Voy a enumerar tus preguntas y responderlas una por una.
- ¿Qué pasaría si las partículas de aire dejaran de moverse por completo un día?
Este escenario es lo que ocurre cuando la temperatura es muy baja. Para realmente no tener movimiento en absoluto necesitarías una temperatura de cero absoluto. Pero mucho antes de llegar a cero absoluto llegas a otro caso: el gas se convierte en líquido, y luego, cuando está más frío aún, en sólido (excepto en casos especiales como el helio). La formación de un líquido generalmente implica las fuerzas atractivas entre las moléculas, pero incluso si no hubiera fuerzas atractivas, el gas eventualmente formaría un tipo de líquido. Luego se acumularía en una gran piscina en el suelo (mientras todos morimos por falta de oxígeno).
- ¿Todas las partículas de aire simplemente caerían al suelo? (atraídas por la gravedad)
sí, ver la respuesta anterior.
- Por lo tanto, la pregunta: ¿cómo es que las partículas de aire "se mantienen en el aire" en primer lugar?
Permanecen en el aire a través de colisiones. Todas las partículas están cayendo realmente debido a la gravedad, pero también chocan entre sí. Podrías pensar que después de un tiempo caerían cada vez más bajos en promedio, pero lo que sucede en cambio es que hay más partículas, es decir, una mayor densidad, en la parte inferior que en la parte superior. Y las que están en la parte muy baja no caen más porque rebotan en el suelo. Si se pegaran al suelo, entonces toda la atmósfera caería y caería hasta que estuviera toda pegada al suelo. Pero rebotan, y así proporcionan una capa de gas cerca del suelo. Esta capa luego sostiene a la que está arriba, gracias a las colisiones: las partículas que llegan desde arriba rebotan hacia arriba de nuevo. Y esa capa a su vez sostiene a la siguiente capa. Y así sucesivamente.
Entonces, toda la atmósfera es dinámica: entre colisiones cada partícula tiene una aceleración hacia abajo. Durante las colisiones, las dos partículas rebotan entre sí. Hay una mayor densidad más abajo, lo que resulta en más colisiones dirigidas hacia arriba para una partícula en movimiento hacia abajo que para una en movimiento hacia arriba.
Todo esto se puede capturar precisamente en ecuaciones, pero supuse que preferías la imagen en palabras.
3B. Pero ¿qué pasaría si las moléculas en el aire no chocaran entre sí, solo con el suelo? ¿Caería entonces la atmósfera?
Este es un párrafo adicional sugerido por algunos comentarios útiles de nanoman. Señala que en el escenario donde las moléculas no chocan entre sí, seguirían elevándose alto en la atmósfera después de rebotar en el suelo, siguiendo enormes parábolas alrededor de 10 kilómetros de altura, ¡y en general la distribución de densidad seguiría siendo la misma! En este caso, la atmósfera se va volviendo más delgada a medida que subes porque hay menos moléculas con suficiente energía para llegar tan alto. La discusión anterior en términos de capas es adecuada para la atmósfera real, porque en promedio las moléculas solo viajan distancias pequeñas (menos de un micrón) antes de chocar.
P.D. Me gustaría añadir que la palabra 'rebote' no es del todo correcta para lo que ocurre cuando las moléculas de aire golpean el suelo. De hecho, en su mayoría llegan y se adhieren por un tiempo muy corto llamado 'tiempo de residencia', y luego son sacudidos o golpeados y salen a toda velocidad en una dirección aleatoria. La energía de las moléculas que salen de este proceso es, en promedio, igual a la energía de equilibrio térmico con la que llegaron. Entonces, después de promediar en el tiempo, el efecto neto es como un rebote.
