för att korrekt acklimatisera till dessa syrenivåer. Lucie kanske kan överleva där ett tag, men det är inte hållbart. Och hon kommer att använda mer syre med varje andetag.,
det mest sannolika resultatet är en ganska obehaglig död från antingen hjärnödem (svullnad i hjärnan) eller lungödem (där du väsentligen drunknar i dina egna vätskor). Inte perfekt.
men ändå, sex dagar bör vara tillräckligt länge för vår intrepid utomjordiska explorer att hitta en väg ut, eller hur? Eller kanske ett passande rymdskepp kommer att få hennes nödsamtal och komma för att rädda henne?
Matt Damon odlade ju potatis och kommunicerade med jorden på nolltid.,
Den tysta mördaren
det blir värre. Syre är inte Lucies största problem.
Tillåt mig att presentera vår gamla vän koldioxid.
Vid normala atmosfäriska koncentrationer (ca 400 ppm, dvs. 0,04%) kommer CO2 inte att orsaka oss några problem. Inte direkt i alla fall. Det är hela frågan om klimatförändringen tillbaka på jorden, men det är förmodligen ganska lågt på Lucie lista över prioriteringar just nu.
Mer pressning är det faktum att koldioxid blir giftigt vid högre koncentrationer. Vid 5% är det dödligt.,
Kom ihåg koncentrationen av CO2 i luften vi andas ut? Japp, också 5%.
Lucie kan bara andas all luft i ett tomt rum en gång innan CO2 tar ut henne. I verkligheten skulle det förmodligen döda henne ganska mycket snabbare. En timmes exponering för 5% CO2 kommer att döda dig, så långvarig exponering för 4% CO2 kommer förmodligen att göra det också.
utan växter kommer Lucie att dö av koldioxidförgiftning mycket snabbare än hon kommer att dö av syrehushållning. Hon har högst tre dagar.,
tid att ta in Krukväxter.
hur många växter skulle det ta att producera tillräckligt med syre för att andas?
med bara tre dagar att leva hade Lucie bättre hopp om att hon redan har många växter i rummet för att hålla henne vid liv. Det är inte nära nog med tid att växa en effektiv trädgårdsodling ”lunga” från början.
Så hur många växter behöver hon?
Tja, rymden är, som Douglas Adams berömda sa, stor.,
chanserna att Lucie räddas av ett passande rymdskepp är ganska smala, så syre-och CO2-nivåerna måste vara stabila under mycket lång tid.
med samma siffror som ovan andas Lucie ca 420 liter luft per timme och luften är ungefär 20% syre. Så Lucie tar sig igenom 84 liter syre varje timme. Forskare har utarbetat att det genomsnittliga bladet (om det finns en sådan sak) producerar cirka 5 milliliter syre i samma tid.,
en snabb bit av matematik ger oss 84 / 0.005 = 16,800 blad krävs. Din genomsnittliga mogna husplanta kan ha cirka 25 löv, vilket ger oss 672 växter. Förmodligen bäst att runda upp till 700 för att vara på den säkra sidan.
vi andas ut ungefär en molekyl extra CO2 för varje molekyl av syre vi konsumerar, och växter gör motsatsen., Det betyder att dessa 700 växter bör förhindra koldioxidförgiftning också.
så det finns vår (förenklad) svar! Om du någonsin fastnat i en genomsnittlig storlek lufttät rum, ta en titt runt. Om du ser färre än 700 krukväxter, kommer du förmodligen att vara död om några dagar.
tätt i rymden
naturligtvis inget är så enkelt. Det mest uppenbara problemet är var på inte-jorden kommer dessa 700 växter att gå?, Är det även möjligt att ha tillräckligt med växter för att uppfylla dina syrebehov?
Lucie 4m x 4m rum har 16m2 golvyta. Ett urval av mogna Krukväxter skulle behöva minst 25cm utrymme i varje riktning, som fungerar som 0.0625m2 för varje anläggning. Tyvärr betyder det att Lucie bara kan klämma in cirka 250 växter. Och hon har inte ens plats att sitta ner. Mat och vattenlagring kommer också att äta i det tillgängliga utrymmet.
Du kan fortfarande passa in i tillräckligt många växter om du har ett rum fullt av hyllor som svämmar över med grönska.,
Lucie hade bättre hoppas att hennes sci-fi-fängelse råkar vara en vertikal gård.
Steady state
växter Don ’ t producera syre i jämn takt.
växter producerar varierande mängder syre vid olika temperaturer vid olika stadier av odlingscykeln. Lucies överlevnad beror nu på att vara fast i ett växande rum med en temperatur som inte varierar kraftigt.,
att hålla lamporna på
Vi måste också komma ihåg att de flesta tempererade växter bara producerar syre under dagen. De byter till att absorbera syre och släppa ut koldioxid på natten.
åtta till tolv timmars mörker skulle inte tillåta syrenivåer att sjunka tillräckligt för att var ett problem. Men Lucie kommer att behöva dubbelt så många växter om de bara producerar syre för halva dagen., Och klämma 1400 växter i en redan överfulla rum kommer inte att bli lätt.
helst behöver Lucie lamporna på 24 timmar per dag. Hon kommer inte att få mycket sömn, men att vara trött är bättre än att vara död.
inte alla växter skapas lika
växter fungerar inte alla på samma sätt.
massor av växter som är infödda till torra områden bara respire på natten. Det är en överlevnadsmekanism, eftersom att hålla porerna stängda under dagen hindrar dem att förlora för mycket vatten från transpiration.
men med Lucie 24-timmars dagsljus kommer dessa växter inte att producera något syre alls.,
rummet kan fyllas med en 50/50 blandning av tempererade och tempererade torra växter, vilket skulle tillåta konstant syreproduktion hela dagen. Men du behöver fortfarande 1400 växter i stället för 700. Evigt artificiellt dagsljus är effektivare. Fingrarna korsade lamporna fungerar fortfarande!
Så vad behöver Lucie för att överleva sin prövning?, Hon måste fastna i en rimligt stor vertikal gård med minst 700 mogna husplantor, allt från relativt fuktiga områden, med lamporna på 24/7.
det ser inte bra ut.
tänker långsiktigt
om Lucie rum uppfyller alla dessa villkor, kunde hon teoretiskt andas i veckor, månader eller år., Under dessa tidsskalor måste vi börja oroa oss för andra material i rummet.
precis som växterna och Lucie kommer bakterier i jorden också att andas. De suger i dyrbart syre och avger ytterligare koldioxid. Växterna bör återvinna detta tillbaka till syre, men det är inte alltid så lätt.
på 1980-talet och 90-talet, en grupp vetenskapsmän och en rik affärsman byggde det största slutna systemet i historien., Biosphere 2 var hem för en grupp forskare / försökspersoner i två år för att se om de kunde överleva i den lufttäta strukturen.
projektledarna var så småningom tvungna att pumpa in extra syre.
varför? Koldioxiden som produceras av markandningen reagerade med betongväggarna, producerar kalciumkarbonat och vatten. Det innebar att CO2 aldrig nått växterna och aldrig förvandlades tillbaka till syre.
efter 16 månader var denna oväntade reaktion tillräcklig för att tömma syreförsörjningen till farliga nivåer.,
alla oxiderande material som järn skulle också konsumera dyrbart syre över tiden. Så Lucie måste fastna i ett rum utan material som kan reagera med syre eller koldioxid.
att odla växterna hydroponically (utan jord) skulle öka felmarginalen.,
liv eller död
Med tanke på att hon har fastnat i ett lufttätt rum med minimal chans att rädda eller fly, har Lucie förmodligen inte lycka till i galaxen.
men det kanske inte är slutet.
om hon har fastnat i ett hydroponiskt växtrum med minst 700 mogna husplantor ordnade på omfattande hyllor, och om ingen av dessa växter kommer från torra områden, och om lamporna alltid är på, och om hon också har ett sätt att få tillräcklig mat och vatten, kan Lucie potentiellt överleva längre än några dagar., Och om rummet är byggt av inerta material eller ytorna behandlas på lämpligt sätt, kan hon till och med leva till ålderdom.
men förmodligen inte. Vi har aldrig gjort det här framgångsrikt även när vi har försökt.
åtminstone kommer hon att vara omgiven av växter.
den här artikeln visades först på Candide.