Будет ли «колено» > 100 км в атмосфере Земли по-прежнему находиться там, где MFP превышает масштабную высоту, если бы это был чистый Ne или Ar?

Здесь происходит множество явлений.

Во-первых, вы уже упоминали о факторе изменения состава атмосферы. Этот легче всего понять. Рассмотрим очень упрощенную модель, в которой в вашей атмосфере нет турбулентного перемешивания, есть только 2 типа газов, и температура этого газа везде постоянна. Затем вы можете смоделировать каждый газ с помощью простой модели, в которой плотность газа экспоненциально убывает с высотой (но с разными параметрами масштаба), и эти газы не влияют друг на друга. Следовательно, на любой заданной высоте эта упрощенная атмосфера может быть смоделирована как сумма плотностей двух ваших газов на этой высоте.

Теперь учтите, что один газ в 10 раз тяжелее (по молекулярной массе), чем другой, и занимает 90% атмосферы на уровне земли. Давайте поиграем с нашей игрушечной моделью в Python.

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()

Вы можете видеть четкое колено в этой модели и изменение состава атмосферы, которое начинается с 90% тяжелого газа, но быстро достигает 100% легкого газа на достаточно большой высоте. Как только состав меняется в достаточной степени, меняется и наклон графика плотности. Как видите, для получения колена здесь ничего не понадобилось, кроме двух газов с достаточно разной плотностью.

Теперь реальная атмосфера, конечно, намного сложнее. Одним из факторов является турбулентное перемешивание газов ниже определенной высоты. Это смешение заставляет атмосферу вести себя так, как будто это один газ с некоторой «средней» молекулярной массой, а не сумма невзаимодействующих газов. На практике это означает, что «тяжелый» газ идет выше, чем в упрощенной модели без турбулентного перемешивания. Но турбулентное перемешивание вызывается теплом (в основном теплом поверхности Земли), и количество доступной энергии ограничивает его в том, насколько высоко оно может подняться. Таким образом, на некоторой высоте происходит переход между атмосферой, в которой преобладает турбулентное перемешивание, и атмосферой, в которой преобладает диффузия газа. Это делает изменение состава атмосферы и, следовательно, «колено» более выраженным, поскольку турбулентное перемешивание создает на большой высоте другую смесь, чем диффузия.

До сих пор мы говорили об атмосфере с постоянной температурой. Это нереально, температура реальной атмосферы сильно меняется с высотой. Мы получаем много энергии от Солнца, и часть ее поступает в виде ультрафиолетового и даже рентгеновского света с высокоэнергетическими фотонами. Атмосферные газы хорошо поглощают такие фотоны, но этот процесс идет только в верхних слоях атмосферы, потому что фотоны поглощаются до того, как успевают пройти достаточно глубоко. Конечным результатом является резкое и очень сильное повышение температуры атмосферы на достаточно большой высоте. Кроме того, поглощение некоторых из этих энергичных фотонов приводит к диссоциации молекул, таких как O2, на более простые одноатомные газы. Оба эти процесса (диссоциация и высокая температура) значительно снижают плотность газа и делают его существенно «намного легче» с точки зрения высоты шкалы.по-прежнему создают в нем два слоя: «холодный» слой газа ниже некоторой высоты и «горячий» внешний слой газа, который будет вести себя по-разному. Однако он будет менее выражен, чем в земной атмосфере.

Подводя итог:

1. Атмосфера естественным образом разделяется на слои различных газов выше определенной высоты.
2. Более легкие газы вытесняют более тяжелые, потому что они имеют большую высоту шкалы и их плотность уменьшается медленнее, чем плотность более тяжелых газов.
3. Солнечный свет естественным образом создает внешний слой газа в атмосфере, который ведет себя так, как будто он очень «легкий» и поэтому имеет большую высоту, сильно отличающуюся от газа более низких уровней.

Все эти факторы, как правило, производят «колено». Однако в случае с Землей я держу пари, что основным фактором является солнечный свет.

Вы все еще можете получить атмосферу без колена, но вам нужно будет отодвинуть вашу планету от любых источников света и убедиться, что ее атмосфера состоит из газов с одинаковой плотностью. Может быть, далекий газовый гигант с чистой водородной атмосферой?