Dokąd sięga atmosfera ziemska?

Najnowsze obserwacje sondy SOHO wywołały lawinę newsów obwieszczających, że atmosfera Ziemi sięga daleko poza orbitę Księżyca. Sprawdźmy, czy takie stanowisko ma pokrycie w rzeczywistości.

Krótko. Jak zwykle wiele zależy od przyjętej definicji. W tym przypadku rozstrzał jest wyjątkowo szeroki: od 100 do nawet 630 000 kilometrów.

Muszę się wam przyznać, że dzisiejszy temat budzi we mnie spory dyskomfort. Takie odczucia towarzyszą mi zawsze, gdy mam do czynienia z zagadnieniem naukowym – zwłaszcza zagadnieniem teoretycznie prostym – pozbawionym precyzji terminologicznej. Temat granic ziemskiej atmosfery stanowi doskonały przykład takiej sytuacji. Niby każdy wie w czym rzecz, ale jeśli tylko przyjrzymy się tej kwestii bliżej, okazuje się, że na dobrą sprawę nie istnieje żadna satysfakcjonująca odpowiedź. Zacznijmy jednak od końca, czyli źródła chaosu i przyczyny naszych rozważań.

Atmosfera ziemska poza Księżyc

W ostatnim miesiącu, na łamach “Journal of Geophysical Research” pojawił się interesujący artykułSWAN/SOHO Lyman‐α Mapping: The Hydrogen Geocorona Extends Well Beyond the Moon. Jego autorzy zebrali wieloletnie meldunki sondy SOHO na temat kaprysów Słońca i ich wypływu na naszą planetę, co pozwoliło na poważną aktualizację dotychczasowej wiedzy o ziemskiej geokoronie. Zgodnie z najświeższymi danymi, delikatna, niemal niewyczuwalna mgiełka atomów wodoru, rozciąga się na dystansie ponad 600 tysięcy kilometrów (ponad 50 średnic Ziemi!) od powierzchni naszej planety. Astronomowie od dawna zdawali sobie sprawę z istnienia geokorony oraz z jej relatywnie dorodnych rozmiarów, jednak dotąd mówiono raczej 100-200 tysiącach kilometrów. Nowe obserwacje dowodzą, że pojedyncze atomy pochodzących z Ziemi gazów można wyłapywać nawet daleko, daleko poza orbitą Księżyca. Naturalne w tym kontekście pytanie brzmi: czy omawianą strukturę należy uznawać za pełnoprawną część ziemskiej atmosfery? Czy dziennikarze słusznie trąbią o sensacji, twierdząc jakoby nasz naturalny satelita pozostawał zanurzony w ziemskiej atmosferze?

Dla porządku, przyjrzyjmy się najpierw kilku definicjom atmosfery.
1. “Warstwa powietrza otaczająca kulę ziemską” lub “Powłoka gazowa otaczająca planety i gwiazdy” (słownik PWN);
2. “Gazowa powłoka otaczająca ciało niebieskie o masie wystarczającej do utrzymywania warstwy gazów w wyniku działania grawitacji. (…) Atmosfera Ziemi jest najlepiej poznaną spośród atmosfer ciał Układu Słonecznego. Składa się ona z mieszaniny gazów zwanej powietrzem” (ciocia Wiki);
3. “Atmosfera jest powłoką gazową, zwaną powietrzem, otaczającą Ziemię. Rozciąga się od powierzchni Ziemi i przechodzi stopniowo w próżnię międzyplanetarną” (Encyklopedia Naukowa dla dzieci i młodzieży);
4. “W porównaniu z rozmiarami Ziemi grubość atmosfery jest znikoma. Gdybyśmy pomniejszyli Ziemię do wielkości jabłka, to nasza cywilizacyjna aktywność, poza sporadycznymi wypadami w kosmos, zawierałaby się w pokrywającej je skórce” (A. Branicki, W stronę nieba. Interaktywna szkoła astronomii).

Jak widzimy, w najogólniejszym ujęciu termin atmosfery łączy się z każdą gazową kołderką otulającą ciało niebieskie. I jeżeli poprzestaniemy na takim zdaniu, prasowe nagłówki można potraktować jako akceptowalne, a wręcz jako w pełni poprawne. Pozwala to na interesujące spostrzeżenia. Nagle okazuje się, że żaden człowiek, wliczając w to członków programu Apollo, nigdy nie wyściubił nosa poza ziemską atmosferę.

Warstwy atmosfery ziemskiej

Nie lubię szerokich interpretacji, czyniących z pojęć naukowych worki bez dna, ale niestety trudno się tu do czegoś doczepić. W większości opracowań nie znajdziemy żadnych głębszych kryteriów, wobec czego każdą gazową otoczkę obiektu można nazywać atmosferą. W desperacji próbowałem chwycić się częstego łączenia ziemskiej atmosfery z pojęciem powietrza, jako mieszaniny gazów o określonej strukturze – zbudowanej w większości z azotu i tlenu z domieszkami innych substancji. Tego kryterium zbudowana z zawieszonych w przestrzeni luźnych atomów wodoru geokorona już nie spełnia. Problem polega na tym, że jeżeli zaczniemy utożsamiać atmosferę Ziemi z odpowiednim składem chemicznym, to będziemy musieli wyłączyć z niej również kolejne warstwy. W zasadzie wątpliwości budzi wszystko co leży powyżej wysokości 85-100 kilometrów. Zarówno termosferę jak i egzosferę więcej łączy z regularną przestrzenią kosmiczną niż z potocznie rozumianą atmosferą. Jedyne z czym stykamy się na tym pułapie, to śladowe ilości materii uciekającej ze smyczy ziemskiej grawitacji.

A jednak, podręczniki bez większych wątpliwości śmiało wyliczają egzosferę i termosferę, tuż obok mezosfery, stratosfery i troposfery, jako równoprawne fragmenty atmosfery. Oczywiście byłoby głupotą i bezczelnością stawanie w opozycji do całego świata, zatykanie uszu i negowanie powszechnie przyjętych definicji. Pozostaje zatem pogodzić się z istniejącym stanem rzeczy, jednocześnie pamiętając o płynących zeń konsekwencjach. Przede wszystkim, powinniśmy mieć świadomość, że aby znaleźć się w kosmosie, wcale nie musimy przekraczać granic atmosfery. Zgodnie z prawem międzynarodowym, o przestrzeni kosmicznej mówimy już powyżej linii Kármána, na wysokości zaledwie 100 kilometrów ponad poziomem morza. Jakbyśmy na to nie spojrzeli, możemy oficjalnie stać się astronautami, siedząc nadal w obrębie atmosfery. Ba. Wystarczy pokonanie mikrego ułamka jej całej grubości. Członkowie załogi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej poruszają się na orbicie 400 km nad Ziemią. To 300 km ponad linią Kármána, ale nadal w ramach termosfery i – co za tym idzie – głęboko wewnątrz ziemskiej atmosfery.

Rzecz jasna to wszystko tylko zabawa w definicje, bez większych naukowych implikacji. Najrozsądniej traktować rejon znajdujący się od 100 do 2000 kilometrów (lub znacznie większy, jeśli włączymy w to geokoronę), jako swego rodzaju strefę buforową. Pozostaje ona jednocześnie przestrzenią kosmiczną – nieodbiegającą wiele warunkami od tego co spotkamy w obszarze międzygwiezdnym – oraz zewnętrzną częścią atmosfery Ziemi.

A co z geokoroną? Skoro pozwalamy sobie kwalifikować lichą egzosferę jako fragment atmosfery, to dlaczego nie pójść o krok dalej? Wygląda na to, że media nie popełniły gafy pisząc o wielkiej, sięgającej poza Księżyc atmosferze naszej planety.

Nie byłbym jednak sobą, gdybym nie wytknął im pewnej niekonsekwencji. We wstępie do newsa opublikowanego na Interii czytamy: “Przyjęło się, że ziemska atmosfera kończy się mniej więcej na wysokości 100 km nad powierzchnią naszej planety. Tymczasem wyniki najnowszych badań są zaskakujące, gdyż pokazują, że nasza atmosfera jest tak ogromna, że może sięgać daleko za orbitę Księżyca”. Nie Interio. Gdybyśmy uznawali geokoronę za normalny element atmosfery, to jej dotychczasowa granica (wyznaczona przez poprzednie obserwacje) sięgała około 200 tysięcy kilometrów. Jeżeli natomiast włączymy w to wszystko umowną linię Kármána, to nie zmieniło się nic. Jeśli więc nawet mamy tu do czynienia z sensacją, to nie o takim kalibrze o jakim informują nas wielkie portale.

5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o (zakończonej) misji sondy Cassini Scenariusze końca świata Błękitna kropka ver. 2.0