- caractéristiques
- Comportement
- Propriétés de l'atmosphère
- État physique de l'exosphère: plasma
- Composition chimique
- Vitesse de fuite moléculaire de l'exosphère
- Température
- Caractéristiques
- Références
L' exosphère est la couche la plus externe de l'atmosphère d'une planète ou d'un satellite, constituant la limite supérieure ou frontière avec l'espace extra-atmosphérique. Sur la planète Terre, cette couche s'étend au-dessus de la thermosphère (ou ionosphère), à partir de 500 km au-dessus de la surface de la Terre.
L'exosphère terrestre a une épaisseur d'environ 10 000 km et est constituée de gaz très différents de ceux qui composent l'air que nous respirons à la surface de la Terre.
Figure 1. Couches de l'atmosphère terrestre. Source: Esteban1216, de Wikimedia Commons Dans l'exosphère, la densité des molécules gazeuses et la pression sont minimales, tandis que la température est élevée et reste constante. Dans cette couche, les gaz sont dispersés et s'échappent dans l'espace.
caractéristiques
L'exosphère constitue la couche de transition entre l'atmosphère terrestre et l'espace interplanétaire. Il a des caractéristiques physiques et chimiques très intéressantes, et il remplit d'importantes fonctions de protection de la planète Terre.
Comportement
La principale caractéristique qui définit l'exosphère est qu'elle ne se comporte pas comme un fluide gazeux, comme les couches internes de l'atmosphère. Ses particules constitutives s'échappent constamment dans l'espace extra-atmosphérique.
Le comportement de l'exosphère est le résultat d'un ensemble de molécules ou d'atomes individuels, qui suivent leur propre trajectoire dans le champ gravitationnel de la Terre.
Propriétés de l'atmosphère
Les propriétés qui définissent l'atmosphère sont: la pression (P), la densité ou la concentration des gaz constitutifs (nombre de molécules / V, où V est le volume), la composition et la température (T). Dans chaque couche de l'atmosphère, ces quatre propriétés varient.
Ces variables n'agissent pas indépendamment, mais sont liées par la loi des gaz:
P = dRT, où d = nombre de molécules / V et R est la constante des gaz.
Cette loi n'est remplie que s'il y a suffisamment de collisions entre les molécules qui composent le gaz.
Dans les couches inférieures de l'atmosphère (troposphère, stratosphère, mésosphère et thermosphère), le mélange de gaz qui le compose peut être traité comme un gaz ou un fluide compressible, dont la température, la pression et la densité sont liées par la loi de les gaz.
En augmentant la hauteur ou la distance de la surface terrestre, la pression et la fréquence des collisions entre les molécules de gaz diminuent considérablement.
A 600 km d'altitude et au-dessus de ce niveau, l'atmosphère doit être considérée différemment, puisqu'elle ne se comporte plus comme un gaz ou un fluide homogène.
État physique de l'exosphère: plasma
L'état physique de l'exosphère est celui du plasma, qui est défini comme le quatrième état d'agrégation ou état physique de la matière.
Le plasma est un état fluide, où pratiquement tous les atomes sont sous forme ionique, c'est-à-dire que toutes les particules ont des charges électriques et qu'il y a des électrons libres présents, non liés à une molécule ou à un atome. Il peut être défini comme un milieu fluide de particules à charges électriques positives et négatives, électriquement neutres.
Le plasma présente des effets moléculaires collectifs importants, tels que sa réponse à un champ magnétique, formant des structures telles que des rayons, des filaments et des doubles couches. L'état physique du plasma, en mélange sous forme de suspension d'ions et d'électrons, a la propriété d'être un bon conducteur d'électricité.
C'est l'état physique le plus courant dans l'univers, formant des plasmas interplanétaires, interstellaires et intergalactiques.
Figure 2. Atmosphère terrestre, en arrière-plan la lune. Source: NASA, via Wikimedia Commons
Composition chimique
La composition de l'atmosphère varie avec l'altitude ou la distance de la surface de la Terre. La composition, l'état de mélange et le degré d'ionisation sont des facteurs déterminants pour distinguer la structure verticale dans les couches de l'atmosphère.
Le mélange gazeux dû à la turbulence est pratiquement nul, et ses composants gazeux se séparent rapidement par diffusion.
Dans l'exosphère, le mélange de gaz est limité par le gradient de température. Le mélange gazeux dû à la turbulence est pratiquement nul, et ses composants gazeux se séparent rapidement par diffusion. Au-dessus de 600 km d'altitude, des atomes individuels peuvent s'échapper de l'attraction gravitationnelle de la Terre.
L'exosphère contient de faibles concentrations de gaz légers tels que l'hydrogène et l'hélium. Ces gaz sont largement dispersés dans cette couche, avec de très grands vides entre eux.
L'exosphère a également d'autres gaz moins légers dans sa composition, tels que l'azote (N 2), l'oxygène (O 2) et le dioxyde de carbone (CO 2), mais ceux-ci sont situés près de l'exobase ou baropause (zone de l'exosphère qui limite avec la thermosphère ou l'ionosphère).
Vitesse de fuite moléculaire de l'exosphère
Dans l'exosphère, les densités moléculaires sont très faibles, c'est-à-dire qu'il y a très peu de molécules par unité de volume, et la majeure partie de ce volume est un espace vide.
Tout simplement parce qu'il y a d'énormes espaces vides, les atomes et les molécules peuvent parcourir de grandes distances sans se heurter. Les probabilités de collisions entre molécules sont très faibles, pratiquement nulles.
En l'absence de collisions, les atomes d'hydrogène (H) et d'hélium (He) plus légers et plus rapides peuvent atteindre des vitesses telles qu'elles leur permettent d'échapper au champ d'attraction gravitationnel de la planète et de sortir de l'exosphère dans l'espace interplanétaire..
La fuite dans l'espace des atomes d'hydrogène de l'exosphère (estimée à environ 25 000 tonnes par an), a sûrement contribué à des changements majeurs dans la composition chimique de l'atmosphère tout au long de l'évolution géologique.
Le reste des molécules de l'exosphère, hormis l'hydrogène et l'hélium, ont des vitesses moyennes faibles et n'atteignent pas leur vitesse de fuite. Pour ces molécules, le taux de fuite vers l'espace extra-atmosphérique est faible et la fuite se produit très lentement.
Température
Dans l'exosphère, le concept de température comme mesure de l'énergie interne d'un système, c'est-à-dire de l'énergie du mouvement moléculaire, perd de son sens, car il y a très peu de molécules et beaucoup d'espace vide.
Des études scientifiques rapportent des températures d'exosphère extrêmement élevées, de l'ordre de 1500 K (1773 ° C) en moyenne, qui restent constantes avec la hauteur.
Caractéristiques
L'exosphère fait partie de la magnétosphère, puisque la magnétosphère s'étend entre 500 km et 600 000 km de la surface de la Terre.
La magnétosphère est la zone où le champ magnétique d'une planète dévie le vent solaire, qui est chargé de particules de très haute énergie, nocives pour toutes les formes de vie connues.
C'est ainsi que l'exosphère constitue une couche de protection contre les particules de haute énergie émises par le Soleil.
Références
- Brasseur, G. et Jacob, D. (2017). Modélisation de la chimie atmosphérique. Cambridge: Cambridge University Press.
- Hargreaves, JK (2003). L'environnement solaire-terrestre. Cambridge: Cambridge University Press.
- Kameda, S., Tavrov, A., Osada, N., Murakami, G., Keigo, K. et al. (2018). Spectroscopie VUV pour l'exosphère exoplanétaire terrestre. Congrès européen des sciences planétaires 2018. Résumés d'EPSC. Vol.12, EPSC2018-621.
- Ritchie, G. (2017). Chimie atmosphérique. Oxford: World Scientific.
- Tinsley, BA, Hodges, RR et Rohrbaugh, RP (1986). Modèles de Monte Carlo pour l'exosphère terrestre sur un cycle solaire. Journal of Geophysical Research: Space Physics Banner. 91 (A12): 13631-13647. doi: 10.1029 / JA091iA12p13631.