EGZOSFERA: CHARAKTERYSTYKA, SKŁAD, FUNKCJE I TEMPERATURA - ŚRODOWISKO - 2025

Exosphere jest zewnętrzna warstwa atmosferze planety lub satelitarnej, stanowiących górną granicę lub graniczy z przestrzenią zewnętrzną. Na planecie Ziemia ta warstwa rozciąga się ponad termosferą (lub jonosferą), od 500 km nad powierzchnią ziemi.

Egzosfera ziemska ma grubość około 10 000 km i składa się z gazów bardzo różniących się od tych, które tworzą powietrze, którym oddychamy na powierzchni Ziemi.

Rysunek 1. Warstwy atmosfery ziemskiej. Źródło: Esteban1216, z Wikimedia Commons W egzosferze zarówno gęstość cząsteczek gazowych, jak i ciśnienie są minimalne, podczas gdy temperatura jest wysoka i pozostaje stała. W tej warstwie gazy ulegają rozproszeniu, uciekając w przestrzeń kosmiczną.

cechy

Egzosfera stanowi warstwę przejściową między atmosferą ziemską a przestrzenią międzyplanetarną. Posiada bardzo ciekawe właściwości fizyko-chemiczne i spełnia ważne funkcje ochrony planety Ziemi.

Zachowanie

Główną cechą definiującą egzosferę jest to, że nie zachowuje się jak płyn gazowy, jak wewnętrzne warstwy atmosfery. Jego cząsteczki składowe nieustannie uciekają w przestrzeń kosmiczną.

Zachowanie egzosfery jest wynikiem zestawu pojedynczych cząsteczek lub atomów, które podążają własną trajektorią w ziemskim polu grawitacyjnym.

Właściwości atmosfery

Właściwości definiujące atmosferę to: ciśnienie (P), gęstość lub stężenie gazów składowych (liczba cząsteczek / V, gdzie V to objętość), skład i temperatura (T). W każdej warstwie atmosfery te cztery właściwości są różne.

Te zmienne nie działają niezależnie, ale są powiązane prawem gazowym:

P = dRT, gdzie d = liczba cząsteczek / V, a R jest stałą gazową.

To prawo jest spełnione tylko wtedy, gdy jest wystarczająco dużo zderzeń między cząsteczkami tworzącymi gaz.

W niższych warstwach atmosfery (troposferze, stratosferze, mezosferze i termosferze) mieszaninę gazów, które ją tworzą, można traktować jako gaz lub płyn, który można sprężać, którego temperatura, ciśnienie i gęstość są powiązane prawem gazy.

Zwiększając wysokość lub odległość od powierzchni ziemi, znacznie spada ciśnienie i częstotliwość zderzeń między cząsteczkami gazu.

Na wysokości 600 km i powyżej tego poziomu atmosferę należy rozpatrywać w inny sposób, ponieważ nie zachowuje się już jak gaz lub jednorodny płyn.

Stan fizyczny egzosfery: plazma

Stan fizyczny egzosfery to stan plazmy, który definiuje się jako czwarty stan skupienia lub fizyczny stan materii.

Plazma jest stanem płynnym, w którym praktycznie wszystkie atomy są w postaci jonowej, to znaczy wszystkie cząstki mają ładunki elektryczne i są obecne wolne elektrony, niezwiązane z żadną cząsteczką ani atomem. Można go zdefiniować jako płynny ośrodek cząstek o dodatnich i ujemnych ładunkach elektrycznych, elektrycznie obojętny.

Plazma wykazuje ważne zbiorowe efekty molekularne, takie jak odpowiedź na pole magnetyczne, tworząc struktury, takie jak promienie, włókna i podwójne warstwy. Stan fizyczny plazmy, jako mieszaniny w postaci zawiesiny jonów i elektronów, ma właściwość dobrego przewodnika elektryczności.

Jest to najpowszechniejszy stan fizyczny we Wszechświecie, tworzący plazmy międzyplanetarne, międzygwiazdowe i międzygalaktyczne.

Rysunek 2. Atmosfera ziemska, w tle księżyc. Źródło: NASA, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Skład chemiczny

Skład atmosfery zmienia się w zależności od wysokości lub odległości od powierzchni Ziemi. Skład, stan wymieszania i stopień jonizacji są czynnikami decydującymi o rozróżnieniu struktury pionowej warstw atmosfery.

Mieszanina gazów z powodu turbulencji jest praktycznie zerowa, a jej składniki gazowe szybko rozdzielają się na drodze dyfuzji.

W egzosferze mieszanina gazów jest ograniczona gradientem temperatury. Mieszanina gazów z powodu turbulencji jest praktycznie zerowa, a jej składniki gazowe szybko rozdzielają się na drodze dyfuzji. Na wysokości ponad 600 km pojedyncze atomy mogą uciec przed siłą grawitacji Ziemi.

Egzosfera zawiera niewielkie stężenia lekkich gazów, takich jak wodór i hel. Gazy te są szeroko rozproszone w tej warstwie, z bardzo dużymi pustkami między nimi.

Egzosfera ma w swoim składzie również inne, mniej lekkie gazy, takie jak azot (N ₂ ), tlen (O ₂ ) i dwutlenek węgla (CO ₂ ), ale są one zlokalizowane w pobliżu egzobazy lub baropauzy (obszar egzosfery, który ogranicza z termosferą lub jonosferą).

Prędkość ucieczki cząsteczek z egzosfery

W egzosferze gęstości molekularne są bardzo niskie, to znaczy na jednostkę objętości przypada bardzo mało cząsteczek, a większość tej objętości to pusta przestrzeń.

Tylko dlatego, że istnieją ogromne puste przestrzenie, atomy i cząsteczki mogą podróżować na duże odległości bez zderzania się ze sobą. Prawdopodobieństwo zderzeń między cząsteczkami jest bardzo małe, praktycznie zerowe.

W przypadku braku zderzeń lżejsze i szybsze atomy wodoru (H) i helu (He) mogą osiągać prędkości, które pozwolą im uciec z grawitacyjnego pola przyciągania planety i opuścić egzosferę w przestrzeń międzyplanetarną. .

Ucieczka w przestrzeń atomów wodoru z egzosfery (szacowana na około 25 000 ton rocznie) z pewnością przyczyniła się do poważnych zmian w składzie chemicznym atmosfery w trakcie ewolucji geologicznej.

Reszta cząsteczek w egzosferze, oprócz wodoru i helu, ma małe średnie prędkości i nie osiąga prędkości ucieczki. W przypadku tych cząsteczek szybkość ucieczki w przestrzeń kosmiczną jest niska, a ucieczka zachodzi bardzo wolno.

Temperatura

W egzosferze pojęcie temperatury jako miary energii wewnętrznej układu, czyli energii ruchu cząsteczek, traci znaczenie, ponieważ cząsteczek jest bardzo mało, a pustej przestrzeni jest dużo.

Badania naukowe wskazują na wyjątkowo wysokie temperatury egzosfery, średnio rzędu 1500 K (1773 ° C), które pozostają stałe wraz z wysokością.

cechy

Egzosfera jest częścią magnetosfery, ponieważ magnetosfera rozciąga się od 500 km do 600 000 km od powierzchni Ziemi.

Magnetosfera to obszar, w którym pole magnetyczne planety odbija wiatr słoneczny, który jest obciążony cząstkami o bardzo wysokiej energii, szkodliwymi dla wszystkich znanych form życia.

W ten sposób egzosfera tworzy warstwę ochronną przed wysokoenergetycznymi cząstkami emitowanymi przez Słońce.

Bibliografia

1. Brasseur, G. i Jacob, D. (2017). Modelowanie chemii atmosfery. Cambridge: Cambridge University Press.
2. Hargreaves, JK (2003). Środowisko słoneczno-lądowe. Cambridge: Cambridge University Press.
3. Kameda, S., Tavrov, A., Osada, N., Murakami, G., Keigo, K. i in. (2018). Spektroskopia VUV dla ziemskiej egzoplanetarnej egzosfery. Europejski Kongres Nauk Planetarnych 2018. Streszczenia EPSC. Vol. 12, EPSC2018-621.
4. Ritchie, G. (2017). Chemia atmosfery. Oxford: World Scientific.
5. Tinsley, BA, Hodges, RR i Rohrbaugh, RP (1986). Modele Monte Carlo dla ziemskiej egzosfery w cyklu słonecznym. Journal of Geophysical Research: sztandar fizyki kosmicznej. 91 (A12): 13631-13647. doi: 10.1029 / JA091iA12p13631.