De thermosfeer heeft een hoge temperatuur maar weinig warmte

Dat de temperatuur in de thermosfeer hoog kan oplopen, dat beweert NASA zelf. Het kan er tot 4500 graden Fahrenheit worden, zo'n 2500 graden Celsius. Dat is warm genoeg om de meeste metalen te smelten, en toch is de thermosfeer de laag van de atmosfeer waar de meeste satellieten vliegen. Dat kan niet kloppen, volgens een video die gedeeld wordt op Facebook. Kunnen satellieten wel cirkelen in de thermosfeer en vormen die hoge temperaturen geen bedreiging?

Beoordeling

Satellieten kunnen perfect bestaan in de thermosfeer. De oplossing voor deze vraag zit in het verschil tussen temperatuur en warmte. Hoewel de thermosfeer een hoge temperatuur kent, is er bijzonder weinig warmte aanwezig. 

Feiten

Veel satellieten, zoals het ISS, bevinden zich in de thermosfeer, een van de lagen van de atmosfeer. Het zit tussen de mesosfeer en de exosfeer in en bevindt zich op hoogte van ongeveer 80 tot 1000 km boven het aardoppervlak. Zoals deze afbeelding toont, varieert de temperatuur in de atmosfeer (rechts, rode lijn) sterk van laag tot laag. In de thermosfeer gaat de temperatuur flink de hoogte in; het kan er 2500 graden Celsius (4500 graden Fahrenheit) worden volgens NASA. 

Hoe kan een satelliet blijven werken bij zulke temperaturen, terwijl de smeltpunten van de meeste metalen veel lager liggen? Het antwoord zit in het verschil tussen warmte en temperatuur. Het lijken synoniemen van elkaar, maar binnen de fysica betekenen ze iets anders. 

Warmte en temperatuur

Elke stof bestaat uit deeltjes (moleculen, atomen, elektronen,...) die kunnen trillen of bewegen, wat binnen de fysica wordt uitgedrukt in kinetische energie. Hoe hard de deeltjes bewegen, bepaalt de temperatuur. Snelle beweging betekent hoge temperatuur, trage beweging betekent lage temperatuur. Als deeltjes niet bewegen, zit je op het absolute nulpunt, -273,15 graden Celsius. Kouder kan het niet worden. 

De temperatuur van een object is de gemiddelde kinetische energie van alle deeltjes in dat object. Dat wordt uitgedrukt in graden. Niet elk deeltje in een object heeft dezelfde energie. Bij sommigen is deze heel hoog, bij sommigen heel laag. Maar de temperatuur van het object is het gemiddelde van al deze deeltjes. Een goed voorbeeld, legt fysicus Neil deGrasse Tyson uit, is hoe water bij kamertemperatuur toch deels verdampt. 

Warmte draait om de overdracht van die kinetische energie van het ene object naar het andere, waartussen een verschil in temperatuur bestaat. Hier gaat het niet om het gemiddelde van de energie van alle deeltjes, maar om de som ervan. Hoe meer deeltjes een object heeft, hoe groter de warmte van het object.

Op Youtube geeft deGrasse Tyson het voorbeeld van een kop koffie en de oceaan. Een dampende kop koffie heeft een veel hogere temperatuur dan de oceaan, maar de oceaan heeft veel meer warmte omdat het veel meer deeltjes bevat. Als de kop koffie in de oceaan gegoten wordt, zal de koffie de temperatuur van de oceaan overnemen en de oceaan amper die van de koffie. 

De warmte van de thermosfeer 

Wat heeft dit nu te maken met satellieten en de thermosfeer? De gemiddelde kinetische energie van de deeltjes in de thermosfeer kan erg hoog zijn (door UV-straling van de zon), en daarom kan er een hoge temperatuur zijn. Deze temperatuur wordt overigens niet gemeten, maar eerder berekend, omdat er zo weinig deeltjes aanwezig zijn in de thermosfeer.

Dat er zo weinig deeltjes zijn in de thermosfeer verklaart ook waarom satellieten er niet opbranden. Dat de deeltjes een hoge temperatuur hebben, maakt niet zoveel uit. Ze zijn met zo weinig dat ze amper warmte hebben en dus geen gevaar vormen voor satellieten of astronauten.

Warmte speelt overigens wel een rol wanneer satellieten gelanceerd worden of weer naar aarde terugkeren. Hoe lager in de atmosfeer, hoe meer deeltjes. Deze zijn echter niet allemaal even warm als in de thermosfeer, maar veroorzaken wel warmte door wrijving. Om op te stijgen hebben de meeste raketten daarom een hitteschild. Als satellieten niet meer bruikbaar zijn, worden ze weer richting aarde gestuurd en branden ze meestal daadwerkelijk op in de atmosfeer.

(Stand van zaken: 10.10.2023)