Skip to main content

De thermosfeer en de exosfeer vormen het buitenste gedeelte van de atmosfeer van de Aarde, waarin de kunstsatellieten en andere ruimtetuigen zoals het Internationaal Ruimtestation (ISS) banen beschrijven.

Dit deel van de atmosfeer is de natuurlijke omgeving van de astronauten en kosmonauten, wanneer ze ruimtewandelingen in de ruimte uitvoeren om ruimtestations te construeren of te onderhouden en om satellieten te recupereren of te herstellen.

Aerodynamica en levensduur van ruimtetuigen

De analyse van de variaties in de banen van kunstsatellieten heeft trouwens de eerste belangrijke bijdrage geleverd tot de studie van de fysische structuur van dit gedeelte van de atmosfeer. Een goede kennis van het buitenste gedeelte van de atmosfeer, de thermosfeer en de exosfeer, is belangrijk op zich als fundamenteel onderzoek en is een onderdeel van een globale studie van de omgeving van de Aarde.

Voor toepassingen op het gebied van de geodesie, de navigatie, de teledetectie en de meteorologie is deze kennis onmisbaar gebleken voor:

  • het bepalen van de aerodynamische karakteristieken van ruimtetuigen
  • voor het schatten van de duur van het actieve bestaan van ruimtetuigen in een baan om de Aarde
  • voor het selecteren van de meest geschikte satellietbanen

Wanneer wetenschappers bijvoorbeeld lange termijn-waarnemingen uitvoeren van de Aarde met een goede resolutie, komt het er op aan om een cirkelvormige baan uit te kiezen, maar wel buiten al de mogelijke atmosferische perturbaties die belangrijke baanveranderingen kunnen teweegbrengen, met een te snelle terugkeer van de satelliet in de atmosfeer als gevolg.

De exosfeer: het buitenste gedeelte van de atmosfeer

De dichtheid van de atmosfeer blijft afnemen met de hoogte waardoor de botsingen tussen de atomen zeldzamer worden. De vrije weglengte,d.i. de gemiddelde afstand afgelegd door een atmosferisch deeltje tussentwee opeenvolgende botsingen, bereikt een gemiddelde waarde van de orde van 100 km op een hoogte van 500 km daar waar die afstand slechts 0,1 micron bedraagt aan het aardoppervlak!

De exosfeer wordt dan gedefinieerd als dat gedeelte van de atmosfeer waar het aantal botsingen tussen deeltjes verwaarloosbaar wordt.

De deeltjes gedragen er zich vrij en kunnen verschillende trajecten volgen; sommigen slagen er zelfs in om te ontsnappen uit de aardse atmosfeer. De gewone definitie van temperatuur evenals de wetten van de hydrostatica zijn er niet meer geldig. De basis van de exosfeer of "exobasis" ligt ergens tussen 350 en 800 km, afhankelijk van de temperatuur van de thermopauze.

Helium en waterstof zijn de voornaamste bestanddelen. Het waterstofatoom is zelfs het enige bestanddeel van het buitenste gedeelte van de atmosfeer dat zichuitstrekt tot een hoogte van 50.000 km.

De thermosfeer: een gedeelte van de heterosfeer

100 km hoogte

De heterosfeer is het gedeelte van de atmosfeer waar de samenstelling van de lucht niet meer uniform, met andere woorden, niet meer overal gelijk is. De overgang naar de homosfeer ligt gemiddeld rond de 100 km hoogte, waar de turbulente vermenging van de lucht niet meer volstaat om de homogene samenstelling in stand te houden. De moleculaire diffusie wordt het dominerend verschijnsel.

De concentratie van elk atmosferisch bestanddeel neemt af met de hoogte met een snelheid die recht evenredig is met zijn massa: de concentratie van zware bestanddelen zoals zuurstof (O2) en stikstof (N2) neemt vlugger af dan dat van lichtere bestanddelen zoals atomaire zuurstof (O), helium (He) en waterstof (H). Dit zorgt ervoor dat de verhouding tussen zwaardere en lichtere bestanddelen verandert (met een groter wordende hoeveelheid lichte bestanddelen met de hoogte, in verhouding met de zwaardere bestanddelen).

Tussen 100 en 150 km hoogte

Naarmate de hoogte toeneemt ontstaan er verschillende "gordels" van overwegend moleculaire stikstof, atomaire zuurstof, helium en waterstof. De grenzen van deze gordels veranderen met de temperatuur, die op zijn beurt afhankelijk is van de activiteit van de Zon.

Tussen 100 en 150 km hoogte absorbeert de moleculaire zuurstof het extreem ultraviolette zonlicht met zeer korte golflengtes (tussen 100 en 200 nm). Het resultaat is een thermische effect waarbij de temperatuur toeneemt met de hoogte. Deze eigenschap is typisch voor de thermosfeer, die zich net boven de mesosfeer bevindt.

Door de absorptie van het ultraviolette licht ontbinden echter de zuurstofmoleculen (O2) tot twee zuurstofatomen (O). Atomaire zuurstof vormt daardoor het belangrijkste bestanddeel van de thermosfeer. Wanneer men rekening houdt met het warmtetransport door conductie, kan men de verticale temperatuursprofielen bepalen die afhangen van de omstandigheden overdag, en van de activiteit van de Zon.

Tussen 250 en 500 km hoogte

"Thermopauze" is de naam van de laag waar de temperatuur stopt met stijgen. De hoogte van deze laag hangt af van de zonneactiviteit en ligt tussen 250 en 500 km. Boven de thermopauze is de atmosfeer isotherm en kunnen temperaturen waarden aannemen tussen 300°C en 1600°C.

De omvang van die mogelijke temperatuursvariaties is een gevolg van de extreme ijlheid van de atmosfeer op die hoogten. Dit isothermegebied heeft geen specifieke naam; men beschouwt dit gebied als een gedeelte van de thermosfeer, tenminste het gedeelte tot aan de ondergrens van de exosfeer.

Figuur 1: Ligging van de thermosfeer.