¿Se acumularía oxígeno en los sumideros si la atmósfera superior fuera helio, hidrógeno y metano?

En teoría sí. en realidad no

Editar: En teoría también No

La masa molar de cada elemento cuenta la historia en teoría: Oxígeno 31,99 g/mol. Metano 16,0425 g/mol Helio 4,002 g/mol Hidrógeno 2,016 g/mol

Si fueran líquidos esto nos diría la respuesta. Sin embargo, como gas, las moléculas se mueven individualmente. Esto es lo que los convierte en gas y se llama movimiento browniano. Esto haría que el gas se mezclara de alguna manera.

Cualquier viento u otra perturbación atmosférica complicaría aún más las cosas.

En un planeta / luna real, entonces no hay forma de que esto funcione.

Editar: Gracias a @samuel por señalar que he olvidado la mayor parte de la química de mi escuela secundaria

Si coloca dos gases en un recipiente cerrado, se mezclarán, incluso si no se agitan, esto se debe a la naturaleza de las moléculas del gas y su movimiento. La temperatura jugará un papel en la velocidad a la que se mezclan los gases, y cualquier agitación mecánica (además del movimiento térmico) aumentará esta velocidad de mezcla. Lo que puede tener es (si se le proporciona una fuente de oxígeno molecular) depósitos temporales de oxígeno que con el tiempo se mezclan con el resto de la atmósfera. Hay una energía de mezcla que se debe proporcionar para que dos cosas se mezclen, eso se llama entalpía (esa entalpía específica no recuerdo el nombre en inglés), esa energía se usa para mover las moléculas, pero, para que las moléculas de gas se mezclen, la energía es pequeño. Muchos factores juegan un papel en cómo se mezclan los gases, la agitación térmica es uno. No se puede evitar que una molécula de gas se aleje de la piscina,

Esto es diferente de los líquidos, la miscibilidad/imiscibilidad de los líquidos está relacionada con su polaridad/apolaridad y masas molares, pero la polaridad juega un papel más importante. Otro factor cuando se trata de líquidos es que, aunque no tengan una forma específica (toman la forma del recipiente en el que se colocan) tienen un volumen definido, mientras que los gases no. Es por eso que algunas características de los gases son muy diferentes de las características de los líquidos.

Hay excepciones. Pero la regla general es esta.

Si bien puede pensar que los gases pesados ​​​​empujan hacia arriba los gases más livianos, no es así como es la física. En cambio, puede considerar cada gas por separado y ver cómo la atmósfera pura de ese gas se vuelve más delgada a medida que nos alejamos de la superficie. Esto sucede (para cada gas individualmente) exponencialmente si la temperatura es constante (¡estadística de Boltzmann!), pero los exponentes difieren, de modo que un gas más ligero se esparce más que un gas más pesado. La presión de "aire" total es entonces solo la suma de las presiones de los componentes (todo esto es correcto esencialmente porque el gas es tan delgado que prácticamente no se produce interacción). Es solo por esta diferencia que en algunos niveles un gas es más frecuente y en otro nivel otro gas. Dicho esto, las piscinas de oxígeno no se formarán más de lo que se forman en la Tierra.

¿Podría funcionar el concepto de piscinas de oxígeno?

Sí, pero serían en gran medida transitorios, como la lluvia. La mayoría de los climas mezclan bastante bien la atmósfera, pero en algunas circunstancias se formarían piscinas de oxígeno durante días o incluso más. Tal vez tenga colectores de oxígeno que la gente tenga que usar y, como la lluvia en el desierto, la gente lo conserve. Si la atmósfera tiene presión, no necesita trajes de presión completa, solo necesita pequeñas cánulas nasales para el trabajo al aire libre y casas que no tengan muchas fugas si no quiere usarlas todo el tiempo.

Si es así, ¿podría haber una capa superior de atmósfera formada por gases más ligeros?

Claro, y eso ya lo tenemos: el ozono está formado por gases más livianos, mientras que aquí abajo tenemos gases más pesados. Si bien se produce la mezcla, la realidad es que las concentraciones cambian a medida que aumenta, y encuentra que los gases más ligeros son más frecuentes y los gases más pesados ​​son menos frecuentes.

Las condiciones climáticas requeridas para la acumulación atmosférica podrían ser similares a un fenómeno bastante conocido en las ciudades que son esencialmente grandes cuencos. Se llama inversión:

https://en.wikipedia.org/wiki/Inversion_(meteorología)

No te dará exactamente lo que quieres, pero un poco de manipulación aquí y allá y podrías hacer que esto funcione para el mundo que tienes en mente si tu audiencia no es muy exigente.

En áreas particularmente tranquilas sin viento, como en los pozos de minas, la acumulación de dióxido de carbono es un problema importante que debe gestionarse activamente, por lo que esto ya sucede, solo que no es común en grandes áreas abiertas sujetas a patrones climáticos.

Las piscinas no se asentarán. Si llena cuidadosamente una depresión con gas pesado y no la agita, permanecerá así por un tiempo. Especialmente si el gas se emite continuamente a un ritmo pequeño en la parte inferior, como es el caso de$\mathrm{CO_2}$piscinas en la Tierra.

Supongamos que de alguna manera el oxígeno realmente se acumuló, ¿funcionaría?

¿Qué hay en la interfaz? Hidrógeno y oxígeno. A menos que un gas realmente domine (por ejemplo, los buzos de aguas profundas a veces respiran una mezcla de oxígeno e hidrógeno con tan poco oxígeno que no soportará la combustión), todo lo que se necesita es una chispa.

Esto es algo similar a cómo puede realizar el truco de la "pecera invisible", donde tiene un gas más denso en la pecera y equilibra materiales menos densos en él. Siempre que las capas superiores de la atmósfera sean menos densas que el oxígeno en los cráteres, subirán a la parte superior de la atmósfera mientras el oxígeno se hunde hasta el fondo.

Otro ejemplo sería tratar de hacer flotar ciertos materiales en el agua. La madera flotará porque es menos densa que el agua, pero la piedra se hundirá porque es más densa.