Exosfera: características, composición, funciones y temperatura
La exosfera es la capa más externa de la atmósfera de un planeta o de un satélite, constituyendo el límite superior o frontera con el espacio exterior. En el planeta Tierra, esta capa se extiende por encima de la termosfera (o ionosfera), desde los 500 km de altura sobre la superficie terrestre.
La exósfera terrestre tiene unos 10.000 Km de espesor y esta constituida por gases muy diferentes a los que constituyen el aire que respiramos en la superficie de la Tierra.
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La exosfera constituye la capa de transición entre la atmósfera de la Tierra y el espacio interplanetario. Tiene características físicas y químicas muy interesantes, y cumple importantes funciones de protección del planeta Tierra.
La característica principal que define a la exosfera es que no se comporta como un fluido gaseoso, como las capas interiores de la atmósfera. Las partículas que la constituyen escapan al espacio exterior constantemente.
El comportamiento de la exosfera es el resultado de un conjunto de moléculas o átomos individuales, los cuales siguen su propia trayectoria en el campo gravitacional terrestre.
Las propiedades que definen a la atmósfera son: la presión (P), la densidad o concentración de los gases constituyentes (número de moléculas/V, donde V es el volumen), la composición, y la temperatura (T). En cada capa de la atmósfera estas cuatro propiedades varían.
Estas variables no actúan de manera independiente, sino que están relacionadas por la ley de los gases:
P=d.R.T, donde d= número de moléculas/V y R es la constante de los gases.
Esta ley se cumple solamente si existen suficientes choques entre las moléculas que constituyen el gas.
En las capas inferiores de la atmósfera (troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera), la mezcla de gases que la conforman pueden tratarse como un gas o fluido que puede comprimirse, cuyas temperatura, presión y densidad, están relacionadas a través de la ley de los gases.
Al incrementar la altura o distancia a la superficie terrestre, la presión y la frecuencia de los choques entre las moléculas de los gases disminuyen considerablemente.
A los 600 Km de altura y por encima de este nivel, hay que considerar a la atmósfera de una manera diferente, puesto que ya no se comporta como un gas o un fluido homogéneo.
El estado físico de la exosfera es el de plasma, el cual se define como el cuarto estado de agregación o estado físico de la materia.
El plasma es un estado de fluido, donde prácticamente todos los átomos están en forma iónica, es decir, todas las partículas presentan cargas eléctricas y hay presencia de electrones libres, no ligados a ninguna molécula o átomo. Puede definirse como un medio fluido de partículas con cargas eléctricas positivas y negativas, eléctricamente neutro.
El plasma presenta efectos moleculares colectivos importantes, como su respuesta a un campo magnético, formando estructuras como rayos, filamentos y capas dobles. El estado físico del plasma, como mezcla en forma de suspensión de iones y electrones, tiene la propiedad de ser buen conductor de la electricidad.
Es el estado físico más común en el universo, formando los plasmas interplanetarios, interestelares e intergalácticos.
La composición de la atmósfera varía con la altitud o distancia a la superficie de la Tierra. La composición, el estado de mezclado y el grado de ionización, son factores determinantes para distinguir la estructura vertical en las capas de la atmósfera.
La mezcla de gases por efecto de la turbulencia es prácticamente nula, y sus componentes gaseosos se separan rápidamente por difusión.
En la exosfera, la mezcla de los gases está restringida por el gradiente de temperatura. La mezcla de gases por efecto de la turbulencia es prácticamente nula, y sus componentes gaseosos se separan rápidamente por difusión. Por encima de los 600 km de altitud, los átomos individuales pueden escaparse de la fuerza de atracción gravitacional terrestre.
La exosfera contiene concentraciones bajas de gases livianos como hidrógeno y helio. Estos gases están muy dispersos en esta capa, con espacios vacíos muy grandes entre ellos.
La exosfera tiene también en su composición otros gases menos livianos, como nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2), pero estos están situados cerca de la exobase o baropausa (zona de la exosfera que limita con la termosfera o ionosfera).
En la exosfera las densidades moleculares son muy bajas, es decir, hay muy pocas moléculas por unidad de volumen, y la mayor parte de este volumen es espacio vacío.
Debido justamente a que hay enormes espacios vacíos, los átomos y moléculas pueden trasladarse a grandes distancias sin chocar entre sí. Las probabilidades de choques entre moléculas son muy pequeñas, prácticamente nulas.
En tal ausencia de colisiones, los átomos de hidrógeno (H) y de helio (He), más livianos y más veloces, pueden alcanzar velocidades tales que les permiten escapar del campo de atracción gravitacional del planeta y salir de la exosfera hacia el espacio interplanetario.
El escape al espacio de átomos de hidrógeno desde la exosfera (estimado en unas 25.000 toneladas por año), ha contribuido con seguridad a que ocurran cambios importantes en la composición química de la atmósfera durante toda la evolución geológica.
El resto de las moléculas en la exosfera, aparte del hidrógeno y del helio, tienen bajas velocidades promedio y no alcanzan su velocidad de escape. Para estas moléculas, la tasa de escape al espacio exterior es baja, y el escape ocurre muy lentamente.
En la exosfera el concepto de temperatura como medida de la energía interna de un sistema, es decir, de la energía del movimiento molecular, pierde significado, ya que hay muy pocas moléculas y mucho espacio vacío.
Los estudios científicos reportan temperaturas en la exosfera extremadamente altas, del orden de los 1500 K (1773 °C) en promedio, las cuales permanecen constantes con la altura.
La exosfera forma parte de la magnetosfera, puesto que la magnetosfera se extiende entre los 500 Km y los 600.000 Km de la superficie de la Tierra.
La magnetosfera es la zona donde el campo magnético de un planeta desvía al viento solar, el cual está cargado de partículas de muy alta energía, perjudiciales para todas las formas de vida conocidas.
Es así como la exosfera constituye una capa de protección contra las partículas de alta energía emitidas por el Sol.
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