La caractéristique physique fondatrice de l'exosphère est la notion d'exobase, qui définit le niveau critique où le libre parcours moyen des particules (la distance moyenne qu'une particule parcourt entre deux collisions) devient égal à la hauteur d'échelle de l'atmosphère. En dessous de ce niveau, dans la thermosphère, les collisions entre particules sont encore suffisamment fréquentes pour maintenir un comportement de fluide, une distribution maxwellienne des vitesses et un équilibre hydrostatique. Au-dessus de l'exobase, la densité est devenue si extraordinairement faible que les collisions deviennent négligeables. Les particules se déplacent alors librement sur des trajectoires balistiques, soumises uniquement au champ de gravitation terrestre, comme autant de projectiles microscopiques. L'atmosphère cesse de se comporter comme un gaz continu pour devenir un ensemble de particules indépendantes évoluant sans interaction mutuelle.

La composition chimique de l'exosphère est le résultat direct de la stratification par masse qui débute dans la thermosphère. Les constituants les plus légers, capables de s'élever jusqu'à ces altitudes vertigineuses, dominent absolument. L'hydrogène atomique, issu principalement de la photodissociation de la vapeur d'eau dans les couches inférieures, est l'élément le plus abondant de l'exosphère lointaine, où il forme une immense couronne qui s'étend à des dizaines de milliers de kilomètres, la géocouronne. L'hélium, autre élément ultraléger provenant du dégazage radioactif de la croûte terrestre, constitue une composante majeure à des altitudes intermédiaires. On trouve également des traces d'oxygène atomique, d'azote et de carbone, mais en proportions bien moindres que l'hydrogène. Cette composition varie avec l'activité solaire, la saison, et même le cycle jour-nuit, l'ensoleillement direct pouvant accroître temporairement la population de certaines espèces.

Le phénomène le plus emblématique de l'exosphère est l'évasion atmosphérique, la perte lente mais continue de matière vers l'espace. Les atomes d'hydrogène situés à l'exobase et au-dessus, animés de vitesses thermiques élevées en raison de la température extrême de la thermosphère sous-jacente, peuvent dépasser la vitesse de libération terrestre, qui est d'environ 11 kilomètres par seconde à cette altitude. Ce mécanisme, appelé évaporation thermique ou échappement de Jeans, affecte sélectivement les atomes les plus légers et les plus rapides de la distribution de vitesse. Un atome d'hydrogène qui franchit ce seuil gravitationnel s'engage sur une orbite hyperbolique et quitte définitivement l'environnement terrestre pour se perdre dans le milieu interplanétaire. Ce flux constant, bien que très ténu, se chiffre en plusieurs dizaines de milliers de tonnes par an et joue un rôle essentiel dans le cycle géochimique de l'eau sur des échelles de temps géologiques, contribuant à l'oxydation progressive de la croûte terrestre par la perte nette d'hydrogène. D'autres mécanismes d'échappement non thermiques, comme l'échappement de charge-échange impliquant des ions en interaction avec le vent solaire, contribuent également à cette érosion atmosphérique.

La géocouronne, cette enveloppe d'hydrogène atomique qui constitue la partie visible de l'exosphère dans l'ultraviolet lointain, a été photographiée et étudiée depuis l'espace, notamment par les missions Apollo. Elle rayonne dans la raie Lyman-alpha de l'hydrogène, une émission ultraviolette qui, bien qu'invisible à l'Å“il nu, révèle une structure s'étendant bien au-delà de l'orbite lunaire. La géocouronne interagit directement avec le vent solaire, ce flux continu de plasma éjecté par le Soleil. Cette interaction crée une onde de choc en amont de la Terre, la magnétopause, et une longue queue de plasma derrière notre planète. 

Pratiquement dépourvue de toute densité significative, l'exosphère ne manifeste aucun des phénomènes météorologiques, thermiques ou lumineux familiers des couches inférieures. La notion de température y perd même son sens collectif, car en l'absence de collisions, les particules ne peuvent thermaliser; on peut mesurer une température cinétique pour chaque espèce, mais il n'existe pas de température unique du milieu. Les satellites en orbite basse subissent encore une traînée résiduelle dans la thermosphère, mais un engin placé dans l'exosphère, comme un satellite en orbite géostationnaire à 36 000 kilomètres, évolue dans un quasi-vide. Son environnement est entièrement régi par les transferts radiatifs et les interactions avec les particules énergétiques du vent solaire et des ceintures de radiation.

L'exosphère représente ainsi la frontière ultime, à la fois physique et conceptuelle, entre la planète et le cosmos. Elle incarne la dissolution progressive de l'atmosphère dans le vide spatial, un lieu où les derniers atomes liés à la Terre entament leur voyage interplanétaire, et où l'influence de notre étoile commence à dominer sans partage l'environnement immédiat de notre planète.

Les exosphères extraterrestres.
Lorsque l'on étend le concept d'exosphère aux autres corps du Système solaire, on abandonne l'image d'une couronne d'hydrogène entourant une planète bleue pour pénétrer un bestiaire d'enveloppes gazeuses extraordinairement variées, depuis les plus ténues et fugaces jusqu'à des structures hybrides qui défient les classifications terrestres. L'exosphère, par définition, est cette région où la densité des gaz devient si faible que les collisions entre particules cessent d'être significatives, et où chaque atome ou molécule suit une trajectoire balistique individuelle sous l'emprise de la gravité. Dans le Système solaire, ce régime d'atmosphère non collisionnelle est la norme plutôt que l'exception, et il se manifeste dans une diversité de mondes qui, pour beaucoup, ne possèdent que cette seule enveloppe gazeuse.

Mercure, la planète la plus proche du Soleil, offre l'exemple paradigmatique d'une exosphère de surface, une atmosphère si raréfiée qu'elle n'est pas une couche continue mais un nuage de particules individuellement liées au sol par la pesanteur et en interaction directe avec la surface, le vent solaire et le rayonnement. La pression y est inférieure à un millième de milliardième de la pression terrestre, ce qui signifie que les atomes qui la composent (principalement du sodium, du potassium, du calcium, du magnésium et de l'oxygène, détectés par spectroscopie) évoluent sans pratiquement jamais entrer en collision les uns avec les autres. Ces espèces volatiles ne proviennent pas d'un réservoir atmosphérique primitif, car toute atmosphère dense aurait été balayée depuis longtemps par le vent solaire intense dans un faible champ gravitationnel. Elles sont au contraire continuellement arrachées à la surface rocheuse par un ensemble de processus d'altération spatiale : le bombardement par les photons ultraviolets et les ions du vent solaire (pulvérisation cathodique ou sputtering), la vaporisation lors des impacts de micrométéorites, et la désorption thermique de la face éclairée, dont la température dépasse 400°C. L'exosphère mercurienne apparaît ainsi comme une formation éphémère et dynamique, un voile d'atomes fraîchement excavés de la croûte, dont la queue, asymétrique et orientée antisolaire, a été cartographiée par la sonde MESSENGER. Cette queue, composée principalement de sodium, s'étire sur des centaines de rayons planétaires à l'opposé du Soleil, poussée par la pression de radiation lumineuse, qui fait en quelque sorte de Mercure non pas une planète sans atmosphère, mais une sorte de comète rocheuse traînant un panache d'atomes réfractaires.

La Lune de la Terre partage avec Mercure cette nature d'exosphère de surface, et son étude a posé les bases de la compréhension de ce type d'enveloppe. L'exosphère lunaire, détectée pour la première fois par les instruments des missions Apollo, est dominée par des atomes d'hélium-4, d'argon-40, de sodium, de potassium et de radon, avec des traces de méthane, de dioxyde de carbone et d'eau. L'hélium provient en majeure partie du vent solaire implanté dans le régolithe, qui le relâche ensuite lentement. L'argon-40, quant à lui, est un produit de la désintégration radioactive du potassium-40 présent dans les roches lunaires; il suinte continuellement de l'intérieur et s'accumule temporairement, sa concentration augmentant de manière mesurable lors des nuits lunaires quand le froid extrême le fait condenser partiellement. Le sodium et le potassium sont pulvérisés depuis les minéraux par les photons et les ions incidents. L'eau, sous forme de molécules H2O et de radicaux hydroxyles OH, a été détectée en quantités infimes, migrant depuis les basses latitudes chauffées par le Soleil vers les pièges à froid permanents des pôles. L'exosphère lunaire est une population de particules sautant de la surface sur des arcs balistiques, créant un cycle de mobilisation, de déplacement latéral et de redéposition qui fournit un modèle pour toutes les surfaces planétaires sans atmosphère dense.

La planète Mars possède bien une atmosphère collisionnelle, mais sa région la plus externe, au-dessus de l'exobase située vers 200-250 kilomètres d'altitude, forme une exosphère véritable, qui est le théâtre d'une lente hémorragie vers l'espace. Les atomes d'hydrogène, issus de la photodissociation de la vapeur d'eau résiduelle dans la basse atmosphère, ainsi que les atomes d'oxygène et de carbone, s'élèvent et forment une couronne qui interagit avec le vent solaire. Les missions récentes, notamment MAVEN, ont permis de quantifier les mécanismes d'échappement qui, sur des milliards d'années, ont dépouillé la planète rouge de la majeure partie de son eau et de son atmosphère. L'échappement de Jeans, l'évaporation thermique classique des atomes légers, est un contributeur, mais les processus non thermiques sont dominants. L'échappement photochimique, où des réactions ionosphériques confèrent aux atomes une énergie supérieure à celle de leur environnement thermique, et surtout l'échappement par entrainement (sputtering) et par érosion ionique, où les ions du vent solaire arrachent directement des particules atmosphériques, sont les sculpteurs de l'exosphère martienne actuelle et les responsables probables de la transition d'un Mars chaud et humide au désert glacé contemporain.

Les satellites glacés de Jupiter et de Saturne présentent les exosphères les plus exotiques du Système solaire, car elles sont à la fois ténues et d'une grande complexité chimique. Europe, lune de Jupiter, possède une exosphère d'oxygène atomique extrêmement fine. Cet oxygène est arraché molécule par molécule à la surface de glace d'eau par le bombardement incessant de particules chargées piégées dans la magnétosphère jovienne. La radiolyse de la glace brise les molécules d'eau, libérant de l'oxygène et de l'hydrogène; l'hydrogène, plus léger, s'échappe quasi immédiatement dans l'espace, tandis que l'oxygène, plus massif, demeure temporairement lié à la lune, formant une atmosphère globalement asymétrique dont la densité est un milliard de fois plus faible que celle de la Terre. Io, le satellite volcanique, est le siège d'une exosphère sulfureuse complexe. Les panaches volcaniques éjectent du dioxyde de soufre, du soufre atomique, du sodium et du potassium qui, une fois dans l'espace ténu autour d'Io, se dissocient et s'ionisent sous l'effet du rayonnement ultraviolet et du plasma jovien. Cette matière volatile s'échappe ensuite et alimente un gigantesque tore de plasma le long de l'orbite d'Io, ainsi que les aurores polaires de Jupiter elle-même. 

Titan, le plus grand satellite de Saturne, présente un cas intermédiaire et remarquable. Doté d'une atmosphère dense d'azote et de méthane, Titan possède une exosphère au sens classique au-dessus de son exobase, vers 1400 kilomètres. Cependant, la sonde Cassini a révélé que cette exosphère n'est pas une simple couronne d'hydrogène, mais une région chimiquement active où des molécules organiques complexes, les tholins, sont produites et forment une brume détachée. De plus, Titan illustre un type d'enveloppe gazeuse rarissime : une atmosphère qui, bien que dense et collisionnelle dans sa partie profonde, subit une évasion massive depuis son sommet. L'hydrogène s'échappe thermiquement, mais le méthane, dont la durée de vie photochimique est courte, fuit également, suggérant un mécanisme de reconstitution, peut-être par cryovolcanisme, qui fait de l'exosphère de Titan le sommet d'un cycle géochimique global. Encelade, autre lune de Saturne, ne possède qu'une exosphère locale, un gigantesque panache cryovolcanique émanant de fractures au pôle Sud. Ce geyser de vapeur d'eau, de glace, de méthane et de silicates, éjecté directement dans l'espace, est si intense qu'il crée et entretient l'anneau E de Saturne. L'exosphère d'Encelade n'est pas une enveloppe planétaire, mais un jet continu qui s'étend sur des milliers de kilomètres, un fil ténu reliant un océan souterrain à l'immensité du système saturnien.

Les comètes, lorsqu'elles s'approchent du Soleil, développent la manifestation la plus dynamique et visuellement spectaculaire d'une exosphère non liée gravitationnellement : la coma. Le noyau glacé, chauffé par le rayonnement solaire, sublime ses glaces d'eau, de monoxyde et de dioxyde de carbone. Les gaz ainsi libérés ne peuvent être retenus par le champ gravitationnel infime du noyau; ils s'écoulent librement dans l'espace, créant une atmosphère en expansion, une exosphère de sublimation. Celle-ci est radicalement différente des exosphères planétaires car elle n'est pas en équilibre dynamique avec une surface permanente, mais constitue un flux radial vers l'extérieur, chauffé et ionisé, qui donne naissance à la queue ionique rectiligne poussée par le vent solaire et à la queue de poussières courbée par la pression de radiation. La coma est une exosphère à durée de vie limitée, qui se dissipe à jamais dans l'espace interplanétaire, transportant avec elle les éléments volatils primordiaux du Système solaire et les molécules organiques complexes synthétisées dans la nébuleuse protosolaire. Chaque comète qui passe est ainsi un monde qui perd irrémédiablement son atmosphère, une exosphère de naissance qui est en même temps une agonie, et dont le panache visible n'est que la trace éphémère d'une évaporation cosmique.