|
|
|
| De thermosfeer is de laag in de atmosfeer van de aarde direct boven de mesosfeer en onder de exosfeer. Binnen deze laag van de atmosfeer veroorzaakt ultraviolette straling foto-ionisatie/fotodissociatie van moleculen, waardoor ionen ontstaan; de thermosfeer vormt dus het grootste deel van de ionosfeer. |
| |
De thermosfeer wat warmte betekent, en begint op ongeveer 80 km boven zeeniveau. Op deze grote hoogten sorteren de resterende atmosferische gassen zich in lagen op basis van hun moleculaire massa.
Thermosferische temperaturen nemen toe met de hoogte als gevolg van de absorptie van zeer energetische zonnestraling. De temperaturen zijn sterk afhankelijk van de zonneactiviteit en kunnen oplopen tot 2.000 °C of meer. |
| |
Door straling worden de atmosferische deeltjes in deze laag elektrisch geladen, waardoor radiogolven kunnen worden gebroken en dus tot voorbij de horizon kunnen worden ontvangen. In de exosfeer, beginnend op ongeveer 600 km boven zeeniveau, verandert de atmosfeer in de ruimte, hoewel volgens
de beoordelingscriteria die zijn vastgesteld voor de definitie van de Kármán-lijn (100 km), het grootste deel van de thermosfeer deel uitmaakt van de ruimte. . De grens tussen de thermosfeer en de exosfeer staat bekend als de thermopauze. |
| |
Het sterk verzwakte gas in deze laag kan een temperatuur van 2500 °C bereiken. Ondanks de hoge temperatuur zal een waarnemer of object lage temperaturen in de thermosfeer ervaren, omdat de extreem lage dichtheid van het gas (praktisch een hard vacuüm) onvoldoende is om de moleculen
warmte te laten geleiden. Een normale thermometer geeft aanzienlijk minder dan 0 °C aan, tenminste 's nachts, omdat de energie die verloren gaat door thermische straling groter zou zijn dan de energie die door direct contact uit het atmosferische gas wordt verkregen. In de akoestische zone boven 160 kilometer is de dichtheid zo laag dat moleculaire interacties te zeldzaam zijn om de overdracht van
geluid mogelijk te maken. |
|
|
|
| |
| De dynamiek van de thermosfeer wordt gedomineerd door atmosferische getijden, die voornamelijk worden aangedreven door dagelijkse verwarming. Atmosferische golven verdwijnen boven dit niveau als gevolg van botsingen tussen het neutrale gas en het ionosferische plasma. |
| |
De thermosfeer is onbewoond, met uitzondering van het Internationale Ruimtestation, dat in een baan om de aarde draait in het midden van de thermosfeer tussen 408 en 410 kilometer en het Tiangong-ruimtestation, dat tussen 340 en 450 kilometer draait.
| |
| Neutrale gasbestanddelen |
| |
| Het is handig om de atmosferische gebieden te scheiden volgens de twee temperatuurminima op een hoogte van ongeveer 12 kilometer de tropopauze en op ongeveer 85 kilometer de mesopauze) (Figuur 1). De thermosfeer of de bovenste atmosfeer is het hoogtegebied boven 85 kilometer, terwijl het gebied tussen de tropopauze en de mesopauze de middelste atmosfeer is stratosfeer en mesosfeer waar de absorptie van UV-straling van de zon het temperatuurmaximum genereert nabij een temperatuurhoogte van 45 kilometer en veroorzaakt de ozonlaag. |
| |
| De dichtheid van de atmosfeer van de aarde neemt vrijwel exponentieel af met de hoogte. De totale massa van de atmosfeer is M = ρA, H = 1 kg/cm2 binnen een kolom van één vierkante centimeter boven de grond (met ρA = 1,29 kg/m3 de atmosferische dichtheid op de grond op z = 0 m hoogte, en H = 8 km de gemiddelde atmosferische schaalhoogte). Tachtig procent van die massa is geconcentreerd in de troposfeer. De massa van de thermosfeer boven ongeveer 85 kilometer bedraagt slechts 0,002% van de totale massa. Daarom kan er geen significante energetische feedback van de thermosfeer naar de lagere atmosferische gebieden worden verwacht. |
| |
| Turbulentie zorgt ervoor dat de lucht in de lagere atmosferische gebieden onder de turbopauze op ongeveer 90 kilometer een mengsel van gassen is dat de samenstelling ervan niet verandert. Het gemiddelde molecuulgewicht is 29 g/mol, waarbij moleculaire zuurstof (O2) en stikstof (N2) de twee dominante bestanddelen zijn. Boven de turbopauze is de diffuse scheiding van de verschillende bestanddelen echter aanzienlijk, zodat elk bestanddeel zijn barometrische hoogtestructuur volgt met een schaalhoogte die omgekeerd evenredig is aan zijn molecuulgewicht. De lichtere bestanddelen atomaire zuurstof (O), helium (He) en waterstof (H) domineren achtereenvolgens boven een hoogte van ongeveer 200 kilometer en variëren afhankelijk van de geografische locatie, tijd en zonneactiviteit. |
|
|
 |
| Nomenclatuur van atmosferische gebieden op basis van de profielen van elektrische geleidbaarheid (links), temperatuur (midden) en elektronendichtheid in m−3 (rechts) |
|
| |
| De verhouding N2/O, die een maat is voor de elektronendichtheid in het ionosferische F-gebied, wordt sterk beïnvloed door deze variaties.[2] Deze veranderingen volgen uit de diffusie van de kleinere bestanddelen door de belangrijkste gascomponent tijdens dynamische processen. |
| |
De thermosfeer bevat een aanzienlijke concentratie elementair natrium, gelegen in een 10 kilometer dikke band die voorkomt aan de rand van de mesosfeer, 80 tot 100 kilometer boven het aardoppervlak. Het natrium heeft een gemiddelde concentratie van 400.000 atomen per kubieke centimeter. Deze band wordt regelmatig aangevuld door natriumsublimatie door inkomende meteoren. Astronomen zijn begonnen deze
natriumband te gebruiken om 'gidssterren' te creëren als onderdeel van het optische correctieproces bij het produceren van ultrascherpe waarnemingen vanaf de grond. |
| |
| Energie-input |
| |
| Energiebudget |
Het van de aarde beschrijft de balans tussen de stralingsenergie die de aarde bereikt vanaf de zon en de energie die van de aarde terug de ruimte
in stroomt. Energie van de zon bevindt zich meestal in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. Ongeveer 30 procent van de binnenkomende energie van de zon wordt terug de ruimte in gereflecteerd door wolken, atmosferische moleculen, kleine zwevende deeltjes die aerosolen worden genoemd, en de land-, sneeuw- en ijsoppervlakken van de aarde. Het aardsysteem zendt ook thermische stralingsenergie uit
naar de ruimte, voornamelijk in het infrarode deel van het elektromagnetische spectrum. De intensiteit van de thermische emissie van een
oppervlak hangt af van de temperatuur |
| |
| X - UV-straling van de zon |
| De röntgenstraling (X) van de zon en de extreme ultraviolette straling (UV) bij golflengten <170 nm worden vrijwel volledig geabsorbeerd in de thermosfeer. Deze straling veroorzaakt de verschillende ionosferische lagen en een temperatuurstijging op deze hoogten. Terwijl het zichtbare zonnelicht (380 tot 780 nm) vrijwel constant is met een variabiliteit van niet meer dan ongeveer 0,1% van de zonneconstante, is de XUV-straling van de zon zeer variabel in tijd en ruimte. |
| |
| Röntgenuitbarstingen die verband houden met zonnevlammen kunnen bijvoorbeeld hun intensiteit dramatisch verhogen ten opzichte van de niveaus vóór de uitbarsting, met vele ordes van grootte over een periode van tientallen minuten. In het extreme ultraviolet vertegenwoordigt de Lyman α-lijn bij 121,6 nm een belangrijke bron van ionisatie en dissociatie op de hoogte van de ionosferische D-laag. Tijdens rustige perioden van zonneactiviteit bevat het alleen al meer energie dan de rest van het XUV-spectrum. Quasi-periodieke veranderingen in de orde van 100% of meer, met perioden van 27 dagen en 11 jaar, behoren tot de prominente variaties van XUV-straling van de zon. Er zijn echter voortdurend onregelmatige schommelingen over alle tijdschalen heen. Tijdens de lage zonneactiviteit wordt aangenomen dat ongeveer de helft van de totale energie-invoer in de thermosfeer bestaat uit XUV-straling van de zon. Die XUV-energie-input van zonne-energie vindt alleen overdag plaats, met een maximum aan de evenaar tijdens de equinox.. |
| |
| Zonnewind |
De tweede bron van energie-invoer in de thermosfeer is zonnewindenergie die naar de magnetosfeer wordt overgebracht via mechanismen die nog niet goed worden begrepen. Een mogelijke manier om energie over te dragen is via een hydrodynamisch dynamoproces. Zonnewinddeeltjes dringen de poolgebieden van de magnetosfeer binnen waar de geomagnetische veldlijnen in wezen verticaal gericht zijn. Er wordt een elektrisch veld gegenereerd, gericht van zonsopgang tot zonsondergang. Langs de laatste gesloten geomagnetische veldlijnen, met hun voetpunten binnen de poollichtzones, kunnen veldgerichte elektrische stromen naar het ionosferische dynamogebied stromen, waar ze worden gesloten door elektrische Pedersen- en Hall-stromen. Ohmse verliezen van de Pedersen-stromen verwarmen de lagere thermosfeer. Ook verbetert de penetratie van hoogenergetische deeltjes uit de magnetosfeer in de poolgebieden de elektrische geleidbaarheid drastisch, waardoor de elektrische stromen en dus
de joule-opwarming verder toenemen. Tijdens de rustige magnetosferische activiteit draagt de magnetosfeer misschien wel een kwart bij aan het energiebudget van de thermosfeer. Dit is ongeveer 250 K van de exosferische temperatuur in vergelijking (2). Tijdens de zeer grote activiteit kan deze warmte-inbreng echter aanzienlijk toenemen, met een factor vier of meer. Die zonnewindinbreng vindt voornamelijk plaats in de poolgebieden, zowel overdag als 's nachts. |
| |
| Atmosferische golven |
| Er bestaan twee soorten grootschalige atmosferische golven in de lagere atmosfeer: interne golven met eindige verticale golflengten die golfenergie naar boven kunnen transporteren, en externe golven met oneindig grote golflengten die geen golfenergie kunnen transporteren. Atmosferische zwaartekrachtgolven en de meeste atmosferische getijden die in de troposfeer worden gegenereerd, behoren tot de interne golven. Hun dichtheidsamplitudes nemen exponentieel toe met de hoogte, zodat deze golven in de mesopauze turbulent worden en hun energie wordt gedissipeerd, dat het meest efficiënt wordt opgewekt door zonnestraling, een externe golf en speelt het slechts een marginale rol in de lagere en middelste atmosfeer. Op thermosferische hoogten wordt het echter de overheersende golf. Het drijft de elektrische Sq-stroom aan binnen het ionosferische dynamogebied tussen ongeveer 100 en 200 km hoogte. |
| |
| Opwarming, voornamelijk door vloedgolven, vindt vooral plaats op lagere en middelste breedtegraden. De variabiliteit van deze verwarming hangt af van de meteorologische omstandigheden in de troposfeer en de middelste atmosfeer, en mag niet groter zijn dan ongeveer 50%. |
| |
| Thermosferische stormen |
| |
| In tegenstelling tot XUV-straling van de zon vertonen magnetosferische verstoringen, die op de grond worden aangegeven door geomagnetische variaties, een onvoorspelbaar impulsief karakter, van korte periodieke verstoringen in de orde van uren tot langdurige gigantische stormen van meerdere dagen. De reactie van de thermosfeer op een grote magnetosferische storm wordt een thermosferische storm genoemd. Omdat de warmte-inbreng in de thermosfeer plaatsvindt op hoge breedtegraden (voornamelijk in de aurorale gebieden), wordt het warmtetransport weergegeven door de term P20 in vergelijking is omgekeerd. Bovendien ontstaan door de impulsieve vorm van de verstoring termen van hogere orde, die echter korte vervaltijden bezitten en dus snel verdwijnen. De som van deze modi bepaalt de reistijd van de verstoring naar de lagere breedtegraden, en dus de responstijd van de thermosfeer ten opzichte van de magnetosferische verstoring. Belangrijk voor het ontstaan van een ionosferische storm is de toename van de verhouding N2/O tijdens een thermosferische storm op midden- en hogere breedtegraad. Een toename van N2 vergroot het verliesproces van het ionosferische plasma en veroorzaakt daardoor een afname van de elektronendichtheid binnen de ionosferische F-laag (negatieve ionosferische storm). |
|
| thermopauze |
| Thermopauze |
| |
De thermopauze markeert de overgang tussen de thermosfeer en de exosfeer. De thermopauze bevindt zich op een hoogte van 500 à 1000 km
en wordt gekenmerkt door een omslag in het temperatuursgradiënt. In de thermosfeer neemt de temperatuur toe terwijl in de exosfeer de temperatuur gelijk blijft bij toenemende hoogte. De temperatuur in de exosfeer varieert tussen dag en nacht met vele honderden graden waardoor ook de hoogte van de thermopauze varieert. |
| |
De temperatuur varieert tussen de 500 à 1700 °C. Dit is de hoogste temperatuur in de aardatmosfeer. De druk is slechts 1/1015ste van de
uchtdruk op zeeniveau. |
| |
|
|
|
|
|
|
