Wäre das >100 km "Knie" in der Erdatmosphäre immer noch dort, wo MFP die Skalenhöhe überschreitet, wenn es reines Ne oder Ar wäre?

Hier spielen viele Phänomene eine Rolle.

Zuallererst haben Sie bereits erwähnt, dass es einen Faktor gibt, der die atmosphärische Zusammensetzung ändert. Dieser ist am einfachsten zu verstehen. Stellen Sie sich ein sehr vereinfachtes Modell vor, bei dem Ihre Atmosphäre keine turbulente Vermischung aufweist, es nur 2 Arten von Gasen gibt und die Temperatur dieses Gases überall konstant ist. Dann können Sie jedes Gas mit einem einfachen Modell modellieren, bei dem die Gasdichte exponentiell mit der Höhe abnimmt (aber mit unterschiedlichen Skalenparametern) und diese Gase sich nicht gegenseitig beeinflussen. Daher kann diese vereinfachte Atmosphäre in jeder gegebenen Höhe als Summe der Dichten Ihrer beiden Gase in dieser Höhe modelliert werden

Bedenken Sie nun, dass ein Gas 10-mal schwerer ist (in Bezug auf das Molekulargewicht) als ein anderes und 90% der Atmosphäre in Bodennähe einnimmt. Lassen Sie uns mit unserem Spielzeugmodell in Python spielen

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

h = np.linspace(0, 5, 100)
gas1 = 0.9 * np.exp(h * -10)
gas2 = 0.1 * np.exp(-h)
rho = gas1 + gas2
proportion = 100 * (gas1 / (gas1 + gas2))

plt.subplot(121)
plt.semilogy(h, rho)
plt.grid()
plt.title("Density")
plt.subplot(122)
plt.plot(h, proportion)
plt.grid()
plt.title("Proportion of gas 1 (%)")
plt.show()

Sie können in diesem Modell ein klares Knie und eine Änderung der atmosphärischen Zusammensetzung sehen, die bei 90 % schwerem Gas beginnt, aber in ausreichender Höhe schnell 100 % leichtes Gas erreicht. Sobald sich die Zusammensetzung ausreichend ändert, ändert sich auch die Steigung des Dichtediagramms. Wie Sie sehen, brauchten wir hier nichts, um ein Knie zu bekommen, außer 2 Gasen mit ausreichend unterschiedlicher Dichte.

Nun, die wirkliche Atmosphäre ist natürlich viel komplizierter. Ein Faktor ist eine turbulente Vermischung von Gasen unterhalb einer bestimmten Höhe. Diese Vermischung bewirkt, dass sich die Atmosphäre so verhält, als wäre sie ein einzelnes Gas mit einem "durchschnittlichen" Molekulargewicht und nicht die Summe nicht wechselwirkender Gase. In der Praxis bedeutet dies, dass "schweres" Gas höher geht als in einem vereinfachten Modell ohne turbulente Vermischung. Aber turbulentes Mischen wird durch Wärme (hauptsächlich Wärme der Erdoberfläche) angetrieben, und die Menge an verfügbarer Energie begrenzt es, wie hoch es gehen kann. In einer bestimmten Höhe gibt es also einen Übergang zwischen einer Atmosphäre, die von turbulenter Vermischung dominiert wird, und einer Atmosphäre, die von Gasdiffusion dominiert wird. Dies führt zu einer Änderung der atmosphärischen Zusammensetzung und damit zu einem "Knie" stärker, da turbulente Mischung in großer Höhe eine andere Mischung erzeugt als Diffusion.

Bisher haben wir über Atmosphäre mit konstanter Temperatur gesprochen. Das ist unrealistisch, die Temperatur der realen Atmosphäre ändert sich beträchtlich mit der Höhe. Wir bekommen viel Energie von der Sonne und ein Teil davon kommt in Form von UV- und sogar Röntgenlicht mit hochenergetischen Photonen. Atmosphärische Gase absorbieren solche Photonen gut, aber dieser Prozess gilt nur für die höchsten Schichten der Atmosphäre, da Photonen absorbiert werden, bevor sie tief genug eindringen können. Ein Nettoergebnis ist ein scharfer und sehr starker Anstieg der Atmosphärentemperatur in ausreichend großer Höhe. Darüber hinaus führt die Absorption einiger dieser energetischen Photonen zur Dissoziation von Molekülen wie O2 in einfachere einatomige Gase. Diese beiden Prozesse (Dissoziation und hohe Temperatur) reduzieren die Gasdichte erheblich und machen sie im Wesentlichen "viel leichter" für die Zwecke der Skalenhöhe.erzeugen immer noch zwei Schichten darin, eine "kalte" Gasschicht unterhalb einer gewissen Höhe und eine "heiße" äußere Gasschicht, die sich unterschiedlich verhalten. Sie wird jedoch weniger ausgeprägt sein als in erdähnlicher Atmosphäre.

Um die Dinge zusammenzufassen:

1. Die Atmosphäre trennt sich oberhalb einer bestimmten Höhe auf natürliche Weise in Schichten verschiedener Gase
2. Leichtere Gase ersetzen schwerere, weil sie eine größere Skalenhöhe haben und ihre Dichte langsamer abnimmt als die Dichte schwererer Gase
3. Sonnenlicht erzeugt auf natürliche Weise eine äußere Gasschicht in der Atmosphäre, die sich so verhält, als wäre sie sehr "leicht", und hat daher eine große Skalenhöhe, die sich stark von Gas auf niedrigeren Ebenen unterscheidet

All diese Faktoren neigen dazu, "Knie" zu erzeugen. Im Falle der Erde würde ich jedoch wetten, dass der Hauptfaktor das Sonnenlicht ist.

Sie können immer noch eine Atmosphäre ohne Knie bekommen, aber Sie müssen Ihren Planeten von allen Lichtquellen entfernen und sicherstellen, dass seine Atmosphäre aus Gasen mit ähnlicher Dichte besteht. Vielleicht ein entfernter Gasriese mit reiner Wasserstoffatmosphäre?