La exosfera ( griego antiguo : ἔξω éxō "afuera, externo, más allá", griego antiguo : σφαῖρα sphaĩra "esfera") es un volumen delgado, parecido a una atmósfera, que rodea un planeta o satélite natural donde las moléculas están unidas gravitacionalmente a ese cuerpo, pero donde la densidad es tan baja que las moléculas esencialmente no colisionan. [1] En el caso de cuerpos con atmósferas sustanciales, como la atmósfera terrestre , la exosfera es la capa superior, donde la atmósfera se adelgaza y se fusiona con el espacio exterior . Se encuentra directamente encima de la termosfera . Se sabe muy poco al respecto debido a la falta de investigación . Mercurio , la Luna , Ceres , Europa y Ganímedes tienen exosferas límite superficiales, que son exosferas sin una atmósfera más densa debajo. La exosfera de la Tierra está compuesta principalmente de hidrógeno y helio , con algunos átomos y moléculas más pesados cerca de la base. [2]
Mercurio , Ceres y varios satélites naturales grandes, como la Luna , Europa y Ganímedes , tienen exosferas sin una atmósfera más densa debajo, [3] denominada exosfera límite superficial . [4] Aquí, las moléculas son expulsadas siguiendo trayectorias elípticas hasta que chocan con la superficie. No se considera que tengan exosfera los cuerpos más pequeños, como los asteroides, en los que las moléculas emitidas desde la superficie escapan al espacio.
Las moléculas más comunes dentro de la exosfera de la Tierra son las de los gases atmosféricos más ligeros. El hidrógeno está presente en toda la exosfera, con algo de helio , dióxido de carbono y oxígeno atómico cerca de su base. Debido a que puede resultar difícil definir el límite entre la exosfera y el espacio exterior, la exosfera puede considerarse parte del medio interplanetario o espacio exterior .
La exosfera de la Tierra produce la geocorona terrestre .
El límite inferior de la exosfera se llama termopausa o exobase . También se le llama altitud crítica , ya que es la altitud donde las condiciones barométricas ya no se aplican. La temperatura atmosférica se vuelve casi constante por encima de esta altitud. [5] En la Tierra, la altitud de la exobase varía de aproximadamente 500 a 1000 kilómetros (310 a 620 millas ), dependiendo de la actividad solar. [6]
La exobase se puede definir de dos maneras:
Si definimos la exobase como la altura a la que las moléculas que viajan hacia arriba experimentan una colisión en promedio, entonces en esta posición el camino libre medio de una molécula es igual a una altura de escala de presión . Esto se muestra a continuación. Considere un volumen de aire, con área horizontal y altura igual al recorrido libre medio , a presión y temperatura . Para un gas ideal , el número de moléculas que contiene es:
¿Dónde está la constante de Boltzmann ? A partir del requisito de que cada molécula que viaja hacia arriba sufre en promedio una colisión, la presión es:
donde es la masa molecular media del gas. Resolviendo estas dos ecuaciones se obtiene:
que es la ecuación para la altura de la escala de presión. Como la altura de la escala de presión es casi igual a la altura de la escala de densidad del constituyente primario, y debido a que el número de Knudsen es la relación entre el camino libre medio y la escala de fluctuación de densidad típica, esto significa que la exobase se encuentra en la región donde .
La fluctuación en la altura de la exobase es importante porque proporciona resistencia atmosférica a los satélites, lo que eventualmente hace que caigan de su órbita si no se toman medidas para mantener la órbita.
En principio, la exosfera cubre distancias en las que las partículas todavía están unidas gravitacionalmente a la Tierra , es decir, las partículas todavía tienen órbitas balísticas que las llevarán de regreso a la Tierra. El límite superior de la exosfera se puede definir como la distancia a la que la influencia de la presión de la radiación solar sobre el hidrógeno atómico excede la de la atracción gravitacional de la Tierra. Esto sucede a la mitad de la distancia a la Luna o en algún lugar cercano a los 200.000 kilómetros (120.000 millas). Se considera que la exosfera, observable desde el espacio como geocorona , se extiende hasta al menos 100.000 kilómetros (62.000 millas) de la superficie de la Tierra. [7] Otros científicos consideran que la exosfera termina a unos 10.000 kilómetros (6.200 millas). [8]
Si la atmósfera de un cuerpo celeste es muy tenue, como la atmósfera de la Luna o la de Mercurio , toda la atmósfera se considera exosfera. [9]
Existen muchas hipótesis sobre la formación de la exosfera límite superficial de Mercurio , que se ha observado que incluye elementos como sodio (Na), potasio (K) y calcio (Ca). [10] Cada material ha sido sugerido como resultado de procesos como impactos, viento solar y desgasificación del cuerpo terrestre que hacen que los átomos o moléculas formen la exosfera del planeta. [10]
Se ha informado que los meteoroides comúnmente impactan la superficie de Mercurio a velocidades que varían hasta 80 km/s, que son capaces de causar la vaporización tanto del meteoro como del regolito de la superficie al entrar en contacto. [11] Estas expulsiones pueden resultar en nubes de materiales mezclados debido a la fuerza del impacto, que son capaces de transportar materiales y compuestos gaseosos a la exosfera de Mercurio. Durante el impacto, los antiguos elementos de los cuerpos en colisión se convierten en su mayoría en átomos en lugar de moléculas que luego pueden reformarse durante un proceso de enfriamiento y extinción. Se han observado materiales como Na, NaOH y O 2 . [11] Sin embargo, se teoriza que, aunque se han liberado diferentes formas de sodio en la exosfera de Mercurio a través del impacto de un meteorito, es un pequeño impulsor de la concentración de átomos de sodio y potasio en general. [11] Es más probable que el calcio sea el resultado de impactos, aunque se cree que su transporte se completa mediante la fotólisis de sus óxidos o hidróxidos anteriores en lugar de átomos liberados durante el momento del impacto, como el sodio, el potasio y el hierro (Fe). . [11]
Otro posible método de formación de la exosfera de Mercurio se debe a su relación única entre la magnetosfera y el viento solar . Se supone que la magnetosfera de este cuerpo celeste es un escudo incompleto contra la erosión del viento solar. Si es exacto, hay aberturas en la magnetosfera en las que el viento solar puede superar la magnetosfera, alcanzar el cuerpo de Mercurio y chisporrotear los componentes de la superficie que se convierten en posibles fuentes de material en la exosfera. [12] [13] La meteorización es capaz de erosionar elementos, como el sodio, y transportarlos a la atmósfera. Sin embargo, esta ocurrencia no es constante y no puede explicar todos los átomos o moléculas de la exosfera. [13]
