إكزوسفير: الخصائص والتكوين والوظائف ودرجة الحرارة - بيئة - 2026

و إكزوسفير هو الطبقة الخارجية للغلاف الجوي لكوكب أو قمر صناعي، التي تشكل الحد الأعلى أو الحدود مع الفضاء الخارجي. على كوكب الأرض ، تمتد هذه الطبقة فوق الغلاف الحراري (أو الأيونوسفير) ، من 500 كم فوق سطح الأرض.

يبلغ سمك الغلاف الخارجي الأرضي حوالي 10000 كيلومتر ويتكون من غازات مختلفة تمامًا عن تلك التي تشكل الهواء الذي نتنفسه على سطح الأرض.

الشكل 1. طبقات الغلاف الجوي للأرض. المصدر: Esteban1216 ، من ويكيميديا ​​كومنز في الغلاف الخارجي تكون كثافة الجزيئات الغازية والضغط ضئيلًا ، بينما درجة الحرارة مرتفعة وتبقى ثابتة. في هذه الطبقة تتشتت الغازات وتهرب إلى الفضاء الخارجي.

مميزات

يشكل الغلاف الخارجي طبقة انتقالية بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء بين الكواكب. لها خصائص فيزيائية وكيميائية مثيرة للاهتمام ، وهي تؤدي وظائف مهمة لحماية كوكب الأرض.

سلوك

السمة المميزة الرئيسية للغلاف الخارجي هي أنه لا يتصرف مثل السوائل الغازية ، مثل الطبقات الداخلية للغلاف الجوي. الجسيمات التي تتكون منها تتسرب باستمرار إلى الفضاء الخارجي.

ينتج سلوك الغلاف الخارجي عن مجموعة من الجزيئات أو الذرات الفردية ، التي تتبع مسارها الخاص في مجال الجاذبية الأرضية.

خصائص الغلاف الجوي

الخصائص التي تحدد الغلاف الجوي هي: الضغط (P) ، وكثافة أو تركيز الغازات المكونة (عدد الجزيئات / V ، حيث V هو الحجم) ، والتركيب ، ودرجة الحرارة (T). تختلف هذه الخصائص الأربع في كل طبقة من طبقات الغلاف الجوي.

لا تعمل هذه المتغيرات بشكل مستقل ، ولكنها مرتبطة بقانون الغاز:

P = dRT ، حيث d = عدد الجزيئات / V و R هو ثابت الغاز.

يتم تنفيذ هذا القانون فقط في حالة وجود تصادمات كافية بين الجزيئات التي يتكون منها الغاز.

في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي (التروبوسفير والستراتوسفير والميزوسفير والغلاف الحراري) ، يمكن معالجة خليط الغازات التي يتكون منها على أنه غاز أو مائع يمكن ضغطه ، وترتبط درجة حرارته وضغطه وكثافته من خلال قانون الغازات.

من خلال زيادة الارتفاع أو المسافة من سطح الأرض ، ينخفض ​​الضغط وتواتر الاصطدامات بين جزيئات الغاز بشكل كبير.

عند ارتفاع 600 كم وما فوق هذا المستوى ، يجب النظر إلى الغلاف الجوي بطريقة مختلفة ، لأنه لم يعد يتصرف كغاز أو سائل متجانس.

الحالة الفيزيائية للغلاف الخارجي: البلازما

الحالة الفيزيائية للغلاف الخارجي هي حالة البلازما ، والتي يتم تعريفها على أنها الحالة الرابعة للتجميع أو الحالة الفيزيائية للمادة.

البلازما هي حالة سائلة ، حيث تكون جميع الذرات عمليًا في شكل أيوني ، أي أن جميع الجسيمات لها شحنات كهربائية وهناك إلكترونات حرة موجودة ، غير مرتبطة بأي جزيء أو ذرة. يمكن تعريفه على أنه وسط سائل من الجسيمات ذات الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة ، محايد كهربائيًا.

تُظهر البلازما تأثيرات جزيئية جماعية مهمة ، مثل استجابتها للمجال المغناطيسي ، وتشكيل هياكل مثل الأشعة والخيوط والطبقات المزدوجة. تتميز الحالة الفيزيائية للبلازما ، كمزيج على شكل تعليق للأيونات والإلكترونات ، بكونها موصلاً جيدًا للكهرباء.

إنها الحالة الفيزيائية الأكثر شيوعًا في الكون ، وتشكل البلازما بين الكواكب وبين النجوم وبين المجرات.

الشكل 2. الغلاف الجوي للأرض ، في خلفية القمر. المصدر: NASA، via Wikimedia Commons

التركيب الكيميائي

يختلف تكوين الغلاف الجوي باختلاف الارتفاع أو المسافة من سطح الأرض. إن التركيب وحالة الاختلاط ودرجة التأين عوامل محددة لتمييز البنية الرأسية في طبقات الغلاف الجوي.

خليط الغازات الناتج عن الاضطرابات لا شيء عمليًا ، وتنقسم مكوناته الغازية بسرعة عن طريق الانتشار.

في الغلاف الخارجي ، يكون خليط الغازات مقيدًا بتدرج درجة الحرارة. خليط الغازات الناتج عن الاضطرابات لا شيء عمليًا ، وتنقسم مكوناته الغازية بسرعة عن طريق الانتشار. فوق ارتفاع 600 كم ، يمكن للذرات الفردية الهروب من جاذبية الأرض.

يحتوي الغلاف الخارجي على تركيزات منخفضة من الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم. تنتشر هذه الغازات على نطاق واسع في هذه الطبقة ، مع وجود فراغات كبيرة جدًا بينها.

يحتوي الإكسوسفير أيضًا على غازات ضوئية أقل في تكوينه ، مثل النيتروجين (N ₂) والأكسجين (O ₂) وثاني أكسيد الكربون (CO ₂) ، ولكن هذه تقع بالقرب من exobase أو baropause (منطقة من الغلاف الخارجي تحد من مع الغلاف الحراري أو الأيونوسفير).

سرعة الهروب الجزيئي من الغلاف الخارجي

في الغلاف الخارجي ، تكون الكثافة الجزيئية منخفضة جدًا ، أي أن هناك عددًا قليلاً جدًا من الجزيئات لكل وحدة حجم ، ومعظم هذا الحجم عبارة عن مساحة فارغة.

فقط بسبب وجود مساحات فارغة ضخمة ، يمكن للذرات والجزيئات أن تسافر مسافات كبيرة دون أن تصطدم ببعضها البعض. احتمالات الاصطدام بين الجزيئات صغيرة جدًا ، عمليًا لا شيء.

في حالة عدم وجود تصادمات ، يمكن أن تصل ذرات الهيدروجين (H) والهيليوم (He) الأخف والأسرع إلى سرعات بحيث تتمكن من الهروب من مجال جاذبية الكوكب والخروج من الغلاف الخارجي إلى الفضاء بين الكواكب..

من المؤكد أن هروب ذرات الهيدروجين إلى الفضاء من الغلاف الخارجي (يقدر بحوالي 25000 طن سنويًا) ، قد ساهم بالتأكيد في تغييرات كبيرة في التركيب الكيميائي للغلاف الجوي خلال التطور الجيولوجي.

بقية الجزيئات في الغلاف الخارجي ، باستثناء الهيدروجين والهيليوم ، لها سرعات متوسطة منخفضة ولا تصل إلى سرعة الهروب. بالنسبة لهذه الجزيئات ، يكون معدل الهروب إلى الفضاء الخارجي منخفضًا ، ويحدث الهروب ببطء شديد.

درجة الحرارة

في الغلاف الخارجي ، يفقد مفهوم درجة الحرارة كمقياس للطاقة الداخلية للنظام ، أي طاقة الحركة الجزيئية ، المعنى ، نظرًا لوجود عدد قليل جدًا من الجزيئات والكثير من الفضاء الفارغ.

تشير الدراسات العلمية إلى درجات حرارة عالية للغاية في الغلاف الخارجي ، في حدود 1500 كلفن (1773 درجة مئوية) في المتوسط ​​، والتي تظل ثابتة مع الارتفاع.

المميزات

الغلاف الخارجي هو جزء من الغلاف المغناطيسي ، حيث يمتد الغلاف المغناطيسي بين 500 كيلومتر و 600 ألف كيلومتر من سطح الأرض.

الغلاف المغناطيسي هو المنطقة التي ينحرف فيها المجال المغناطيسي للكوكب عن الرياح الشمسية ، المحملة بجزيئات عالية الطاقة للغاية ، ضارة بجميع أشكال الحياة المعروفة.

هذه هي الطريقة التي يشكل بها الغلاف الخارجي طبقة حماية ضد الجسيمات عالية الطاقة المنبعثة من الشمس.

المراجع

1. براسور ، جي وجاكوب ، د. (2017). نمذجة كيمياء الغلاف الجوي. كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج.
2. هارجريفز ، جي كي (2003). البيئة الشمسية الأرضية. كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج.
3. كاميدا ، س ، تافروف ، أ ، أوسادا ، إن ، موراكامي ، ج ، كيجو ، ك وآخرون. (2018). التحليل الطيفي VUV لكواكب خارجية خارج المجموعة الشمسية. المؤتمر الأوروبي لعلوم الكواكب 2018. ملخصات EPSC. المجلد. 12، EPSC2018-621.
4. ريتشي ، ج. (2017). كيمياء الغلاف الجوي. أكسفورد: العالم العلمي.
5. Tinsley ، BA ، Hodges ، RR and Rohrbaugh ، RP (1986). نماذج مونت كارلو للغلاف الخارجي الأرضي على دورة شمسية. مجلة البحوث الجيوفيزيائية: راية فيزياء الفضاء. 91 (A12): 13631-13647. دوى: 10.1029 / JA091iA12p13631.