Экзосфера — это тонкий, подобный атмосфере объем, окружающий планету или естественный спутник , где молекулы гравитационно связаны с этим телом, но где плотность настолько мала, что молекулы по существу не сталкиваются. [1] В случае тел с существенной атмосферой, таких как атмосфера Земли , экзосфера — это самый верхний слой, где атмосфера истончается и сливается с внешним пространством . Она расположена прямо над термосферой . О ней очень мало известно из-за отсутствия исследований . Меркурий , Луна , Церера , Европа и Ганимед имеют поверхностные пограничные экзосферы, которые являются экзосферами без более плотной атмосферы под ними. Экзосфера Земли в основном состоит из водорода и гелия , с некоторыми более тяжелыми атомами и молекулами вблизи основания. [2]
Меркурий , Церера и несколько крупных естественных спутников, таких как Луна , Европа и Ганимед , имеют экзосферы без более плотной атмосферы под ними, [3] называемые экзосферой с поверхностной границей . [4] Здесь молекулы выбрасываются по эллиптическим траекториям, пока не столкнутся с поверхностью. Более мелкие тела, такие как астероиды, в которых молекулы, выброшенные с поверхности, улетают в космос, не считаются имеющими экзосферы.
Наиболее распространенными молекулами в экзосфере Земли являются молекулы самых легких атмосферных газов. Водород присутствует во всей экзосфере, а также некоторое количество гелия , углекислого газа и атомарного кислорода вблизи ее основания. Поскольку может быть трудно определить границу между экзосферой и внешним пространством, экзосферу можно считать частью межпланетной среды или внешнего пространства .
Экзосфера Земли формирует геокорону Земли .
Нижняя граница экзосферы называется термопаузой или экзобазой . Ее также называют критической высотой , поскольку это высота, на которой барометрические условия больше не действуют. Температура атмосферы становится почти постоянной выше этой высоты. [5] На Земле высота экзобазы колеблется от 500 до 1000 километров (от 310 до 620 миль ) в зависимости от солнечной активности. [6]
Экзобазу можно определить одним из двух способов:
Если мы определим экзобазу как высоту, на которой движущиеся вверх молекулы испытывают в среднем одно столкновение, то в этом положении средний свободный пробег молекулы равен одной высоте шкалы давления . Это показано ниже. Рассмотрим объем воздуха с горизонтальной площадью и высотой, равными среднему свободному пробегу , при давлении и температуре . Для идеального газа число молекул, содержащихся в нем, равно:
где — постоянная Больцмана . Из требования, чтобы каждая молекула, движущаяся вверх, в среднем испытывала одно столкновение, давление равно:
где - средняя молекулярная масса газа. Решение этих двух уравнений дает:
что является уравнением для высоты шкалы давления. Поскольку высота шкалы давления почти равна высоте шкалы плотности первичной составляющей, и поскольку число Кнудсена является отношением средней длины свободного пробега к типичной шкале флуктуации плотности, это означает, что экзобаза лежит в области, где .
Колебания высоты экзобазы важны, поскольку они оказывают атмосферное сопротивление на спутники, что в конечном итоге приводит к их падению с орбиты , если не предпринимать никаких действий по ее поддержанию.
В принципе, экзосфера охватывает расстояния, на которых частицы все еще гравитационно связаны с Землей , то есть частицы все еще имеют баллистические орбиты, которые вернут их обратно к Земле. Верхнюю границу экзосферы можно определить как расстояние, на котором влияние давления солнечного излучения на атомарный водород превышает влияние гравитационного притяжения Земли. Это происходит на половине расстояния до Луны или где-то в районе 200 000 километров (120 000 миль). Экзосфера, наблюдаемая из космоса как геокорона , простирается по крайней мере на 100 000 километров (62 000 миль) от поверхности Земли. [7]
Если атмосфера небесного тела очень разреженная, как атмосфера Луны или Меркурия , то вся атмосфера считается экзосферой. [8]
Существует множество гипотез о формировании экзосферы поверхности Меркурия , которая, как было отмечено, включает такие элементы, как натрий (Na), калий (K) и кальций (Ca). [9] Каждый материал был предложен в качестве результата таких процессов, как удары, солнечный ветер и дегазация из земного тела, которые заставляют атомы или молекулы формировать экзосферу планеты. [9]
Сообщалось, что метеороиды обычно сталкиваются с поверхностью Меркурия на скоростях до 80 км/с, что способно вызвать испарение как метеора, так и поверхностного реголита при контакте. [10] Эти выбросы могут привести к образованию облаков смешанных материалов из-за силы удара, которые способны переносить газообразные материалы и соединения в экзосферу Меркурия. Во время удара бывшие элементы сталкивающихся тел в основном распадаются на атомы, а не на молекулы, которые затем могут быть преобразованы в процессе охлаждения и закалки. Были обнаружены такие материалы, как Na, NaOH и O 2 . [10] Однако предполагается, что, хотя различные формы натрия были выброшены в экзосферу Меркурия в результате удара метеорита, он является небольшим драйвером для концентрации как атомов натрия, так и атомов калия в целом. [10] Кальций, скорее всего, является результатом ударов, хотя считается, что его транспортировка завершается фотолизом его бывших оксидов или гидроксидов, а не атомов, высвобождаемых в момент удара, таких как натрий, калий и железо (Fe). [10]
Другой возможный метод формирования экзосферы Меркурия связан с его уникальными отношениями магнитосферы и солнечного ветра . Предполагается, что магнитосфера этого небесного тела является неполным щитом от выветривания солнечного ветра. Если это точно, в магнитосфере есть отверстия, через которые солнечный ветер может преодолеть магнитосферу, достичь тела Меркурия и распылить компоненты поверхности, которые становятся возможными источниками материала в экзосфере. [11] [12] Выветривание способно разрушать элементы, такие как натрий, и переносить их в атмосферу. Однако это явление не является постоянным и не может объяснить все атомы или молекулы экзосферы. [12]
