Экзосфера – это самая внешняя и чрезвычайно разреженная область атмосферы Земли, где частицы газа сталкиваются друг с другом настолько редко, что могут двигаться по длинным баллистическим траекториям, а некоторые из них покидают планету. Она постепенно переходит в межпланетное пространство, поэтому у экзосферы нет резкой верхней поверхности, похожей на край оболочки.
Где начинается экзосфера
Атмосферу делят на слои по изменению температуры и физическим процессам. Над тропосферой находятся стратосфера, мезосфера и термосфера. Экзосфера начинается выше термопаузы – области, где термосфера переходит в режим крайне редких столкновений частиц.
В учебных схемах нижнюю границу часто помещают примерно на высоте 500–700 километров. Число не является универсальной линией. Высота перехода меняется из-за солнечной активности, состава газа и способа определения. Верхнюю границу также задают условно: в одних описаниях экзосфера тянется до нескольких тысяч километров, а крайне разреженная водородная геокорона обнаруживается значительно дальше, даже за орбитой Луны.
Понять место этого слоя проще в общей картине, которую даёт статья из чего состоит небо и атмосфера.
Почему газ там ведёт себя необычно
У поверхности молекулы воздуха постоянно сталкиваются. Именно множество столкновений позволяет описывать воздух как сплошную среду с привычными давлением, температурой и ветром. В экзосфере расстояние, которое частица проходит до следующего столкновения, сравнимо с масштабом всего слоя или превосходит его.
Поэтому отдельные атомы движутся почти независимо. После столкновения в нижней области частица может подняться по дуге, замедлиться под действием гравитации и вернуться. Другая может выйти на орбитальную траекторию. Самые быстрые частицы способны преодолеть земное притяжение и уйти в космос.
Слово «температура» здесь требует осторожности. Отдельные частицы могут иметь большую среднюю кинетическую энергию, соответствующую высокой температуре, но их настолько мало, что они не передадут человеку тепло так, как горячий плотный воздух. Экзосфера почти вакуум, а не раскалённая воздушная печь.
Из чего состоит экзосфера
В нижних слоях атмосферы преобладают азот и кислород. На большой высоте газы уже хуже перемешаны, и лёгкие частицы распространяются дальше тяжёлых. В экзосфере особенно важны атомарный водород и гелий, а в нижней части присутствует атомарный кислород и другие компоненты.
Водород вокруг Земли образует геокорону. Её можно наблюдать по ультрафиолетовому излучению солнечного света, рассеянному атомами водорода. Граница геокороны зависит от чувствительности приборов и выбранного критерия, поэтому новые наблюдения способны менять оценки её протяжённости.
Состав верхней атмосферы связан с долгой историей планеты. Как кислород стал заметной частью атмосферы, объясняет материал о формировании кислородной атмосферы Земли.
Как частицы покидают Землю
Чтобы навсегда уйти от планеты без дополнительного ускорения, частица должна иметь скорость, достаточную для преодоления гравитационного притяжения. На заданной высоте некоторая доля частиц в распределении скоростей движется быстрее средней. Лёгкому водороду достичь высокой скорости вероятнее, чем тяжёлой молекуле.
Этот тепловой механизм называют джинсовским ускользанием. Существуют и другие процессы: заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем и солнечным ветром, а химические реакции и поглощение излучения могут передавать частицам дополнительную энергию.
Утечка идёт медленно по человеческим меркам, но важна на геологических временах. Она помогает учёным сравнивать атмосферы Земли, Марса и других небесных тел и понимать, почему планеты сохраняют разные количества газа.
Где заканчивается атмосфера и начинается космос
Однозначной природной границы нет. Плотность воздуха уменьшается постепенно. Условная линия Кармана находится на высоте 100 километров и часто используется как граница космического пространства в авиационных и общественных обсуждениях. Но выше неё атмосфера не исчезает: термосфера и экзосфера продолжаются ещё очень далеко.
Линия Кармана связана не с последней молекулой газа, а с условиями полёта. На такой высоте воздух слишком разрежен, чтобы обычный самолёт поддерживал себя крылом без движения, близкого к орбитальному. Научное деление атмосферы решает другую задачу, поэтому две границы не обязаны совпадать.
Правда ли, что спутники летают в экзосфере
Некоторые спутники действительно движутся на высотах, относимых к экзосфере. Однако утверждение «все спутники находятся в экзосфере» неверно. Международная космическая станция летает примерно на высоте 400 километров, то есть обычно в термосфере. Низкоорбитальные аппараты чувствуют остаточное сопротивление атмосферы и постепенно теряют высоту.
На более высоких орбитах сопротивление слабее, но не исчезает полностью. Плотность верхней атмосферы меняется при солнечных и геомагнитных возмущениях, что влияет на движение спутников. Инженеры учитывают это при расчёте орбит и срока службы аппаратов.
Размещение телескопа над плотными слоями позволяет избежать поглощения и дрожания изображения. Зачем это важно, подробно объясняет статья почему телескоп Hubble работает в космосе.
Как исследуют почти пустой слой
Экзосферу нельзя изучать обычным метеозондом: плотность слишком мала, а высота слишком велика. Учёные используют спутниковые приборы, наблюдения ультрафиолетового свечения, измерение частиц и анализ изменения орбит аппаратов. Данные сравнивают с моделями движения газа и взаимодействия с солнечным излучением.
Особый интерес представляет реакция геокороны на космическую погоду. Солнечная активность нагревает и расширяет верхнюю атмосферу, меняет плотность и скорость утечки частиц. Наблюдения с разных направлений помогают восстановить трёхмерную структуру разреженного водородного облака.
Одного прибора для полной картины недостаточно. Спектрометры определяют состав частиц, ультрафиолетовые камеры регистрируют слабое свечение водорода, а радиотехнические наблюдения уточняют влияние среды на аппараты. Измерения проводят в разное время, поскольку верхняя атмосфера расширяется и сжимается. Совместный анализ показывает не условный неподвижный слой, а систему, постоянно реагирующую на Землю и Солнце.
Экзосфера таким образом является не пустой границей, а динамической переходной областью. В ней атмосфера уже не ведёт себя как привычный воздух, но земное притяжение и магнитное окружение всё ещё влияют на частицы. Именно постепенность этого перехода объясняет, почему у атмосферы нет твёрдого внешнего края.
