¿Podría un planeta hipotético compuesto por una atmósfera de oxígeno de neón o de oxígeno de argón con niveles de presión similares a los de la Tierra sustentar la vida?

Una vez más, es necesario desglosar el omnipresente diagrama de escape atmosférico . Muestra los tipos de gases que una atmósfera planetaria podría retener, dada su velocidad de escape y la temperatura de la superficie. Es un modelo muy simplista de retención de la atmósfera, pero es un comienzo razonable por diez.

El problema con el neón y el argón es que son gases monoatómicos y, como tales, tienen un peso molecular relativamente bajo... alrededor de 20 y 40 uma, respectivamente. El nitrógeno y el oxígeno que componen la atmósfera de la Tierra se presentan en formas con pesos moleculares de alrededor de 38 y 32 amu respectivamente.

Puede ver en el diagrama que la Tierra está cómodamente por encima de la banda verde y, como tal, se puede esperar razonablemente que el oxígeno y el nitrógeno en la atmósfera permanezcan en escalas de tiempo de muchos miles de millones de años. Sin embargo, la banda azul es un poco más liviana, lo que significa que tiene una escala de tiempo de escape mucho más corta.

Lo que esto significa es que es muy difícil aferrarse al neón atmosférico. La baja masa molecular y el punto de ebullición del neón significan que necesitaría un mundo bastante masivo para proporcionar un pozo de gravedad lo suficientemente profundo como para aferrarse a él, y es probable que un mundo tan grande se convierta en supertierras húmedas o enanas de gas .

El argón es mucho más manejable y, de hecho, la atmósfera de la Tierra ya tiene un 1% de argón. El problema es la abundancia química relativa. Puede mirar una tabla de abundancias elementales en el sistema solar y ver que el argón es unas 30 veces menos común que el nitrógeno. Combine eso con su falta de voluntad para formar compuestos no volátiles, y puede ver que obtener el valor de una atmósfera de las cosas sin tener también el valor de varias atmósferas de nitrógeno va a ser un desafío . No es imposible por ningún tramo de la imaginación, pero vas a tener que trabajar un poco para explicarlo.

si nuestra atmósfera nunca tuvo nitrógeno, sino neón o argón, ¿podría la vida haber evolucionado hasta lo que evolucionó hoy?

El comentario de AlexP y la respuesta de "Escaped Lunatic" cubren esto lo suficientemente bien. El nitrógeno es químicamente muy importante para la vida en la Tierra (sin nitrógeno significa que no hay aminoácidos , lo que significa que no hay proteínas). Eso no quiere decir que podría haber surgido una forma de vida alternativa sin él, pero dada la abundancia relativa de nitrógeno frente a argón, sería sorprendente. Si tiene una explicación de por qué la eliminación de nitrógeno de la atmósfera es tan efectiva, entonces puede agitar formas de vida que incluyen mucha química de nitrógeno muy bien. Tal vez el extraño equilibrio atmosférico tenga una explicación biológica.

Todavía tendría el problema de cosas como organismos desnitrificantes , pero tal vez algún tipo de organismo fijador de nitrógeno común y altamente eficiente sea suficiente para evitar que el N ₂ gaseoso se escape a la atmósfera en volúmenes significativos. Las manos son tuyas para saludar aquí.

Si es así, ¿de qué color sería el cielo?

Dadas las presiones y densidades similares a las de la Tierra (que básicamente tendrás con una mezcla principal de argón/oxígeno) y una estrella similar al Sol, el cielo será más o menos del mismo color que en la Tierra. El argón tiene una sección transversal de dispersión de Rayleigh muy similar a la del nitrógeno, por lo que el color resultante del cielo será ligeramente diferente al de la Tierra, pero no dramáticamente.

Neon es probablemente más diferente, pero no puedo encontrar ninguna buena información que informe exactamente cómo sería esa diferencia. Dado que el color seguirá estando dominado por el espectro de luz de la estrella primaria, y que la dispersión de Rayleigh depende en gran medida de la longitud de onda, el color inevitablemente seguirá siendo "básicamente azul".

Si desea diferentes colores, probablemente debería obtener una estrella diferente o cambiar su presión atmosférica y consultar la excelente tabla en esta pregunta . Una mezcla de gases radicalmente diferente también funcionaría, pero la gravedad y la toxicidad significarán que no será muy amigable para los humanos.

Tenga en cuenta que hay otros efectos coloridos que puede obtener de atmósferas alternativas... las descargas eléctricas, como los rayos, pueden ser diferentes. Esto sería muy marcado para una atmósfera rica en neón (¡rayos rojos!) aunque es poco probable que sea dramáticamente diferente para el argón, que se verá básicamente como un rayo en una atmósfera rica en nitrógeno.

Si no, ¿debería crear un gas elemental ficticio para este escenario?

Eso está estrictamente en los reinos de la ciencia ficción muy suave. Puede sentirse libre de inventar cosas si eso es lo que quiere y lo que necesita su historia, pero está muy lejos de la plausibilidad. Si desea permanecer a la distancia de la ciencia en su ficción, probablemente no debería inventar nuevos elementos que son tan comunes que crean atmósferas enteras con ellos, pero que de alguna manera no se han descubierto en la Tierra y no encajan en el tabla periódica en cualquier lugar sensible.

Creo que podría arreglárselas reemplazando la mayor parte del nitrógeno por neón o argón, pero aunque la vida en la Tierra es principalmente hidrógeno, oxígeno y carbono, una cierta cantidad de nitrógeno es obligatoria.

Entonces, si quieres visitar un mundo así, quítate el casco y haz turismo, diviértete. Si desea intentar establecer un ecosistema para la vida terrestre sin importar cantidades increíbles de fertilizantes a base de nitrógeno cada año, grabe videos para que pueda aparecer en un próximo episodio de Failed Colonies .

No soy un experto, pero creo que podría funcionar con menos del 5% de nitrógeno en la atmósfera. Si no hay vida nativa, necesitará algún tipo de excusa para tener suficiente oxígeno para respirar. Échale la culpa a un proceso geoquímico inorgánico aún por explorar alrededor de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas y no muchos lectores se quejarán.

No estoy seguro de con qué color de cielo terminarás. Esperemos algo interesante.

Sin vida vegetal, sin vida animal

Los animales viven de las plantas. Sin plantas, la vida animal no puede sostenerse porque:

• Las plantas se utilizan como alimento.
• La planta produce oxigeno

Las plantas necesitan nitrógeno.

El nitrógeno es un nutriente esencial para el crecimiento, desarrollo y reproducción de las plantas.

El nitrógeno es un componente importante de la clorofila, el compuesto por el cual las plantas utilizan la energía solar para producir azúcares a partir del agua y el dióxido de carbono y producir oxígeno.

El ciclo del nitrógeno

Como se explica aquí :

El nitrógeno puede sufrir muchas transformaciones en el suelo. Estas transformaciones a menudo se agrupan en un sistema llamado ciclo del nitrógeno, que se puede presentar en diversos grados de complejidad.

El argón y el neón son gases no reactivos.

El argón y el neón no pueden desempeñar ningún papel en el sostenimiento de la vida, ya que no son reactivos.

Respuesta corta:

Hay muchos cambios posibles en la composición de una atmósfera que no cambiarían el color del cielo. Es posible que algunos cambios en la composición atmosférica puedan afectar el color del cielo, pero no estoy familiarizado con ellos.

Aquí hay un enlace a muchas preguntas y respuestas sobre el color de los cielos extraterrestres. Escribí "color del cielo" en la sección "buscar construcción de mundos" de la barra negra en la parte superior de la pantalla de construcción de mundos.

https://worldbuilding.stackexchange.com/search?q=sky+color

Posiblemente algunas de las respuestas mencionarán cambios en la composición atmosférica que podrían resultar en cambios en los colores del cielo.

La buena noticia, que se encuentra en mi respuesta larga, es que es posible realizar cambios considerables en la composición atmosférica de la Tierra mientras permanece respirable.

Respuesta larga:

¿Cuál es la composición atmosférica de la Tierra a nivel del mar?

El aire seco es 78,084 por ciento de nitrógeno, 20,946 por ciento de oxígeno, argón 0,934 por ciento, dióxido de carbono 0,0416 por ciento, neón 0,001818 por ciento, helio 0,000524 por ciento, metano 0,000187 y criptón 0,000114 por ciento. La atmósfera suele tener entre 0,0 y 3,0 por ciento de vapor de agua.

https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth#Composition

Hay muchas formas de vida sobre y dentro de la Tierra que pueden vivir sin esa composición atmosférica específica. Pero si su historia involucra a personas de la Tierra que respiran el aire del planeta, o seres con necesidades ambientales similares que viven en el planeta, debe asegurarse de que la composición atmosférica sea lo suficientemente similar.

En realidad, la vida en la Tierra ha existido de una forma radicalmente diferente a la actual, y ayudó a formar la atmósfera actual.

La vida en la Tierra se remonta a 3 mil millones de años, o tal vez incluso a 4 mil millones de años. Evolucionó en la segunda atmósfera de la Tierra, que contiene dióxido de carbono y gases inertes del vulcanismo.

Cuando los organismos fotosintéticos evolucionaron, emitieron oxígeno y finalmente produjeron oxígeno más rápido de lo que podría eliminarse de la atmósfera mediante la oxidación de minerales.

La tercera atmósfera resultó de las grandes cantidades de oxígeno en la atmósfera. Había suficiente oxígeno en el aire para los animales multicelulares desde hace unos 600 millones de años.

La presión atmosférica promedio al nivel del mar está definida por la Atmósfera estándar internacional como 101325 pascales (760,00 Torr; 14,6959 psi; 760,00 mmHg).

https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth#Pressure_and_thickness

Un mmHG es un milímetro de mercurio.

En Habitable Planets for Man , 1964, Stephen H. Dole analiza los requisitos atmosféricos de los humanos en las páginas 13 a 19.

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

En la página 19 dice:

En resumen, entonces, la atmósfera de un planeta habitable debe contener oxígeno con una presión parcial inspirada de entre 60 y 400 milímetros de mercurio y dióxido de carbono con una presión parcial inspirada de aproximadamente entre 0,05 y 7 milímetros de mercurio. Además, las presiones parciales de los gases inertes deben estar por debajo de ciertos límites especificados y otros gases tóxicos no deben estar presentes en más de trazas. Algo de nitrógeno debe estar presente para que el nitrógeno en forma combinada pueda llegar a las plantas.

Además, un planeta habitable tendría mucha agua y se necesitaría algo de vapor de agua para la lluvia y para evitar que las vías respiratorias humanas se sequen.

Como la atmósfera de la Tierra al nivel del mar tiene una presión de 760 milímetros de mercurio, y los límites combinados de oxígeno y dióxido de carbono para los humanos son de 60,05 a 407 milímetros de mercurio, la atmósfera de su planeta necesita de 353 a 699,95 milímetros de mercurio para tienen la densidad de la atmósfera de la Tierra.

¿Hay gases que serían inofensivos para los humanos a tales presiones?

Según la tabla 2 de la página 16, los humanos pueden tolerar hasta 7 mmHG de dióxido de carbono, 160 mm de xenón, 350 mm de criptón, 1220 mm de argón o 2330 mm de nitrógeno. Entonces, una combinación de 353 a 699,95 mmHG de varios gases inertes debería ser respirable. Es lamentable que la pregunta requiera la eliminación de nitrógeno de la atmósfera (excepto la cantidad que necesitan las plantas).

Además, la presión tolerable del neón podría ser tan alta como 3900 mmHG y la presión tolerable del helio podría ser tan alta como 61 000 mmHG.

Para seleccionar los elementos más deseables para la atmósfera de su planeta, hay varios factores que pueden usarse para clasificarlos.

Clasificado según la cantidad que los humanos pueden tolerar, el helio sería el gran ganador, seguido del neón, el nitrógeno (excluido excepto en una pequeña cantidad) y el argón si solo hay un gas en la atmósfera, mientras que se podría mezclar algo de criptón y xenón. con otros gases.

Clasificados por su relativa abundancia en la atmósfera de la Tierra y, por lo tanto, la relativa facilidad de aumentar su abundancia en un mundo ligeramente diferente, son el argón, el neón, el helio y el criptón.

Clasificados por su abundancia relativa en el universo, el helio ocupa el primer lugar, seguido del neón, el argón, el kirptón y el xenón.

También se pueden clasificar desde los gases más pesados ​​hasta los más ligeros.

Cuanto más pesado sea un átomo o una molécula, más lento se moverá a cualquier temperatura específica, como la temperatura en la exosfera de un planeta, la atmósfera más externa donde los gases escapan al espacio.

En las páginas 34 y 35, Dole analiza la velocidad de escape que necesita un mundo para retener un gas en su atmósfera durante períodos de tiempo geológicos. Hay formas para calcular el tiempo que tarda la cantidad de gas en caer a 0,368 de su cantidad original, en relación con la relación de la velocidad de escape del mundo dividida por la velocidad cuadrática media de los gases en la exosfera.

La Tabla 5 en la página 35 muestra que si la relación es uno o dos, la cantidad de gas se reducirá instantáneamente a 0,368 de la cantidad inicial.

Si la relación es 3, la cantidad de gas se reducirá a 0,368 de la cantidad inicial en unas pocas semanas.

Si la relación es 4, la cantidad de gas se reducirá a 0,368 de la cantidad inicial en varios miles de años.

Si la relación es 5, la cantidad de gas se reducirá a 0,368 de la cantidad inicial en unos 100 millones de años.

Si la relación es 6, la cantidad de gas se reducirá a 0,368 de la cantidad inicial en un tiempo infinito.

En orden descendente de peso atómico y, por lo tanto, de la capacidad de un mundo para retenerlos en su atmósfera, son xenón, criptón, argón, neón y helio.

El argón y el neón podrían ser los mejores candidatos generales para la atmósfera de su planeta.

Debido a que el helio es mucho más abundante que cualquier otro de los gases, es más probable que un planeta retenga una gran cantidad, si el planeta tiene una velocidad de escape lo suficientemente alta.

Urano es el planeta con mucho helio en la atmósfera que tiene la menor velocidad de escape, 21,29 kilómetros por segundo, frente a los 23,71 de Neptuno, los 35,49 de Saturno, los 59,54 de Júpiter y los 11,186 de la Tierra.

Pero Urano también tiene mucho hidrógeno en su atmósfera. El hidrógeno se caracteriza por quemarse en presencia de oxígeno para producir agua, por lo que debería haber solo pequeñas cantidades de hidrógeno en la atmósfera de su planeta.

Así, una velocidad de escape entre los 11,186 kilómetros por segundo de la Tierra y los 21,29 kilómetros por segundo de Urano estaría indicada para que su planeta retenga una gran cantidad de helio en la atmósfera.

Observo que la velocidad de escape de la Tierra es suficiente para retener el helio 4 mucho mejor que el helio 3, un isótopo más ligero, y que los complejos procesos que suman y restan el helio atmosférico no se conocen bien. Y, por supuesto, los planetas gigantes están mucho más lejos del Sol que la Tierra y, por lo tanto, perderían helio mucho más rápido si estuvieran a la distancia de la Tierra del sol.

En la página 53, Dole declaró que, dado que creía que los humanos no querrían vivir en un mundo con una gravedad superficial superior a 1,5 veces la gravedad superficial de la Tierra de 1 g, la masa máxima de un planeta habitable para los humanos tendría aproximadamente 2,35 masa terrestre, 1,25 radio terrestre y una velocidad de escape de 15,3 kilómetros por segundo.

En "Exomoon Habitability Constrained by Illumination and Tidal Heating", Rene Heller y Roy C. Barnes (2013) también analizan la gama masiva de mundos habitables; en este caso, mundos habitables para cualquier tipo de agua líquida que use vida, no solo para los humanos.

En la página 20 escriben:

Por encima de una masa crítica, la dínamo se suprime fuertemente y se vuelve demasiado débil para generar un campo magnético o sostener la tectónica de placas. Esta masa máxima se puede situar en torno a los 2M4 (Gaidos et al., 2010; Noack y Breuer, 2011; Stamenkovic´ et al., 2011).

2M4 significa 2 veces la masa de la Tierra. Entonces, si esto es correcto, su planeta no debería tener más de 2 veces la masa de la Tierra.

La Tierra tiene un radio de 6.371 kilómetros.

Un planeta con 2 veces la masa de la Tierra y 1,3 veces el radio tendría una gravedad superficial de 1,18 g y una velocidad de escape de 13,874 kilómetros por segundo.

Un planeta con 2 veces la masa de la Tierra y 1,2 veces el radio tendría una gravedad superficial de 1,39 gy una velocidad de escape de 14,44 kilómetros por segundo.

Un planeta con 2 veces la masa de la Tierra y 1,1 veces el radio tendría una gravedad superficial de 1,65 gy una velocidad de escape de 15,083 kilómetros por segundo.

Un planeta con 2 veces la masa de la Tierra y 1,0 veces el radio tendría una gravedad superficial de 2 g y una velocidad de escape de 15,82 kilómetros por segundo.

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

https://www.omnicalulator.com/physics/escape-velocity

Y una velocidad de escape en ese rango general es probablemente tan grande como la que podría tener un planeta habitable.

Y tal vez eso sería lo suficientemente alto para que un planeta lo suficientemente cálido como para que el agua líquida use vida tenga una atmósfera rica en helio.

Si no, tendrías que ir con una atmósfera rica en gases nobles, preferiblemente argón y neón, que de alguna manera son muchas veces más comunes que en la atmósfera de la Tierra.