Respuesta corta:

Es probable que un mundo de alta gravedad superficial sea mejor para objetos flotantes o formas de vida, aumentando la flotabilidad.

Pero un mundo de baja gravedad superficial probablemente sería mejor para que los árboles crecieran altos y para que los animales volaran.

En mi respuesta larga, discuto varias afirmaciones diferentes sobre la masa más pequeña de mundos que podrían retener atmósferas densas durante eras geológicas de tiempo. Y también discuto la atmósfera más densa que los seres humanos, o seres con requisitos ambientales similares, podrían soportar.

Respuesta larga:

Primera parte: un mundo de baja gravedad y alta velocidad de escape

Ya que quieres animales voladores grandes y árboles grandes si es posible, supongo que un planeta de menor gravedad en la superficie sería mejor que un planeta de mayor gravedad en la superficie.

Un mundo tendrá una atmósfera densa si produce o adquiere atmósfera más rápido de lo que la pierde, y tendrá una atmósfera delgada si pierde atmósfera más rápido de lo que la produce o la adquiere.

La sensación de peso y la facilidad con que se mueven los animales grandes en un planeta se basa en la gravedad de su superficie. Pero la capacidad de un planeta para retener una atmósfera se basa en gran medida en una propiedad diferente, su velocidad de escape.

La gravedad superficial y la velocidad de escape de un mundo no se calculan de la misma manera y no aumentan ni disminuyen al mismo ritmo con varias masas y radios de mundos.

Por lo tanto, es posible que un mundo tenga una gravedad superficial relativamente alta y una velocidad de escape relativamente baja, lo que sería peor para su propósito. O un mundo podría tener una gravedad superficial relativamente baja y una velocidad de escape relativamente alta, lo que sería mejor para su propósito.

Un mundo tendrá una atmósfera densa si produce o adquiere atmósfera más rápido de lo que la pierde, y tendrá una atmósfera delgada si pierde atmósfera más rápido de lo que la produce o la adquiere.

Hay muchos factores que influyen en la producción y pérdida de atmósferas, por lo que la densidad de la atmósfera que tiene un mundo no es directamente proporcional a su velocidad de escape.

Pero para cualquier gas atmosférico a cualquier temperatura en la exosfera (las temperaturas en la exosfera tienden a ser mucho más altas que las temperaturas en la superficie), un cambio relativamente pequeño en la velocidad de escape del mundo podría cambiar si el mundo puede retener ese gas por segundos o más. durante miles de millones de años. Tener una velocidad de escape lo suficientemente alta no es suficiente para tener una atmósfera densa para volar o flotar, pero es absolutamente necesario.

Aquí hay un enlace a las fórmulas de gravedad superficial:

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_gravity

Y aquí hay un enlace a las fórmulas de velocidad de escape:

https://en.wikipedia.org/wiki/Escape_velocity

Yo, por supuesto, prefiero usar calculadoras en línea para calcular la velocidad de escape y la gravedad de la superficie.

[https://philip-p-ide.uk/doku.php/blog/articles/software/surface_gravity_calc][3]

[https://www.omnicalulator.com/physics/escape-velocity][4]

Segunda parte: Un límite de masa inferior lleno de Dole para mundos con atmósferas densas

Stephen H. Dole, en Planetas habitables para el hombre , 1964, discutió la masa mínima de un mundo capaz de retener oxígeno en su atmósfera durante eras geológicas de tiempo. Dole escribió que la temperatura en la exosfera de la atmósfera terrestre varía entre 1000 grados K ​​y 2000 grados K.

https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf

Si un mundo pudiera tener una temperatura similar a la de la Tierra en su superficie, y una temperatura máxima en la exosfera de solo 1000 grados k, la velocidad cuadrática media de los átomos de oxígeno en la exosfera sería de solo 1,25 kilómetros por segundo. Entonces, si el mundo tuviera una velocidad de escape cinco veces mayor, 6,25 kilómetros por segundo, podría retener una atmósfera rica en oxígeno durante unos 100 millones de años.

Dole calculó que con una densidad promedio que Dole consideró razonable, un planeta con una velocidad de escape de 6,25 kilómetros por segundo tendría 0,195 la masa de la Tierra, un radio de 0,63 del radio terrestre y una gravedad superficial de 0,49 g. Dole creía que un mundo tan pequeño no podía producir una atmósfera rica en oxígeno, pero tal vez Dole estaba equivocado, o tal vez una civilización avanzada le había dado a su planeta una atmósfera rica en oxígeno artificial.

Si un mundo con 0,195 de la masa de la Tierra tuviera la misma densidad que la Tierra, tendría 0,195 del volumen de la Tierra. En realidad, un mundo menos masivo tendría un núcleo menos denso y una densidad general más baja. La raíz cúbica de 0,195 es aproximadamente 0,5799.

El radio medio de la Tierra es de 6371 kilómetros, por lo que 0,5799 de eso son 3694,5429 kilómetros.

Un planeta con una masa terrestre de 0,195 y un radio de 3.694,5429 kilómetros tendría una gravedad superficial de 0,58 gy una velocidad de escape de 6,487 kilómetros por segundo.

Si le damos al planeta un radio ligeramente mayor, 0,59 de la Tierra o 3.758,89 kilómetros, obtenemos una gravedad superficial de 0,56 gy una velocidad de escape de 6,431 kilómetros por segundo.

Si le damos al planeta un radio ligeramente mayor, 0,6 de la Tierra o 3.822,6 kilómetros, obtenemos una gravedad superficial de 0,54 gy una velocidad de escape de 6,377 kilómetros por segundo.

Si le damos al planeta un radio ligeramente mayor, 0,65 de la Tierra o 4.141,15 kilómetros, obtenemos una gravedad superficial de 0,46 gy una velocidad de escape de 6,127 kilómetros por segundo.

Y eso es lo más lejos que me gustaría llegar para reducir la densidad y, por lo tanto, la velocidad de escape de un mundo con 0,195 de la masa de la Tierra.

Tercera parte: un límite de masa aún más bajo para mundos con atmósferas

Sin embargo, en "Exomoon Habitability Constrained by Illumination and Tidal Warming", Heller y Barnes sugieren en la página 20 que un mundo algo menos masivo que 0,195 la masa de la Tierra podría retener una atmósfera durante eras geológicas.

[https://faculty.washington.edu/rkb9/publications/hb13.pdf][5]

Se requiere una masa mínima de exoluna para impulsar un escudo magnético en una escala de tiempo de mil millones de años (MsT0.1M4; Tachinami et al., 2011); para sostener una atmósfera sustancial y duradera (MsT0.12M4; Williams et al., 1997; Kaltenegger, 2000); y para impulsar la actividad tectónica (MsT0.23M4; Williams et al., 1997), que es necesaria para mantener la tectónica de placas y apoyar el ciclo del silicato de carbono. Se han detectado dínamos internos débiles en Mercurio y Ganímedes (Gurnett et al., 1996; Kivelson et al., 1996), lo que sugiere que las masas de los satélites > 0,25 M4 serán adecuadas para considerar la habitabilidad de la exoluna. Este límite inferior, sin embargo, no es un número fijo. Otras fuentes de energía, como el calentamiento radiogénico y de las mareas, y el efecto de la composición y estructura de una luna, pueden alterar el límite en cualquier dirección.

Así que citan documentos que sugieren que 0,12 de la masa de la Tierra sería suficiente para sostener una atmósfera sustancial y duradera.

Ellos citan:

Kaltenegger, L. (2000) ¿Qué se necesita para que una luna sustente vida? En Actas de la Cuarta Conferencia Internacional sobre Exploración y Utilización de la Luna: ICEUM 4, ESA SP-462, editado por BH Foing y M. Perry, Agencia Espacial Europea, ESTEC, Noordwijk, Países Bajos, págs. 199–201.

Y:

[Williams, DM, Kasting, JF y Wade, RA (1997) Lunas habitables alrededor de planetas gigantes extrasolares. Naturaleza 385:234–236.][6]

Suponiendo por el momento que sus cálculos son correctos que la masa mínima para que un mundo retenga una atmósfera durante mucho tiempo sería sólo 0,12 de la masa de la Tierra, y suponiendo que tal mundo tendría la misma densidad media que la Tierra (que me parece improbable), tendría un volumen 0,12 el de la Tierra.

La raíz cúbica de 0,12 es aproximadamente 0,49325. 0,49325 el radio de la Tierra es 3.142,4957 kilómetros.

Un mundo con 0,12 la masa de la Tierra y la misma densidad, y por tanto un radio de 3.142,4957 kilómetros, tendría una gravedad superficial de 0,46 gy una velocidad de escape de 5,517 kilómetros por segundo.

Por supuesto, un mundo con una masa tan baja probablemente tendría una densidad promedio más baja que la Tierra y, por lo tanto, un radio más grande y, por lo tanto, una gravedad superficial más baja (buena) y también una velocidad de escape más baja (mala).

Cuarta parte: Mundos realmente pequeños con formas de vida flotantes

Hay una forma en que un mundo mucho más pequeño que ese podría tener formas de vida que flotan fácilmente.

Hay algunos mundos en el sistema solar exterior cubiertos con gruesas capas de hielo, que se cree que contienen océanos internos debajo del hielo. Hay mucha especulación sobre la posibilidad de que haya formas de vida en esos océanos subterráneos internos. Cualquier hipotético animal multicelular en tales océanos subterráneos flotaría o nadaría en el agua.

Creo que el más pequeño de esos mundos con un océano bajo la superficie y posible vida flotando en su interior es Encladus, una luna de Saturno, que tiene una masa de alrededor de 0,00018 Tierras y un radio de 252 kilómetros.

Pero, por supuesto, desea que las formas de vida floten o vuelen en una atmósfera en lugar de flotar y nadar en un líquido.

Quinta parte: Los mundos más pequeños con atmósferas

Y aquí hay un enlace a un artículo de 2019 que analiza la posibilidad de que mundos mucho más pequeños que 0,12 de masa terrestre puedan retener suficiente atmósfera para que el agua sea líquida en sus superficies. El artículo afirma que el límite inferior de masa bajo ciertas condiciones sería alrededor del 2,7 por ciento de la masa de la Tierra, que es 0,027 veces la masa de la Tierra, considerablemente inferior a 0,195 o 0,12 veces la masa de la Tierra.

[https://earthsky.org/space/pequeños-rocosos-exoplanetas-pueden-todavía-ser-habitables/][7]

Sin embargo, el artículo trata de los planetas de agua, cuyas atmósferas son enteramente vapor de agua y que están compuestas en gran parte de agua.

[https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab2bf2/pdf][8]

Por lo tanto, no habría árboles terrestres en tal planeta, ni animales terrestres. Cualquier vida inteligente viviría en el agua o en el aire (a veces aterrizando en el agua).

Y sin oxígeno en la atmósfera, los animales multicelulares no podrían obtener suficiente energía para vivir a menos que pudieran utilizar algún otro proceso metabólico.

Pero el vapor de agua en la atmósfera de un mundo tendería a dividirse por la luz ultravioleta en hidrógeno y oxígeno. Así, cualquier mundo con vapor de agua en su atmósfera produciría algo de oxígeno. Entonces, a menos que ese mundo pierda oxígeno al menos tan rápido como lo produjo, el oxígeno se acumularía en su atmósfera.

El artículo no analiza si el oxígeno podría acumularse en la atmósfera de un pequeño mundo acuático con una atmósfera de vapor de agua.

De todos modos, si un mundo de agua tuviera 0,027 veces la masa de la Tierra y la misma densidad promedio que la Tierra, tendría 0,027 veces el volumen de la Tierra. 0,3 es la raíz cúbica de 0,027, por lo que ese mundo tendría un radio de 1.911,3 kilómetros, 0,3 el radio de la Tierra. Eso daría una gravedad superficial de 0,3 gy una velocidad de escape de 3,356 kilómetros por segundo.

Pero un mundo de masa tan baja, hecho en gran parte de agua, sería menos denso que la Tierra. Si tuviera el doble de 0,027 el volumen de la Tierra, tendría 0,054 el volumen de la Tierra y la mitad de la densidad de la Tierra. 0,3 por 1,2599 (la raíz cuadrada de dos) por el radio de la Tierra es igual a 2.408,0468 kilómetros o 0,377977 del radio de la Tierra. Tal mundo tendría una gravedad superficial de 0,19 gy una velocidad de escape de 2,9897 kilómetros por segundo.

Sexta parte: Volar en un mundo del tamaño de un titán

Titán, la luna más grande de Saturno, es bastante similar. Tiene una masa de 0,0225 masa terrestre; un radio de 2.574,73 kilómetros, 0,4041327 del terrestre; una gravedad superficial de 1,352 metros por segundo por segundo, 0,1361525 la de la Tierra; y una velocidad de escape de 2,6394 kilómetros por segundo.

Y Titán tiene una atmósfera densa, principalmente de nitrógeno, que en realidad es aproximadamente 1,48 veces más densa que la atmósfera de la Tierra.

Una de las razones por las que Titán ha podido retener una atmósfera densa es su temperatura mucho más baja que cualquier otro mundo donde el agua es líquida. La temperatura de la superficie de Titán es de unos 94 grados K. La temperatura importante es la temperatura de la exosfera de la atmósfera de Titán, donde los gases escapan al espacio. La temperatura de la exosfera de Titán debería ser mucho más alta que la temperatura de su superficie y puede ser proporcional a la distancia de Titán y Saturno al Sol.

El ejemplo de Titán muestra que un mundo tan pequeño podría tener una atmósfera densa y rica en oxígeno como la Tierra, temperaturas lo suficientemente altas para agua líquida en la superficie y una gravedad superficial baja, si tiene temperaturas en la exosfera tan bajas como las temperaturas de la exosfera. en Titán.

Ese sería un problema a resolver, tener temperaturas similares a las de la Tierra en la superficie, pero temperaturas de la exosfera tan bajas como en la exosfera de Titán.

Una forma de resolverlo sería tener el mundo tan lejos de su estrella como lo está Saturno del Sol, por lo que el mundo naturalmente tendría temperaturas de exosfera tan bajas como las de Titán, mientras le daría a la superficie del mundo otra fuente de calor en lugar del radiación de la estrella. Si ese mundo fuera una gran exoluna que orbitara un exoplaneta gigante, es posible que el calentamiento de las mareas del planeta y otras lunas grandes podría calentar la luna hacia la Tierra como las temperaturas superficiales. Y si ese calor del interior pudiera evitar calentar la exosfera de la luna, podría mantener una atmósfera densa durante eras geológicas.

Es la única luna en nuestro sistema solar que tiene una atmósfera densa, tan densa que, en combinación con su gravedad limitada, los humanos en Titán podrían volar con solo agitar los brazos.

https://bigthink.com/strange-maps/259-unnamed-methane-sea-on-titan/

Por supuesto, si un mundo del tamaño de Titán tuviera temperaturas similares a las de la Tierra y mucho oxígeno en su atmósfera, los humanos podrían volar mejor sin el peso de la ropa abrigada y los aparatos de respiración.

Es absolutamente imposible que los humanos coloquen alas en sus brazos y vuelen agitando sus brazos en la Tierra, pero muchos animales terrestres, incluidos insectos, murciélagos, pájaros y reptiles voladores, volaron bien en la Tierra. Y las aves y reptiles voladores más grandes fueron muy impresionantes.

Por lo tanto, las criaturas voladoras más grandes posibles en un mundo del tamaño de Titán pero con una densa atmósfera rica en oxígeno y temperaturas similares a las de la Tierra, serían increíbles.

Parte Siete: Densidad Atmosférica Máxima

Observo que la densidad atmosférica de tal mundo no estaría necesariamente limitada a la densidad de la atmósfera de la Tierra o de Titán. Varios factores en ese mundo posiblemente podrían producir una atmósfera mucho más densa.

Pero habría un límite superior a la densidad de una atmósfera que los humanos de la Tierra podrían respirar.

La atmósfera al nivel del mar en la Tierra tiene una presión total de 760 milímetros de mercurio (mmHG)

Según Dole en la página 19, los seres humanos necesitan entre 60 y 400 mmHG de oxígeno y entre 0,05 y 7 mmHG de dióxido de carbono. Y algo de nitrógeno es necesario para la vida vegetal, y debería haber algo de vapor de agua en la atmósfera. Debería haber solo pequeñas cantidades de trazas de gases tóxicos en la atmósfera, no lo suficiente como para contribuir notablemente a aumentar la presión del aire a la presión del aire real en la Tierra, y mucho menos a varias veces esa presión.

Por lo tanto, depende de gases más o menos innecesarios pero más o menos inofensivos aumentar la presión del aire tanto como sea posible para facilitar el vuelo.

Según Dole en la página 16, el gas que los humanos pueden tolerar más es el helio, posiblemente hasta 61 000 mmHG.

Heliox es una mezcla de helio y oxígeno, se utiliza en tratamientos médicos y por buceadores profundos. El heliox suele tener un 21 por ciento de oxígeno y un 79 por ciento de helio, pero a veces se encuentra en una mezcla de 70/30 o 60/40. Es muy posible que ahora se conozca una concentración segura superior más baja de helio que en la era de Dole.

De todos modos, el helio podría ser un componente principal de la atmósfera de un planeta con alta gravedad y alta velocidad de escape, pero sería solo un componente menor de la atmósfera de un mundo con baja gravedad y baja velocidad de escape.

Dole sugiere que los humanos podrían tolerar hasta 3900 mmHG de neón. 3.900 mmHG de neón y 400 mmHG de oxígeno producirían una presión total de unos 4.300 mmHG de presión total, o unas 5.657 atmósferas. No estoy seguro de cuán precisa es la estimación de Dole. No es obvio cómo un mundo adquiriría una gran cantidad de neón en su atmósfera.

Los humanos pueden soportar una presión de 2.330 mmHG de nitrógeno según Dole. Entonces, una atmósfera de nitrógeno y oxígeno podría tener una presión total de hasta 2730 mmHG, o 3,592 atmósferas estándar.

Así que espero que una atmósfera de nitrógeno, oxígeno, neón y argón pueda alcanzar una presión estándar de 4, 5 o 6 atmósferas sin ser peligrosa para los humanos.

Es posible que los animales alienígenas evolucionados en un planeta diferente puedan evolucionar para poder respirar atmósferas mucho más densas de las que los humanos pueden sobrevivir.

La combinación de una atmósfera más densa con una gravedad mucho más baja debería hacer que volar sea mucho más fácil para los animales grandes y permitir que los árboles crezcan mucho más altos que en la Tierra.

Baja gravedad

Dado que lo que desea son organismos más grandes, una gravedad más baja siempre será deseable. Por la misma razón que los animales acuáticos crecen más que los terrestres, tener menos de tu propia masa tirando de ti hacia abajo, o más flotabilidad sosteniéndote, hace que ser grande sea mucho más fácil. No hay duda de que un planeta de mayor gravedad haría que la megafauna fuera un desafío mayor.

En cuanto a si ese planeta podría sostener una atmósfera respirable, le señalaría preguntas como esta en el stackexchange de física: https://physics.stackexchange.com/questions/52527/can-low-gravity-planets-sustain -una-atmósfera-respirable .