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在太空里,多少株植物产生的氧气能供一个宇航

2019-10-09 13:14

在地球上,我们赖以生存在氧气来自数量庞大的植物供给系统。如果我们把这个氧气供给系统缩小到一个人、一个密闭的房间里呢?那么需要多少植物,才能满足一个人的呼吸需要?我们可以想象一个经典的科幻场景,一个宇航员不幸被困在外太空的飞船上。以下的假设就是被困宇航员面临的情形!


宇航员需要多少植物才能满足呼吸要求?

简单的答案是700株室内植物,这是最低限度。这个问题其实很复杂,也会出现很多问题,也需要很完美的理想条件,接下来就详细分析下!我们先假设这个宇航员叫露西,听名字肯定是个女性。


露西一开始被困在一个没有植物的房间里。我们知道氧气占周围空气的20%,但只占我们呼出空气的15%。每呼吸一次,她就会用掉四分之一的氧气。露西在她的浮动监狱里呼吸了四次空气后,会不幸地窒息而死。不过这是个理想状态,空气是均匀分布在房间里的,也没有人能把空气中的氧气榨干!


我们每天需要呼吸多少空气

人类平均每分钟呼吸约7-8升空气。一天下来,大约需要1万到11.5万升的空气。普通女性比普通男性要少,所以我们以露西每天消耗的1万升空气为例。1万升听起来很多,其实一点也不多!但相对于一瓶500ML的可乐来说,那真的很多!


奥林匹克游泳池可容纳2500000升水


宽敞的宇宙飞船

人类史上最大的飞船在空间上来说仍然很紧凑。露西今天已经够很倒霉了,无缘无故被困住了!也没有必要让她有幽闭恐惧症。所以让我们假设露西不幸被困的房间有4米长,4米宽,2米高。比一般的卧室大一点,比一般的客厅小一点,相对来说还是比较宽敞的!


这样大小的房间的容积是4×4×2 = 32m^3。一立方米等于1000升!也就是说房间里有32000升的空气可供露西呼吸,并且一次循环下来只有三天的时间。


到时,房间里的氧气浓度将下降到15%。在这个氧气浓度下人可以存活吗?可以!露西还活着。就是已经上气不接下气了。


喘不过气

登山者通常在海拔3000米左右的地方就开始出现高原反应。在这个高度,氧气含量会下降到15%左右,但是在高山上气压要低得多。每次呼吸得到的空气更少,氧气浓度感觉更低。


根据3000米的高原反应,我们就能猜出来3天后露西在密闭的房间里会发生什么?开始会有点头痛,觉得有点恶心,胸闷,睡不着觉,还可能会做一些奇怪的梦,反正就是各种难受。


在往后的三天里,露西将会重复第二次呼吸房间里的空气。氧的含量将下降到10%左右。这相当于6000米的高度,比乞力马扎罗山高一点。


5895米高的乞力马扎罗山


六天的时间可能就是露西在密闭的太空舱里能够生存的极限时间了,最终的结果肯定是死亡,要么死于是脑水肿,要么是肺水肿。


但是,六天的时间应该足够让路西找到一种延长生命的自救方法,并且向外发出求救信号来等待救援!


还记得《火星救援》吗?马特·达蒙(Matt Damon)在一次火星任务中被遗忘在了火星,他在火星上种了4年的土豆,等待下一次火星任务的到来!


沉默的杀手

上面说的只是氧气的问题,但是氧气并不是露西遇到的最大问题。还有一种我们最熟悉的气体,我们也可以说是这种气体的制造机器,就是二氧化碳!


在正常的大气浓度下二氧化碳大约400ppm,即0.04%,这个浓度不会给我们带来任何问题。至于全球性的气候变化,也是间接性的给我们带来一些影响。但是露西面临的问题是致命的。


我们都知道二氧化碳在低浓度下无毒,但5%的二氧化碳就会致命,还记得我们呼出空气中二氧化碳的浓度吗?也是5%!意思就是说,你把你呼出去的气体在吸回来,肯定活不了!


因此露西只能在房间里呼吸“一次”空气,并不能循环呼吸第二次。暴露在5%的二氧化碳中一个小时会致死,长时间暴露在4%的二氧化碳中也会致死。


所以要是没有植物,露西死于二氧化碳中毒的速度要比死于缺氧快得多。她最多只有三天的时间。


是时候像《火星救援》马特·达蒙(Matt Damon)一样,种土豆了!


需要多少植物才能产生足够的氧气供呼吸?

只有三天的时间,你种什么都来不及!所以露西的房间里就必须事先有很多的植物来维持生命。那么在房间里至少需要多少株植物呢?


露西被路过的宇宙飞船救起的几率非常小,所以氧气和二氧化碳的浓度必须在很长一段时间内保持稳定。有足够的时间等待地面救援。


使用上文中的数据,露西每小时呼吸大约420升空气,而空气中大约有20%是氧气。露西每小时消耗84升氧气。科学家已经计算出,平均一片树叶在单位时间内会产生大约5毫升的氧气。


快速算一下,84 / 0.005 = 16800叶。一般成熟的室内植物大概有25片叶子,总共需要672株。为了安全起见,最好是取整到700。


我们每消耗一分子氧气,就会呼出一分子额外的二氧化碳,而植物恰恰相反。这意味着这700个工厂也应该能防止二氧化碳中毒。


这就是我们简化后的答案!如果我们被困在一个中等大小的密闭房间里,先看看四周,如果少于700株的室内植物,那么后果会很严重!


空间问题

当然,事情并没有那么简单。最明显的问题是,这700株氧气工厂将何去何从?有可能有足够的植物来满足你的氧气需求吗?


露西的4米×4米的房间有16平方米的面积。选择成熟的室内植物,每个方向至少需要25厘米的空间,相当于每株植物0.0625平方米。按照地面的面积这意味着露西只能放置大约250株植物。包括储存食物和水的空间,露西连站的地方都没有了。


因此露西被困的房间就需要是一个垂直农场!墙壁、顶都需要放满植物!


稳定的状态

植物并不能以稳定的速度生产氧气。植物在生长周期的不同阶段,会根据不同的温度产生不同数量的氧气。所以露西被困的房间温度波动不能太大!


我们还需要记住,大多数温带植物只在白天产生氧气。晚上植物会吸收氧气并释放二氧化碳。


理想情况下,房间里的灯需要每天24小时都开着。


植物的工作方式不尽相同。

许多原产于干旱地区的植物只在夜间呼吸。这是一种生存机制,因为在白天收缩毛孔可以防止蒸腾作用损失太多水分。


在24小时的光照下,这种植物根本不会产生任何氧气。


那么,露西需要什么样的房间才能挺过这场灾难?她需要被困在一个大小适中的垂直农场里,里面至少有700株成熟的室内植物,它们都生长在相对湿润的地区,每天24小时都必须有光照。


露西的完美植物-热带大叶!


长远考虑

如果露西的房间符合所有这些条件,理论上她可以呼吸几周、几个月甚至是几年。在更长的时间范围内,就必须开始担心房间里的其他变化。


就像植物和露西一样,土壤中的细菌也会呼吸。它们会吸入宝贵的氧气并释放更多的二氧化碳。植物应该将其再循环为氧气,但是并不那么容易!而且房间里的其他材料也会发生氧化反应,消耗氧气!


在20世纪90年代,有一群科学家和一个富商建造了历史上最大的封闭系统。科学家在生物圈2号里呆了两年,想看看这个封闭的系统是否能完美的运行,维持生命。


最终的结果是科学家不得不向这个系统里补充氧气。


为什么?土壤里的细菌吸收氧气产生二氧化碳,而二氧化碳又于土壤结合与混凝地基发生反应,产生碳酸钙和水。这意味着一部分二氧化碳没有被植物吸收,没有被转化为氧气。


总是会有一些意想不到的反应和循环,会将氧气消耗到危险水平!科学家才不得不往里面注氧气!


生物圈2号,有史以来最大的封闭系统。


随着时间的推移,任何像铁这样的氧化材料也会消耗宝贵的氧气。因此,露西需要被困在一个没有任何材料可能与氧气或二氧化碳反应的房间里。


生死

还有一种可能的办法,如果露西被困在有700株成熟的水培植物房间里,如果这些植物来自温带地区,如果房间里有充足的照明,有稳定的温度,如果她也有足够的食物和水,如果房间是用惰性材料建造的,或者表面经过适当的处理,露西可能会活到老年!


以上都是假设,这样的理想条件,我们很难办到!