Warum ist die Thermosphäre so heiß?

Die Thermosphäre ist der höchste Abschnitt der Erdatmosphäre. Es beginnt etwa 53 Meilen über dem Meeresspiegel und erstreckt sich zwischen 311 bis 621 Meilen. Die genaue Ausdehnung der Thermosphäre variiert, da sie sich aufgrund der aktuellen Sonnenaktivität anschwillt und zusammenzieht. Die Thermosphäre hat eine extrem niedrige Dichte und der Temperaturbereich der Thermosphäre ist überraschend heiß – zwischen 932-3.632°F. Was verursacht diese extremen Temperaturen?

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Mehrere Eigenschaften der Thermosphäre tragen zu seiner heißen Temperatur bei, insbesondere die direkte Sonneneinstrahlung ohne andere Schichten der Atmosphäre darüber und der niedrige Druck dieser Schicht.

Die Wärmequelle der Thermosphäre ist die von der Sonne emittierte Strahlung. Die Thermosphäre absorbiert einen Großteil der Strahlung, die die Erde von der Sonne empfängt, sodass nur ein Bruchteil die Oberfläche erreicht. Ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht und hochenergetische Gammastrahlung werden von der Thermosphäre absorbiert, wodurch sich die wenigen vorhandenen Partikel stark aufheizen. Die Temperatur der Thermosphäre schwankt zwischen Tag und Nacht um Hunderte von Grad und noch stärker zwischen den Höchst- und Tiefstpunkten des Sonnenzyklus.

Auch der extrem niedrige Druck der Thermosphäre trägt zu ihrer hohen Temperatur bei. Wärme wird durch die Energiemenge definiert, die die einzelnen Moleküle eines Stoffes besitzen. In einem warmen Gas bewegen sich die Teilchen viel schneller als in einem kühlen Gas. Auf Meereshöhe beginnen energetische Teilchen sehr schnell mit anderen Teilchen zu kollidieren und verlieren bei jeder Kollision Energie. Dieser Energieverlust kühlt das Gas, wenn nicht ständig mehr Wärme zugeführt wird. Niedriger Druck bedeutet, dass nicht viele Partikel in der Nähe sind, mit denen sie kollidieren können, was zu einem langsameren Energieverlust führt. Somit benötigt ein Niederdruckgas viel weniger Energie zum Erhitzen als ein Hochdruckgas.

Obwohl die Thermosphäre extrem heiß ist, bedeutet ihre geringe Dichte, dass sie diese Energie nicht effizient an Objekte weiterleiten kann, die sich durch sie hindurch bewegen. Es hat eine hohe Hitze, aber eine geringe Menge. Ein in der Thermosphäre aufgehängtes Quecksilberthermometer würde eine Temperatur unter dem Gefrierpunkt anzeigen, da Der Wärmeverlust würde jede Energie übersteigen, die die gestreuten Partikel der Thermosphäre auf die Merkur. Es ähnelt im Konzept der Hitze, die von einer Kerzenflamme erzeugt wird, die an einigen Stellen innerhalb der Flamme extrem heiß ist, aber nicht in der Lage ist, Objekte weiter als ein paar Zentimeter entfernt zu erhitzen. Es erzeugt eine hohe Temperatur, aber eine geringe Wärmemenge.

Durch die geringe Menge des wärmetragenden Mediums der Thermosphäre werden die durch sie hindurchgehenden Gegenstände von den hohen Temperaturen stark beeinträchtigt. Satelliten, Astronauten und Raumschiffe erleben die Thermosphäre als einen sehr kalten Ort, da die enorme Wärme der Thermosphäre nicht effizient auf feste Objekte übertragen werden kann. Die mit dem Wiedereintritt in die Atmosphäre verbundene Wärme wird von der Thermosphäre beigesteuert, aber dies ist eher ein Reibungseffekt als die Temperatur der Atmosphäre selbst.