Экзосфера

Экзосфера — это внешний, самый разреженный слой атмосферы планеты или другого небесного тела, расположенный выше термосферы. В экзосфере газ настолько разрежён, что частицы (атомы и молекулы) могут преодолевать гравитационное притяжение тела и улетать в межпланетное или межзвёздное пространство, не сталкиваясь друг с другом. Экзосфера является переходной зоной между собственно атмосферой и космическим пространством.

Определение и границы

Экзосфера начинается на высоте, где длина свободного пробега частиц (среднее расстояние, которое частица пролетает до столкновения с другой) становится сравнима с масштабом высоты атмосферы. На практике это означает, что столкновения между частицами становятся крайне редкими. Нижняя граница экзосферы называется экзобазой. Выше экзобазы частицы движутся по баллистическим траекториям, и некоторые из них, достигнув второй космической скорости, покидают планету навсегда (процесс, известный как атмосферная диссипация, или улетучивание).

Верхняя граница экзосферы чётко не определена; она постепенно переходит в космический вакуум. Для Земли высота экзобазы варьируется в зависимости от солнечной активности и составляет примерно от 500 до 1000 км над поверхностью. Внешняя часть экзосферы Земли простирается до высот в десятки тысяч километров, захватывая область, где находится геокорона — облако разрежённого водорода, светящееся в ультрафиолетовом диапазоне.

Состав и свойства

Состав экзосферы зависит от планеты и её гравитационного поля. В основном она состоит из самых лёгких газов, которые не удерживаются более низкими слоями атмосферы: водорода (H), гелия (He), а также атомарного кислорода (O) и азота (N) на Земле. Тяжёлые газы, такие как углекислый газ или азот, на таких высотах практически отсутствуют из-за их большей массы и, соответственно, более низкой тепловой скорости.

Ключевые свойства экзосферы:

• Коллизионность: Частицы практически не сталкиваются друг с другом. Это отличает экзосферу от нижележащих слоёв, где газ ведёт себя как непрерывная среда.
• Температура: Из-за низкой плотности понятие «температура» в экзосфере теряет привычный смысл. Кинетическая энергия отдельных частиц может быть очень высокой (до тысяч градусов Кельвина), но они не могут передать эту энергию друг другу или остыть. Поэтому температура газа в экзосфере часто называют кинетической температурой, которая может достигать 1500–2000 K на Земле.
• Диссипация: Основной процесс в экзосфере — это утечка газов в космос. Скорость диссипации зависит от массы частицы, температуры экзосферы и гравитации планеты. Лёгкие газы (водород, гелий) улетучиваются быстрее, чем тяжёлые.
• Неравновесность: Распределение частиц по скоростям в экзосфере не является максвелловским (равновесным). Частицы с высокой энергией (хвост распределения) могут покидать планету, а частицы с низкой — оставаться на баллистических орбитах.

Экзосфера Земли

Земная экзосфера начинается на высоте примерно 500–1000 км и простирается до 100 000 км (примерно до трети расстояния до Луны). В её состав входят:

• Геокорона: Область, состоящая в основном из атомарного водорода, который рассеивает солнечный ультрафиолет, создавая свечение. Геокорона была обнаружена по данным спутников в 1970-х годах.
• Плазмосфера: Внутренняя часть экзосферы, где присутствует плазма (ионизированный газ), удерживаемая магнитным полем Земли. Плазмосфера простирается до высот около 20 000 км (геостационарная орбита).

Экзосфера Земли играет важную роль в эволюции атмосферы: через неё происходит постепенная потеря водорода, что, по одной из гипотез, могло повлиять на окислительно-восстановительные условия на ранней Земле. Однако из-за сильной гравитации Земли потери гелия и водорода относительно невелики по сравнению с планетами с меньшей массой.

Экзосфера других небесных тел

Экзосфера характерна не только для планет с плотной атмосферой, но и для многих тел Солнечной системы, чья гравитация слишком слаба, чтобы удерживать газовую оболочку.

Луна

У Луны нет классической атмосферы, но есть крайне разрежённая экзосфера (так называемая лунная экзосфера). Её плотность составляет около 10⁶ частиц на кубический сантиметр (для сравнения: у поверхности Земли — около 10¹⁹). Состав: гелий, аргон, натрий, калий, водород. Источниками частиц служат солнечный ветер, микрометеориты и дегазация лунного грунта (реголита). Лунная экзосфера была впервые обнаружена советской станцией «Луна-12» в 1966 году, а затем изучена американскими миссиями «Аполлон».

Меркурий

У Меркурия также обнаружена экзосфера, состоящая из атомов натрия, калия, кальция, магния и водорода. Её плотность крайне низка, а частицы быстро улетучиваются в космос из-за слабой гравитации и близости к Солнцу. Состав экзосферы Меркурия изучался с помощью зонда MESSENGER (NASA).

Марс

У Марса есть разрежённая атмосфера, которая на высотах около 200–250 км переходит в экзосферу. Из-за слабой гравитации Марса (около 38% земной) потеря газов (особенно водорода и кислорода) происходит интенсивно. Этот процесс, наряду с отсутствием магнитного поля, считается одной из причин, по которой Марс потерял большую часть своей древней плотной атмосферы.

Другие тела

Экзосферы обнаружены у многих спутников планет-гигантов (например, у Европы, Ганимеда, Титана) и у карликовых планет (например, у Цереры). У некоторых тел, таких как Ио (спутник Юпитера), экзосфера может быть результатом вулканической активности.

Значение и изучение

Изучение экзосфер имеет несколько важных аспектов:

• Эволюция атмосфер: Анализ состава и скорости диссипации экзосфер позволяет понять, как планеты теряют свои атмосферы со временем. Это ключевой вопрос для понимания климатической истории Земли, Марса, Венеры и экзопланет.
• Космическая погода: Экзосфера влияет на работу космических аппаратов, особенно на низких орбитах. Разрежённые газы создают тормозящее сопротивление, а ионизированные частицы могут вызывать электрические разряды и повреждения электроники.
• Астрофизика: Экзосферы планет и спутников служат естественными лабораториями для изучения физики разреженных газов, взаимодействия с солнечным ветром и магнитными полями.
• Поиск жизни: Наличие или отсутствие экзосферы у экзопланет может дать информацию о возможности существования на них жидкой воды и атмосферы, пригодной для жизни.

Интересные факты

• Частицы из экзосферы Земли, улетевшие в космос, могут временно захватываться гравитацией Луны, образуя так называемую «лунную атмосферу» из земного водорода.
• Из-за высокой кинетической температуры экзосферы (до 2000 K) космические аппараты на высоте 500–1000 км испытывают значительный нагрев, несмотря на крайне низкую плотность газа.
• На Венере экзосфера начинается на высоте около 250 км, но из-за мощного парникового эффекта и высокой температуры поверхности её состав (в основном углекислый газ) отличается от земной.

Источники

1. Атмосфера Земли и других планет / Под ред. В. И. Мороза. — М.: Наука, 1980.
2. Хорн Б. Экзосфера Земли // Успехи физических наук. — 1973. — Т. 111, вып. 1.
3. Banks P. M., Kockarts G. Aeronomy. — Academic Press, 1973.
4. Chamberlain J. W. Theory of Planetary Atmospheres. — Academic Press, 1978.
5. Mendillo M. et al. The Earth’s Exosphere: A Multi-Layered System // Space Science Reviews. — 2002. — Vol. 101, № 1–2.
6. NASA. Lunar Exosphere (данные миссий LADEE, Apollo).
7. ESA. Mars Express: Exosphere and Atmospheric Evolution (научные публикации).