¿Podría un planeta habitable con menor gravedad tener una atmósfera densa?

Sí. De hecho, dada su premisa de un planeta con un diámetro mayor pero menor gravedad superficial que la Tierra, esperaría una atmósfera más espesa (tanto en términos de presión atmosférica como de espesor literal) que la Tierra.

Las variables relevantes aquí son la aceleración gravitacional y la velocidad de escape. Quieres un planeta con menos gravedad que la Tierra en su superficie, pero una mayor velocidad de escape en su atmósfera superior. ¿Es esto plausible? ¡Absolutamente!

Las variables relevantes que puede sintonizar directamente aquí son la masa y el radio del planeta. Tenga en cuenta que en las escalas de los planetas (aparte de los gigantes gaseosos), el espesor de la atmósfera es insignificante en comparación con el radio del planeta mismo, por lo que, para simplificar las cosas aquí, simplemente ignoraré el espesor de la atmósfera por completo.

Las fórmulas relevantes son la aceleración gravitacional en la superficie del planeta:

$$g = {GM\over r^2}$$

y velocidad de escape :

$$v_e = \sqrt {2GM \over r}$$

donde r es el radio de tu planeta, M es la masa del planeta y G es la constante gravitacional de Newton .

Desea reducir la gravedad de la superficie (según su premisa), mientras aumenta la velocidad de escape (lo que facilitará que el planeta se aferre a una atmósfera). La gravedad superficial disminuye rápidamente con el radio, como lo indica eso$r^2$plazo, por lo que aumentar el radio del planeta disminuirá muy rápidamente su gravedad superficial. Sin embargo, para evitar que la velocidad de escape disminuya, la masa debe aumentar al menos en la misma cantidad.

Como ejemplo, tomemos un planeta con 9 veces la masa de la Tierra y 4 veces el radio de la Tierra.

$$g = {G (9M_\oplus) \over (4r_\oplus)^2} = {9GM_\oplus\over 16r_\oplus^2} = {9 \over 16} g_\oplus$$

$$v_e = \sqrt {2G (9M_\oplus) \over 4r_\oplus} = \sqrt {9 \over 4} \cdot \sqrt {2GM_\oplus \over r_\oplus} = {3 \over 2} {v_e}_\oplus$$

Como puede ver, este planeta tiene poco más de la mitad de la gravedad de la Tierra, pero 1,5 veces la velocidad de escape de la Tierra. Por supuesto, no necesita usar estos números exactos; los elegí principalmente para evitar obtener números irracionales. Pero el punto está ahí: toma la Tierra, aumenta un poco el radio, aumenta un poco más la masa (pero no demasiado), y listo.

Ahora, hay una complicación más que debe considerar, agitar con la mano o ignorar: el material del que está hecho su planeta. La densidad es proporcional a$M/r^3$, por lo que disminuye incluso más rápido que la gravedad superficial. La densidad de este planeta de ejemplo es aproximadamente el 14% de la de la Tierra. Lo que significa que en su mayoría debe estar hecho de algo menos denso que el agua, más como etanol o queroseno. Para empeorar las cosas, los planetas más grandes y masivos tienden a ser más densos que los planetas más pequeños, ya que la gravedad comprime el material en el medio del planeta. La Tierra es (ligeramente) más densa que Mercurio, aunque el núcleo de hierro de Mercurio constituye más de la mitad de su volumen. Por lo tanto, su planeta debe estar hecho de materiales mucho menos densos que los que componen la Tierra, pero capaces de soportar presiones aún más altas. ¿Quizás en lugar de silicio, magnesio y hierro , su planeta tiene mucho litio?

Debe recordar que la gravedad de la superficie y la velocidad de escape son dos atributos diferentes de un planeta, y necesita que uno sea lo más bajo posible y el otro lo más alto posible.

Por lo que recuerdo, la velocidad de escape del planeta, en el nivel más alto de la atmósfera donde los gases escapan del planeta, tiene que ser un cierto número de veces, 5 o 6 creo, mayor que la velocidad promedio de las moléculas de gas. a ese nivel para retener la atmósfera durante miles de millones de años. La velocidad media de las moléculas de gas en la parte superior de la atmósfera depende de su temperatura media, que puede ser diferente de la del nivel del suelo.

Si la relación entre la velocidad de escape y la velocidad molecular promedio no es tan alta, el planeta perderá su atmósfera en menos de miles de millones de años y necesitará reponer su atmósfera de varias fuentes para tener una suficiente para desarrollar vida multicelular. nativos inteligentes, una composición atmosférica respirable para los humanos u otras cosas necesarias para un planeta interesante en la mayoría de los tipos de historias de ciencia ficción. Se cree que la atmósfera de Titán se repone tan pronto como se escapa, por ejemplo.

La Tierra parece capaz de conservar su atmósfera original durante miles de millones de años. Venus, por ejemplo, tiene una velocidad de escape ligeramente más baja y una atmósfera mucho más densa y masiva que la Tierra, por lo que es difícil imaginar que una gran parte de la atmósfera de Venus se pierda y se reponga constantemente.

Otra cosa que puede eliminar una atmósfera planetaria es el viento solar o estelar de partículas que expulsan moléculas de la atmósfera superior al espacio. Una fuerte magnetosfera planetaria desvía la mayoría de esas partículas y protege la atmósfera.

Lo que desea es un planeta que tenga una gravedad superficial lo más baja posible, para facilitar el vuelo, y una atmósfera lo más densa posible para facilitar el vuelo, y tener una atmósfera más densa es más fácil si la velocidad de escape es lo más alto posible.

Mercurio tiene una gravedad superficial de 3,7 metros por segundo por segundo, 0,3772 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 4,25 kilómetros por segundo, que es 0,3799 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,0071.

Venus tiene una gravedad superficial de 8,87 metros por segundo por segundo, 0,9044 de la de la Tierra y una velocidad de escape de 10,36 kilómetros por segundo, que es 0,92615 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,0240.

La Tierra tiene una gravedad superficial de 9,807 metros por segundo por segundo y una velocidad de escape de 11,186 kilómetros por segundo y, por supuesto, ambas son exactamente 1,000 de la de la Tierra. La relación entre la velocidad de escape y la gravedad superficial es 1,0000.

La Luna tiene una gravedad superficial de 1,62 metros por segundo por segundo, 0,1651 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 2,38 kilómetros por segundo, que es 0,2127 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,2883.

Marte tiene una gravedad superficial de 3,711 metros por segundo por segundo, 0,3784 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 5,027 kilómetros por segundo, que es 0,4494 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,1876.

Io tiene una gravedad superficial de 1,796 metros por segundo por segundo, 0,1831 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 2,558 kilómetros por segundo, que es 0,2286 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,2484.

Europa tiene una gravedad superficial de 1,314 metros por segundo por segundo, 0,1339 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 2,025 kilómetros por segundo, que es 0,1810 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,3517.

Ganímedes tiene una gravedad superficial de 1,428 metros por segundo por segundo, 0,1456 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 2,741 kilómetros por segundo, que es 0,2450 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,6826.

Calisto tiene una gravedad superficial de 1,235 metros por segundo por segundo, 0,1259 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 2,440 kilómetros por segundo, que es 0,2181 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,7323.

Titán tiene una gravedad superficial de 1,352 metros por segundo por segundo, 0,1378 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 2,639 kilómetros por segundo, que es 0,2359 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,7119.

Tritón tiene una gravedad superficial de 0,779 metros por segundo por segundo, 0,0794 de la de la Tierra, y una velocidad de escape de 1,455 kilómetros por segundo, que es 0,1300 de la velocidad de escape de la Tierra. La relación de la velocidad de escape en comparación con la relación de la gravedad superficial es 1,6372.

Todos estos planetas y lunas tienen diámetros, masas, densidades, gravedad superficial y velocidades de escape más bajos que la Tierra. Y la relación entre su velocidad de escape y la de la Tierra es mayor que la relación entre su gravedad superficial y la de la Tierra, en proporciones que varían de 1,0071 a 1,7323.

Por lo tanto, es probable que un planeta más pequeño que la Tierra tenga una velocidad de escape que no sea mucho menor que la de la Tierra, ya que su gravedad superficial es menor que la de la Tierra. Y eso es lo que desea, una gravedad superficial lo más baja posible para ayudar a volar, y una velocidad de escape lo más alta posible para ayudar a retener una atmósfera lo más densa posible.

Y su planeta tendrá una atmósfera mucho más densa que muchos otros planetas con velocidades de escape similares, debido a varios factores que crearon una atmósfera original mucho más densa y ayudaron a retenerla y/o reponerla mucho más que otros planetas similares.

Tenga en cuenta que Venus es un poco menos capaz de retener una atmósfera que la Tierra y, sin embargo, tiene una atmósfera muchas veces más densa que la de la Tierra. Titán es menos capaz de retener una atmósfera que Ganímedes o Calisto, pero tiene una atmósfera mucho más densa que ellos. Titán es mucho menos capaz de retener una atmósfera que la Tierra, pero tiene una atmósfera comparable en densidad a la de la Tierra.

Habrá un límite superior para la densidad de la atmósfera de su planeta si desea que los humanos de la Tierra la respiren, y un límite superior un poco más alto si desea que las formas de vida del planeta la respiren.

Todos los gases en la atmósfera de la Tierra, nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua, incluso oxígeno, tienen límites de presión superiores seguros. Más allá de esos límites, todos ellos, incluso el oxígeno, se vuelven tóxicos. Por lo tanto, tendrá que sumar los límites de presión seguros de cada gas que probablemente se encuentre en una atmósfera planetaria y la presión total será el límite total de presión atmosférica para que los humanos respiren. Las formas de vida nativas del planeta pueden haber evolucionado para tolerar presiones más altas.