La exosfera es un volumen delgado, similar a la 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 de la Tierra , la exosfera es la capa más superior, donde la atmósfera se adelgaza y se fusiona con el espacio exterior . Está ubicada directamente sobre la termosfera . Se sabe muy poco sobre ella debido a la falta de investigación . Mercurio , la Luna , Ceres , Europa y Ganímedes tienen exosferas de límite superficial, que son exosferas sin una atmósfera más densa debajo. La exosfera de la Tierra es principalmente 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] conocida como exosfera de límite de superficie . [4] Aquí, las moléculas son expulsadas en trayectorias elípticas hasta que chocan con la superficie. Los cuerpos más pequeños, como los asteroides, en los que las moléculas emitidas desde la superficie escapan al espacio, no se consideran que tengan exosferas.
Las moléculas más comunes en 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 del espacio exterior .
La exosfera de la Tierra produce la geocorona de la Tierra .
El límite inferior de la exosfera se denomina termopausa o exobase . También se denomina altitud crítica , ya que es la altitud en la que ya no se dan las condiciones barométricas . La temperatura atmosférica se vuelve casi constante por encima de esta altitud. [5] En la Tierra, la altitud de la exobase varía entre unos 500 y 1000 kilómetros (310 a 620 mi ) 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 recorrido 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 iguales al recorrido libre medio , a presión y temperatura . Para un gas ideal , el número de moléculas que contiene es:
donde es la constante de Boltzmann . A partir del requisito de que cada molécula que se desplaza hacia arriba sufre en promedio una colisión, la presión es:
donde es la masa molecular media del gas. Resolviendo estas dos ecuaciones obtenemos:
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 recorrido 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 genera resistencia atmosférica sobre los satélites, lo que eventualmente provoca que caigan de la órbita si no se toman medidas para mantener la órbita.
En principio, la exosfera cubre distancias en las que las partículas todavía están gravitacionalmente ligadas a la Tierra , es decir, las partículas aún tienen órbitas balísticas que las llevarán de regreso hacia la Tierra. El límite superior de la exosfera puede definirse como la distancia a la que la influencia de la presión de la radiación solar sobre el hidrógeno atómico excede la de la atracción gravitatoria 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 ve que la exosfera, observable desde el espacio como la geocorona , se extiende al menos a 100.000 kilómetros (62.000 millas) de la superficie de la Tierra. [7]
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. [8]
Existen muchas hipótesis sobre la formación de la exosfera del límite superficial de Mercurio , que se ha observado que incluye elementos como sodio (Na), potasio (K) y calcio (Ca). [9] Se ha sugerido que cada material es el resultado de procesos como impactos, viento solar y desgasificación del cuerpo terrestre que hacen que los átomos o moléculas formen la exosfera del planeta. [9]
Se ha informado que los meteoroides impactan comúnmente en la superficie de Mercurio a velocidades que varían hasta 80 km/s, lo que es capaz de causar la vaporización tanto del meteoro como del regolito de la superficie al contacto. [10] Estas expulsiones pueden dar lugar a nubes de materiales mixtos debido a la fuerza del impacto, que son capaces de transportar materiales gaseosos y compuestos a la exosfera de Mercurio. Durante el impacto, los antiguos elementos de los cuerpos en colisión se descomponen 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 . [10] Sin embargo, se teoriza que, aunque se han liberado diferentes formas de sodio en la exosfera de Mercurio a través del impacto de meteoritos, es un pequeño impulsor de la concentración de átomos de sodio y potasio en general. [10] Es más probable que el calcio sea resultado de impactos, aunque se cree que su transporte se completa a través de 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). [10]
Otro posible método de formación de la exosfera de Mercurio se debe a su relación única entre la magnetosfera y el viento solar . Se plantea la hipótesis de que la magnetosfera de este cuerpo celeste es un escudo incompleto contra la erosión del viento solar. Si es cierto, existen aberturas en la magnetosfera por las que el viento solar puede sobrepasar la magnetosfera, alcanzar el cuerpo de Mercurio y pulverizar los componentes de la superficie que se convierten en posibles fuentes de material en la exosfera. [11] [12] La erosión es capaz de erosionar los elementos, como el sodio, y transportarlos a la atmósfera. Sin embargo, este fenómeno no es constante y no puede explicar todos los átomos o moléculas de la exosfera. [12]
