- Característiques
- comportament
- Propietats de l'atmosfera
- Estat físic de l'exosfera: el plasma
- composició química
- Velocitat molecular d'escapament de la exosfera
- temperatura
- funcions
- referències
La exosfera és la capa més externa de l'atmosfera d'un planeta o d'un satèl·lit, constituint el límit superior o frontera amb l'espai exterior. Al planeta Terra, aquesta capa s'estén per sobre de la termosfera (o ionosfera), des dels 500 km d'altura sobre la superfície terrestre.
La exósfera terrestre té uns 10.000 km de gruix i està constituïda per gasos molt diferents als que constitueixen l'aire que respirem a la superfície de la Terra.
Figura 1. Capes de l'atmosfera terrestre. Font: Esteban1216, from Wikimedia CommonsEn l'exosfera tant la densitat de molècules gasoses com la pressió són mínimes, mentre que la temperatura és alta i roman constant. En aquesta capa els gasos es dispersen escapant cap a l'espai exterior.
Característiques
L'exosfera constitueix la capa de transició entre l'atmosfera de la Terra i l'espai interplanetari. Té característiques físiques i químiques molt interessants, i compleix importants funcions de protecció de la planeta Terra.
comportament
La característica principal que defineix a l'exosfera és que no es comporta com un fluid gasós, com les capes interiors de l'atmosfera. Les partícules que la constitueixen escapen a l'espai exterior constantment.
El comportament de l'exosfera és el resultat d'un conjunt de molècules o àtoms individuals, els quals segueixen la seva pròpia trajectòria en el camp gravitacional terrestre.
Propietats de l'atmosfera
Les propietats que defineixen a l'atmosfera són: la pressió (P), la densitat o concentració dels gasos constituents (nombre de molècules / V, on V és el volum), la composició, i la temperatura (T). A cada capa de l'atmosfera aquestes quatre propietats varien.
Aquestes variables no actuen de manera independent, sinó que estan relacionades per la llei dels gasos:
P = DRT, on d = nombre de molècules / V i R és la constant dels gasos.
Aquesta llei es compleix només si hi ha prou xocs entre les molècules que constitueixen el gas.
A les capes inferiors de l'atmosfera (troposfera, estratosfera, mesosfera i termosfera), la barreja de gasos que la conformen poden tractar-se com un gas o fluid que pot comprimir-se, les temperatura, pressió i densitat, estan relacionades a través de la llei de els gasos.
A l'incrementar l'altura o distància a la superfície terrestre, la pressió i la freqüència dels xocs entre les molècules dels gasos disminueixen considerablement.
Als 600 km d'altura i per sobre d'aquest nivell, cal considerar a l'atmosfera d'una manera diferent, ja que ja no es comporta com un gas o un fluid homogeni.
Estat físic de l'exosfera: el plasma
L'estat físic de l'exosfera és el de plasma, el qual es defineix com el quart estat d'agregació o estat físic de la matèria.
El plasma és un estat de fluid, on pràcticament tots els àtoms estan en forma iònica, és a dir, totes les partícules presenten càrregues elèctriques i hi ha presència d'electrons lliures, no lligats a cap molècula o àtom. Pot definir-se com un mitjà fluid de partícules amb càrregues elèctriques positives i negatives, elèctricament neutre.
El plasma presenta efectes moleculars col·lectius importants, com la seva resposta a un camp magnètic, formant estructures com raigs, filaments i capes dobles. L'estat físic de l'plasma, com barreja en forma de suspensió d'ions i electrons, té la propietat de ser bon conductor de l'electricitat.
És l'estat físic més comú en l'univers, formant els plasmes interplanetaris, interestel·lars i intergalàctics.
Figura 2. Atmosfera terrestre, a el fons la lluna. Font: NASA, via Wikimedia Commons
composició química
La composició de l'atmosfera varia amb l'altitud o distància a la superfície de la Terra. La composició, l'estat de barreja i el grau d'ionització, són factors determinants per distingir l'estructura vertical en les capes de l'atmosfera.
La barreja de gasos per efecte de la turbulència és pràcticament nul·la, i els seus components gasosos se separen ràpidament per difusió.
En l'exosfera, la barreja dels gasos està restringida pel gradient de temperatura. La barreja de gasos per efecte de la turbulència és pràcticament nul·la, i els seus components gasosos se separen ràpidament per difusió. Per sobre dels 600 km d'altitud, els àtoms individuals poden escapar-de la força d'atracció gravitacional terrestre.
L'exosfera conté concentracions baixes de gasos lleugers com hidrogen i heli. Aquests gasos estan molt dispersos en aquesta capa, amb espais buits molt grans entre ells.
L'exosfera té també en la seva composició altres gasos menys lleugers, com nitrogen (N 2), oxigen (O 2) i diòxid de carboni (CO 2), però aquests estan situats prop de la exobase o baropausa (zona de l'exosfera que limita amb la termosfera o ionosfera).
Velocitat molecular d'escapament de la exosfera
En l'exosfera les densitats moleculars són molt baixes, és a dir, hi ha molt poques molècules per unitat de volum, i la major part d'aquest volum és espai buit.
A causa justament al fet que hi ha enormes espais buits, els àtoms i molècules poden traslladar-se a grans distàncies sense xocar entre si. Les probabilitats de xocs entre molècules són molt petites, pràcticament nul·les.
En aquesta absència de col·lisions, els àtoms d'hidrogen (H) i d'heli (He), més lleugers i més veloços, poden arribar a velocitats tals que els permeten escapar de el camp d'atracció gravitacional de la planeta i sortir de l'exosfera cap a l'espai interplanetari.
La fuita a l'espai d'àtoms d'hidrogen des de l'exosfera (estimat en unes 25.000 tones per any), ha contribuït amb seguretat a que ocorrin canvis importants en la composició química de l'atmosfera durant tota l'evolució geològica.
La resta de les molècules en l'exosfera, a part de l'hidrogen i de l'heli, tenen baixes velocitats mitjana i no aconsegueixen el seu velocitat d'escapament. Per a aquestes molècules, la taxa d'escapament a l'espai exterior és baixa, i la fuita passa molt lentament.
temperatura
En l'exosfera el concepte de temperatura com a mesura de l'energia interna d'un sistema, és a dir, de l'energia de el moviment molecular, perd significat, ja que hi ha molt poques molècules i molt espai buit.
Els estudis científics reporten temperatures a l'exosfera extremadament altes, de l'ordre dels 1500 K (1773 ° C) de mitjana, les quals romanen constants amb l'altura.
funcions
L'exosfera forma part de la magnetosfera, ja que la magnetosfera s'estén entre els 500 km i els 600.000 km de la superfície de la Terra.
La magnetosfera és la zona on el camp magnètic d'un planeta desvia a vent solar, el qual està carregat de partícules de molt alta energia, perjudicials per a totes les formes de vida conegudes.
És així com l'exosfera constitueix una capa de protecció contra les partícules d'alta energia emeses pel Sol.
referències
- Brasseur, G. and Jacob, D. (2017). Modeling of Atmospheric Chemistry. Cambridge: Cambridge University Press.
- Hargreaves, JK (2003). The solar-terrestrial environment. Cambridge: Cambridge University Press.
- Kameda, S., Tavrov, A., Agosarada, N., Murakami, G., Keigo, K. et al. (2018). VUV Spectroscopy for terrestrial exoplanetary exosphere. European Planetary Science Congress 2018. EPSC Abstracts. Vol. 12, EPSC2018-621.
- Ritchie, G. (2017). Atmospheric Chemistry. Oxford: World Scientific.
- Tinsley, BA, Hodges, RR and Rohrbaugh, RP (1986). Montecarlo models for the terrestrial exosphere over a solar cycle. Journal of Geophysical Research: Space Physics Banner. 91 (A12): 13.631-13.647. doi: 10.1029 / JA091iA12p13631.