¿Seguiría siendo la "rodilla" de >100 km en la atmósfera de la Tierra donde la MFP excedía la altura de la escala si fuera Ne o Ar puro?

Hay muchos fenómenos en juego aquí.

En primer lugar, ya mencionaste que hay un factor de cambio en la composición atmosférica. Este es el más fácil de entender. Considere un modelo muy simple en el que su atmósfera no tiene una mezcla turbulenta, solo hay 2 tipos de gases y la temperatura de ese gas es constante en todas partes. Luego puede modelar cada gas con un modelo simple donde la densidad del gas decae exponencialmente con la altura (pero con diferentes parámetros de escala) y estos gases no se influyen entre sí. Por lo tanto, a cualquier altura dada, esta atmósfera simplista se puede modelar como la suma de las densidades de sus dos gases a esta altura.

Ahora considere que un gas es 10 veces más pesado (en términos de peso molecular) que otro y ocupa el 90% de la atmósfera a nivel del suelo. Juguemos con nuestro modelo de juguete en 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()

Puede ver una rodilla clara en este modelo y un cambio en la composición atmosférica que comienza con un 90 % de gas pesado pero llega rápidamente al 100 % de gas ligero a una altitud lo suficientemente alta. Una vez que la composición cambia lo suficiente, también lo hace la pendiente del gráfico de densidad. Como puede ver, aquí no necesitamos nada para obtener una rodilla, excepto 2 gases con densidades suficientemente diferentes.

Ahora, la atmósfera real es, por supuesto, mucho más complicada. Un factor es una mezcla turbulenta de gases por debajo de cierta altura. Esta mezcla hace que la atmósfera actúe como si fuera un solo gas con un peso molecular "promedio" en lugar de una suma de gases que no interactúan. En la práctica, esto significa que el gas "pesado" va más alto de lo que lo haría en un modelo simplista sin mezcla turbulenta. Pero la mezcla turbulenta es impulsada por el calor (principalmente el calor de la superficie de la Tierra) y la cantidad de energía disponible limita su altura. Entonces, a cierta altitud, hay una transición entre la atmósfera dominada por la mezcla turbulenta y la atmósfera dominada por la difusión de gases. Esto hace que el cambio en la composición atmosférica y, por lo tanto, la "rodilla" sea más pronunciada porque la mezcla turbulenta produce una mezcla diferente a gran altitud que la difusión.

Ahora, hasta ahora estábamos hablando de atmósfera con temperatura constante. Esto no es realista, la temperatura de la atmósfera real cambia considerablemente con la altura. Obtenemos mucha energía del sol y parte de ella viene en forma de luz ultravioleta e incluso de rayos X con fotones de alta energía. Los gases atmosféricos absorben bien estos fotones, pero este proceso solo se aplica a las capas más altas de la atmósfera porque los fotones se absorben antes de que puedan pasar lo suficientemente profundo. Un resultado neto es un aumento agudo y muy fuerte de la temperatura de la atmósfera a una altitud suficientemente alta. Además, la absorción de algunos de esos fotones energéticos da como resultado la disociación de moléculas como el O2 en gases monoatómicos más simples. Ambos procesos (disociación y alta temperatura) reducen en gran medida la densidad del gas y lo hacen esencialmente "mucho más liviano" para fines de altura de escala.todavía produce dos capas en él, una capa "fría" de gas por debajo de cierta altitud y una capa exterior "caliente" de gas que se comportará de manera diferente. Sin embargo, será menos pronunciado que en una atmósfera similar a la terrestre.

Para resumir las cosas:

1. La atmósfera se separa naturalmente en capas de diferentes gases por encima de cierta altitud
2. Los gases más livianos reemplazan a los más pesados ​​porque tienen una mayor altura de escala y su densidad disminuye más lentamente que la densidad de los gases más pesados.
3. La luz solar produce naturalmente una capa exterior de gas en la atmósfera que se comporta como si fuera muy "ligera" y, por lo tanto, tiene una altura a gran escala, muy diferente del gas de niveles más bajos.

Todos estos factores tienden a producir "rodilla". Sin embargo, en el caso de la Tierra, apostaría a que el factor principal es la luz solar.

Aún puede obtener una atmósfera sin una rodilla, pero deberá alejar su planeta de cualquier fuente de luz y asegurarse de que su atmósfera esté compuesta de gases con una densidad similar. ¿Quizás un gigante gaseoso distante con una atmósfera de hidrógeno puro?