La mayor parte de la materia visible en el universo consiste en materia ionizada (estoy citando esto de las conferencias disponibles públicamente de R. Fitzpatrick y la monografía de JA Bittencourt - Introducción a la física del plasma. Esto es realmente independiente de si lo mides por masa o por número de átomos y moléculas.

¿Por qué es esto importante?
Como yo lo veo, la ionosfera es parte de la atmósfera que conecta la atmósfera eléctricamente neutra a altas presiones y las regiones ionizadas de baja presión del universo. Por lo tanto, cualquier planeta tendrá primero una ionisfera y, en segundo lugar, tal vez una región eléctricamente neutra que llamamos "atmósfera". Aquí hay una advertencia, ya que la ionosfera no tiene que estar completamente ionizada, solo tener suficientes electrones e iones flotando para actuar como plasma.

¿Por qué el gas se ioniza a bajas presiones?
La cantidad de iones que vuelan en un cierto volumen no es solo una función de la cantidad de electrones liberados, sino también de la cantidad de electrones que se recombinan.
La fuerza de ionización será un función del proceso considerado. Sin embargo, la recombinación será independiente de esto y estará gobernada por una $ \ sim n ^ 2 $ -dependencia de la densidad $ n $.
Esto generalmente resultará en una recombinación desproporcionadamente débil a medida que la presión / densidad disminuya en lo alto de la atmósfera. . O en otros términos: a bajas presiones, puede ionizarse térmicamente, mediante fotones UV, [...] pero ya no encuentra un socio para recombinarse.

Concluyendo fuerte> He presentado un caso de por qué cada planeta debe tener una ionosfera. Detalles como el viento solar, la distancia desde la estrella, su clase y las variables atmosféricas controlan la forma de la magnetosfera correspondiente y los perfiles de altura exactos de las especies ionizadas.

ionosfera - geofísica en resumen.

La ionosfera es una capa de electrones y átomos y moléculas cargados eléctricamente que rodea la Tierra, que se extiende desde una altura de aproximadamente 50 km (31 mi) a más de 1000 km (620 mi). Debe su existencia principalmente a la radiación ultravioleta del Sol.

Por lo tanto, debe haber una fuente de gas que pueda formar un plasma y un sol lo suficientemente activo como para hacer que la atmósfera se ionice (de ahí el nombre) en plasma. Si no hay una fuente de gas para ionizar o no hay suficiente radiación para causar ionización, no habrá ionosfera.

En pocas palabras:

Para que un planeta tenga una ionosfera, esperaríamos que tuviera una presión de al menos 1 bar ("lo suficientemente gruesa") y una estrella anfitriona produciendo suficiente -Fotones de energía.

Antecedentes

Generación de una ionosfera

La ionosfera es un equilibrio entre la producción de plasma y la pérdida de plasma. La fuente principal de ionización (fotones que son absorbidos por un átomo o una molécula, despidiendo un electrón) son generalmente los fotones de alta energía. La fuente principal de recombinación (un átomo o una molécula ionizados capta un electrón, lo que hace que la partícula sea neutra en carga) suele ser la colisión entre partículas. La composición química de la atmósfera también influye definitivamente en este equilibrio. Cuando hay más ionización, la ionosfera crece. Cuando hay más recombinación, la ionosfera se encoge. Puede encogerse en un lugar y crecer en otro (consulte Rotación planetaria, a continuación, para ver un ejemplo).

Ubicación de una ionosfera

Muy por encima de la ionosfera, la densidad del gas es lo suficientemente baja como para que la mayor parte de la luz de la estrella anfitriona de un planeta viaje a través de la atmósfera sin interactuar (es decir, ionizarse) la atmósfera. A medida que la luz viaja hacia abajo a través de la atmósfera, la densidad atmosférica aumenta, lo que hace que la atmósfera absorba más radiación de alta energía, particularmente ultravioleta extrema (EUV), lo que provoca la ionización (generación de plasma). Viajando aún más profundo, la densidad aumenta exponencialmente, pero a esta profundidad, la mayoría de los fotones de alta energía ya han sido absorbidos, por lo que hay poca ionización. Además, a esta profundidad, los iones tienen una vida corta debido a las frecuentes colisiones con la atmósfera neutra que conducen a la recombinación (agotamiento del plasma).

La ionosfera es, por lo tanto, una región de "Ricitos de oro" en la atmósfera de un planeta: lo suficientemente baja en la atmósfera como para que haya muchas moléculas para absorber fotones de alta energía, pero lo suficientemente alta como para que todavía haya mucha radiación de alta energía de la estrella anfitriona y lo suficientemente tenue como para que la recombinación no domine.

Como regla muy general , aproximadamente $ 1 / e $ de la luz entrante se absorbe por encima de 1 barra nivel de presión en una atmósfera. (Por supuesto, esto varía con la longitud de onda, la química y más ...) Esta es una fracción relativamente alta de luz que ha sido absorbida, pero es lo suficientemente profunda como para que las colisiones entre partículas sean lo suficientemente frecuentes como para que la recombinación sea más frecuente que la ionización. . Cualquier partícula que se ionice rápidamente se neutraliza. Basándonos solo en esto (pero también respaldado por estudios de la Tierra y otros planetas), podemos concluir que la ionosfera está en algún lugar por encima del nivel de presión de 1 bar, pero esto puede variar.

Criterios

Una atmósfera

Sin atmósfera, no hay moléculas para ionizar. Por lo tanto, se necesita una atmósfera para tener una ionosfera.

Dado que las ionosferas tienden a estar por encima del nivel de presión de 1 bar (al menos en nuestro Sistema Solar), podemos suponer que un planeta necesita tener al menos 1 bar de presión para tener una ionosfera.

Una fuente constante de radiación

Sin radiación de alta energía, la atmósfera no se ionizará naturalmente. Por lo general, esta es una estrella anfitriona. (También se podrían imaginar escenarios de ciencia ficción inverosímiles con ionosferas generadas artificialmente ...) La estrella anfitriona tiene que producir cantidades suficientes de fotones de alta energía para irradiar la atmósfera.

Agregué la palabra "consistente" a esta sección. La razón es que si la estrella "se apaga" (o pasa por una fase en la que produce fotones EUV insuficientes), la recombinación de carga disiparía lentamente la ionosfera.

Otros factores

Proximidad a la estrella anfitriona / tipo de estrella

Una estrella anfitriona más fría o el planeta más alejado de la estrella provocarán que reciba menos de la alta energía necesaria para la ionización. Lo opuesto también es cierto.

Recibir menos radiación significa que la fracción de moléculas en la ionosfera que se ionizan es más pequeña, lo que lleva a una "ionosfera débil" (es decir, una que está débilmente ionizada).

Para un planeta que recibe más radiación, la ionosfera será más fuerte y más gruesa por dos razones. Primero, la irradiación más alta significa que las pocas moléculas en altitudes más altas tienen más posibilidades de ionizarse, lo que significa que la ionosfera puede ser más alta de lo que sería de otra manera. En segundo lugar, debido a que hay más radiación, aunque $ 1 / e $ se absorbe por encima del nivel de presión de 1 bar, todavía hay una tonelada de radiación que no se ha absorbido. Debido a esto, la ionosfera puede ser más profunda de lo que sería de otra manera.

Composición química

Una composición química diferente podría permitir que una ionosfera sea diferente de lo que he descrito anteriormente. Por ejemplo, si la atmósfera de un planeta está compuesta principalmente por un gas que no absorbe bien el EUV, gran parte del EUV penetrará más profundamente en la atmósfera y provocaría que la ionosfera sea más débil y / o se ubique más profundamente en la atmósfera. O, para un planeta con una atmósfera que absorbe el EUV extremadamente bien, la ionosfera podría estar más alta en la atmósfera.

En resumen, la química de la atmósfera puede hacer que la ionosfera se ubique más arriba o más abajo en la atmósfera, o hacer que se ionice más fuerte o débilmente.

Rotación planetaria

La ionosfera de la Tierra varía de día a noche. Al mediodía local, la ionosfera frente a la estrella anfitriona recibe la máxima radiación incidente, lo que provoca más ionización y una ionosfera más gruesa / fuerte. Por la noche, la atmósfera no recibe esencialmente fotones ionizantes, por lo que la recombinación hace que la ionosfera sea más débil y delgada. (Por la misma razón, un planeta también puede tener variaciones estacionales).