Espai exterior

Els límits entre la superfície de la Terra i l'espai exterior, la línia de Karman a 100 km (62 mi) i l'exosfera a 690 km (430 mi). No està a escala

L'espai exterior és la part de l'Univers a fora del planeta Terra. No hi ha cap frontera definida entre l'atmosfera terrestre i l'espai exterior. Habitualment se sol considerar que l'espai exterior comença a una alçada de 80 a 120 km de la superfície terrestre. Se'n diu espai exterior per distingir-ho de l'espai aeri (i les zones terrestres). L'espai exterior no està completament buida de matèria (és a dir, no és un buit perfecte) sinó que conté una baixa densitat de partícules, predominantment gas d'hidrogen, així com radiació electromagnètica. Encara que se suposa que l'espai exterior ocupa pràcticament tot el volum de l'univers i durant molt temps es va considerar pràcticament buit, o replet d'una substància anomenada èter, ara se sap que conté la major part de la matèria de l'univers. Aquesta matèria està formada per radiació electromagnètica, partícules còsmiques, neutrins sense massa i fins i tot formes de matèria poc conegudes com la matèria fosca i la energia fosca. De fet en l'univers cadascun d'aquests components contribueix al total de la matèria, segons estimacions, en la següent proporció: matèria condensada freda (0,03%), matèria estel·lar (0,5%), neutrins (partícules sense massa, 0,3%), matèria fosca (25%) i energia fosca (75%). La naturalesa física d'aquestes últimes és encara amb prou feines coneguda. Només es coneixen algunes de les seves propietats pels efectes gravitatoris que imprimeixen en el període de revolució de les galàxies, d'una banda, i en la expansió accelerada de l'univers o inflació còsmica, per un altre.

La línia de Karman s'utilitza convencionalment com a l'inici de l'espai ultraterrestre amb la finalitat de tractats i registres sobre l'espai per a la indústria aeroespacial. El marc de dret internacional de l'espai va ser creat pel Tractat de l'espai exterior, que va ser aprovat per les Nacions Unides el 1967. Aquest tractat s'oposa a qualsevol reclamació de la sobirania nacional i permet que tots els estats explorar l'espai exterior de manera lliure. El 1979, amb el Tractat de la Lluna es consensuar que les superfícies dels cossos celestes, com ara planetes, així com l'espai orbital al voltant, la competència de la comunitat internacional. Les resolucions addicionals sobre l'espai exterior han estat elaborades per les Nacions Unides, però aquestes no han impedit el desplegament d'armes a l'espai exterior.

Descobriment

Al voltant de l'any 350 A.C, el filòsof grec Aristòtil va suggerir que la natura avorreix el buit, un principi que es coneix com la horror vacui. Aquest concepte construït sobre l'argument ontològic al segle V pel filòsof grec Parmènides, que va negar la possible existència d'un buit en l'espai. Amb base en aquesta idea que el buit no podia existir, a occident es va dur a terme àmpliament que l'espai no podra estar buit des de fa molts segles. A finals del segle XVII, el filòsof francès René Descartes va argumentar que la totalitat de l'espai havia de ser omplert.

En l'antiga Xina, hi havia diverses escoles de pensament sobre la naturalesa del cel, algunes de les quals tenien una semblança a la comprensió moderna. Al segle II AC, l'astrònom Zhang Heng es va convèncer que l'espai ha de ser infinit, que s'estén molt més enllà del mecanisme que dóna suport al Sol i les estrelles. Els llibres que sobreviuen de l'escola Hsüan Yeh diuen que els cels eren sense límits, "buit i sense gens de substància". De la mateixa manera, el "sol, la lluna, i la companyia d'estrelles suren en l'espai buit, en moviment o parat".

El científic italià Galileo Galilei sabia que l'aire tenia pes i així se subjecta a la gravetat. El 1640, va demostrar que una força establerta resistia la formació d'un buit. No obstant això, seguiria sent del seu alumne Evangelista Torricelli qui creés un aparell que podria produir un buit el 1643. Aquest experiment va donar com a resultat el primer baròmetre de mercuri i va ser una sensació científica a Europa. El matemàtic francès Blaise Pascal va raonar que si la columna de mercuri va ser recolzat per aire i després la columna ha de ser menor a major altura on la pressió de l'aire és menor. El 1648, el seu cunyat, Florin Perier, va repetir l'experiment en la montanya Puy-de-Dôme al centre de França i es va descobrir que la columna va ser més curta per tres polzades. Aquesta disminució de la pressió s'ha demostrat encara més mitjançant la realització d'un globus mig ple dalt d'una muntanya i es veu que poc a poc s'infla, però després és desinfla al descens.

Els hemisferis de Magdeburg originals (a baix a l'esquerra) que s'utilitza per demostrar la bomba de buit d'Otto von Guericke (a la dreta)

El 1650, el científic alemany Otto von Guericke va construir la primera bomba de buit: un dispositiu que refuta el principi de "l'horror vacui". Ell va observar correctament que l'atmosfera de la Terra envolta el planeta com una petxina, amb la densitat disminuint gradualment amb l'altitud. Va arribar a la conclusió que ha d'haver un buit entre la Terra i la Lluna.

En el segle XV, el teòleg alemany Nicolaus Cusanus va especular que l'univers no tenia un centre i una circumferència. Creia que l'univers, encara que no és infinit, no pot ser considerat com a finit, ja que no tenia límits dins dels quals podria ser continguda. Aquestes idees van donar lloc a especulacions pel que fa a la dimensió infinita de l'espai pel filòsof italià Giordano Bruno en el segle XVI. Va ampliar la cosmologia heliocentrista copernicana amb el concepte d'un univers infinit ple d'una substància que va anomenar èter, que no causa resistència als moviments dels cossos celestes. El filòsof anglès William Gilbert va arribar a una conclusió similar, argumentant que les estrelles són visibles a nosaltres només perquè estan envoltades per un èter fi o un buit. Aquest concepte d'un èter que es va originar amb els filòsofs de l'antiga Grècia, incloent Aristòtil, que es concep com el mitjà pel qual els cossos celestes es movien.

El concepte d'un univers ple d'un èter luminífer es va mantenir en voga entre alguns científics fins a principis del segle XX. Aquesta forma d'èter va ser vist com el mitjà a través del qual la llum pot propagar-se. El 1887, en l'experiment de Michelson-Morley es va tractar de detectar el moviment de la Terra a través d'aquest mitjà, buscant canvis en la velocitat de la llum depenent de la direcció de moviment del planeta. No obstant, el valor nul s'indica que alguna cosa estava malament amb el concepte. La idea de l'èter lumínic que després va ser abandonat. Se substitueix per la teoria de la relativitat especial d'Albert Einstein, que sosté que la velocitat de la llum en el buit és una constant fixa, independent del moviment de l'observador o sistema de referència.

El primer astrònom professional per donar suport al concepte d'un univers infinit va ser l'anglès Thomas Digges al 1576. Però l'escala de l'univers no es va conèixer fins a la primera mesura satisfactòria de la distància a un estel proper el 1838 per l'astrònom alemany Friedrich Bessel. Va demostrar que l'estrella 61 Cygni tenia un paral·laxi de només 0,31 arcsegonss (en comparació amb el valor actual de 0,287&Primer;). Això correspon a una distància de més de 10 anys llum. La distància amb la gran galàxia d'Andròmeda es va determinar el 1923 per l'astrònom nord-americà Edwin Hubble mesurant la brillantor de les variables cefeides en aquella galàxia, una nova tècnica descoberta per Henrietta Leavitt. Això va determinar que la galàxia d'Andròmeda, i per extensió totes les galàxies, estan molt per fora de la Via Làctia.

El concepte modern de l'espai exterior es basa en la cosmologia del Big Bang, proposat per primera vegada el 1931 pel físic belga Georges Lemaître. Aquesta teoria sosté que l'univers observable es va originar a partir d'una forma molt compacta que des d'aleshores ha estat objecte de contínua expansió. La matèria que es va mantenir després de l'expansió inicial ha experimentat des de llavors un col·lapse gravitatori per crear estrelles, galàxies i altres objectes astronòmics, deixant rere seu un buit profund que es forma el que ara s'anomena l'espai exterior. Com la llum té una velocitat finita, aquesta teoria també limita la mida de l'univers observable directament. Això deixa oberta la qüestió de si l'univers és finit o infinit.

El terme espai exterior va ser utilitzat el 1842 per la poetisa anglesa Lady Emmeline Stuart-Wortley al seu poema "La Donzella de Moscou". L'expressió espai exterior va ser utilitzada com un terme astronòmic per Alexander von Humboldt el 1845. Més tard es va popularitzar en els escrits de H. G. Wells el 1901. El terme curt espai és en realitat més antinc, i utilitzat per primera vegada per referir-se a la regió més enllà del cel de la Terra al poema Paradise Lost de John Milton' el 1667.

Entorn

La imatge del Camp ultra profund del Hubble mostra una secció típica de l'espai contenint 10.000 galàxies intercalades amb buit profund. Tenint en compte que la velocitat de la llum és finita, aquest punt de vista cobreix els últims 13 bilions d'anys de la història de l'espai exterior.

L'espai exterior és la més propera aproximació natural a un buit perfecte. Té poca fricció, permetent les estrelles, planetes i llunes moure's lliurement al llarg de les seves òrbites ideals. No obstant això, fins i tot el buit profund de l'espai intergalàctic no està exempt de matèria, ja que conté uns pocs àtoms de proti per metre cúbic. En comparació, l'aire que respirem conté al voltant de 10²⁵ molècules per metre cúbic. La densitat de la matèria dispersa en l'espai exterior significa que radiació electromagnètica poden viatjar grans distàncies sense ser dispersats: el recorregut lliure mig d'un fotó a l'espai intergalàctic està sobre els 10²³ km, o 10 bilions d'anys llum. Malgrat això, l'extinció, que és l'absorció i dispersió de fotons per la pols i el gas, és un factor important en l'astronomia galàctica i intergalàctica.

Estrelles, planetes i llunes conservar les seves atmosferes per l'atracció gravitacional. Les atmosferes no tenen límits clarament delineats: la densitat del gas atmosfèric disminueix gradualment amb la distància des de l'objecte fins que es torna indistingible de la de l'ambient circumdant. La pressió atmosfèrica de la Terra descendeix a aproximadament 3.2 × 10⁻²Pa als 100 km d'altitud, comparat als 100 kPA per la definició de la IUPAC sobre la pressió estàndard. Més enllà d'aquesta altitud, la pressió del gas isotròpic es converteix ràpidament en insignificant en comparació amb la pressió de radiació del Sol i la pressió dinàmica del vent solar. La termosfera en aquest rang té grans gradients de pressió, temperatura i composició, i varia en gran mesura a causa del clima espacial.

A la Terra, la temperatura es defineix en termes de l'activitat cinètica de l'atmosfera circumdant. No obstant això, la temperatura del buit no es pot mesurar d'aquesta manera. En el seu lloc, la temperatura es determina per mesurament de la radiació. Tot l'Univers observable és ple de fotons que van ser creats en el Big Bang, que es coneix com la radiació còsmica de fons (CMB). (és molt probable que hi hagi un nombre corresponentment gran de neutrins anomenats fons còsmic de neutrins.) La temperatura general del cos fosc de la radiació de fons és d'aproximadament 3 K (−270 °C; −454 °F). Algunes regions de l'espai exterior poden contenir partícules d'alta energia que tenen una temperatura molt més alta que el CMB, com ara la corona del Sol.

Fora d'una atmosfera protectora i el camp magnètic, hi ha alguns obstacles per al pas a través de l'espai de partícules subatòmiques energètiques conegudes com a raigs còsmics. Aquestes partícules tenen energies que varien des d'aproximadament 10⁶ eV fins a un extrem de 10²⁰ eV de raigs còsmics d'energia ultra alta. El màxim flux dels raigs còsmics es produeix a energies d'aproximadament 10⁹ eV, amb aproximadament el 87% protons, 12% de nuclis d'heli i 1% de nuclis més pesats. En el rang d'alta energia, el flux d'electrons és només aproximadament l'1% de la de protons. Els raigs còsmics poden danyar els components electrònics i representen una amenaça per a la salut als viatgers espacials.

Efecte en els òrgans humans

Vegeu també: Exposició a l'espai i Ingravidesa

A causa dels riscos d'un buit, els astronautes han de portar un vestit espacial pressuritzat mentre s'està a fora de la seva nau espacial

Contrari a la creença popular, una persona exposada de sobte al buit no explotaria, moriria de fred o per la seva pròpia sang bullint, però trigaria poc temps en morir d'asfixia (anòxia). El vapor d'aigua començaria a bullir des de les àrees exposades com la còrnia de l'ull i juntament amb l'oxigen, des de les membranes dins dels pulmons. Traslladar-se des del nivell del mar fins a l'espai exterior produeix una diferència de pressió d'uns 15 psi (103 410Pa), equivalent a sortir a la superfície des d'una profunditat sota l'aigua d'uns 10 metres.

Com, a conseqüència d'una descompressió ràpida de qualsevol oxigen dissolt en la sang es buiden en els pulmons per intentar igualar el gradient de la pressió atmosfèrica. Una vegada que la sang desoxigenada arriba al cervell, els éssers humans i els animals perden la consciència després d'uns segons i moren de hipòxia en qüestió de minuts. La sang i altres líquids del cos bullen quan la pressió cau per sota de 6,3 kPa, i aquesta condició es diu ebullisme. El vapor pot inflar el cos fins a dues vegades la seva grandària normal i alentir la circulació, però els teixits són elàstics i prou porosos per evitar el trencament. L'ebullisme es realitza més lent per la contenció de la pressió dels vasos sanguinis, de manera que una mica de sang es manté líquida. La inflamació i l'ebullisme es pot reduir mitjançant la contenció en un vestit de vol. Els astronautes del transbordador espacial utilitzar un vestit elàstic ajustat anomenat Crew Altitude Protection Suit (CAPS) que impedeix l'ebullisme a pressions tan baixes com els 2 kPa. Els vestits espacials són necessaris en els 8 km d'altitud per proporcionar oxigen suficient per respirar i per evitar la pèrdua d'aigua, mentre que per sobre dels 20 km que són essencials per prevenir l'ebullisme. La majoria dels vestits espacials utilitzen una pressió al voltant de 30–39 kPa d'oxigen pur, aproximadament la mateixa que en la superfície de la Terra. Aquesta pressió és prou alta per evitar l'ebullisme, però l'evaporació de la sang podria causar encara el síndrome de descompressió i embolia gaseosa si no circula.

Com els éssers humans s'han optimitzat per a la vida amb la gravetat a la Terra, l'exposició a la ingravidesa s'ha demostrat que té efectes nocius sobre la salut. Inicialment, més del 50% d'astronautes experimenten el síndrome d'adaptació a l'espai. Això pot causar nàusea i vòmit, vertigen, cefalàlgia, fatiga muscular, i malestar general. La durada d'aquest síndrome de l'espai varia, però sol durar 1-3 dies, després de la qual cosa el cos s'adapta al nou entorn. L'exposició a llarg termini a la ingravidesa causa atrofia muscular i deterioració de l'esquelet, o osteopènia espacial. Aquests efectes poden ser minimitzats a través d'un règim d'exercici. Altres efectes inclouen la redistribució de fluids, l'alentiment del sistema cardiovascular, disminució de la producció de glòbul vermells, trastorns de l'equilibri, i un debilitament de la sistema immunitari. Símptomes menors inclouen la pèrdua de massa corporal, congestió nasal, alteracions del son, i la inflor de la cara.

Per als viatges de llarg termini, la radiació pot representar un perill agut per a la salut. L'exposició a les fonts de radiació, com ara alta energia dels raigs còsmics ionitzants pot resultar en fatiga, nàusees, vòmits, així com danys en el sistema immunitari i canvis en la generació de glòbuls blancs. Durant un període prolongat, els símptomes inclouen un augment en el risc de càncer, danys als ulls, sistema nerviós, els pulmons i l'aparell digestiu. En una missió de viatge d'anada i tornada a Mart amb una una durada de tres anys, gairebé tot el cos estaria travessada pels nuclis d'alta energia, cadascun del qual pot causar dany a les cèl·lules per ionització. Afortunadament, la majoria d'aquestes partícules són significativament atenuades pel blindatge proporcionat per les parets d'alumini d'una nau espacial, i pot ser encara més disminuïda pels recipients d'aigua i altres obstacles. No obstant això, l'impacte dels raigs còsmics sobre el blindatge produeix radiació addicional que pot afectar a la tripulació. La investigació addicional és necessària per avaluar els perills de la radiació i determinar les contramesures adequades.

Límit de la Terra

Fitxer:Spaceship One in flight 1.jpg

SpaceShipOne va completar el primer vol espacial privat tripulat el 2004, aconseguint una altitud de 100.124 km

No hi ha un límit clar entre la atmosfera terrestre i l'espai, ja que la densitat de l'atmosfera decreix gradualment a mesura que la altitud augmenta. No obstant això, la Federació Aeronàutica Internacional ha establert la línia de Karman a una altitud de 100 quilòmetres com una definició de treball per al límit entre l'atmosfera i l'espai. Això s'utilitza perquè, com Theodore von Kármán va calcular, per sobre d'una altitud d'uns 100 km, un vehicle típic hauria de viatjar més ràpid que la velocitat orbital per poder obtenir suficient sustentació aerodinàmica per sostenir-se. Els Estats Units designen a les persones que viatgen per sobre d'una altitud de 80 km com astronautes. Durant la reentrada atmosfèrica, l'altitud de 120 km marca el límit on la resistència atmosfèrica es converteix en perceptible.

Al 2009, els científics de la Universitat de Calgary van informar detalladament que havien construït un instrument anomenat Supra-Thermal Ion Imager (un instrument que mesura la direcció i velocitat dels ions), això els va permetre establir un límit en 118 km per sobre de la Terra. La frontera representa el punt mitjà d'una transició gradual al llarg de desenes de quilòmetres dels vents relativament suaus de l'atmosfera de la Terra als corrents carregats més violents de les partícules a l'espai, que poden assolir velocitats de més de 1000 km/h.

Estatus legal

Article principal: Llei espacial

Llançament del míssil SM-3 al 2008 per destruir el satèl·lit espia americà USA-193

El Tractat de l'espai exterior proporciona el marc bàsic per al dret internacional de l'espai. Aquest tractat cobreix l'ús legal de l'espai ultraterrestre pels estats-nació, i inclou en la seva definició de "l'espai exterior", la Lluna i altres cosos celestes. El tractat estableix que l'espai ultraterrestre és lliure per a tots els Estats nacionals a explorar i no està subjecte a les reclamacions de sobirania nacionals. També es prohibeix el desplegament d'armes nuclears a l'espai exterior. El tractat va ser aprovat per l'Assemblea General de les Nacions Unides al 1963 i signada al 1967 per la USSR, els Estats Units d'Amèrica i el Regne Unit. L'1 de gener de 2008, el tractat es va ratificar per 98 estats i signar per altres 27.

Entre el 1958 i el 2008, l'espai exterior ha estat objecte de múltiples resolucions de l'Assemblea General de Nacions Unides. D'aquests, més de 50 han estat relatives a la cooperació internacional en els usos pacífics de l'espai ultraterrestre i la prevenció d'una carrera d'armaments en l'espai. S'han negociat i redactat quatre lleis espacials més per la Comissió de l'Espai de les Nacions Unides. No obstant això, no queda cap prohibició legal de desplegament d'armes convencionals en l'espai, i les armes antisatèl·lits han estat provades amb èxit pels EUA, l'URSS i la Xina. El Tractat de la Lluna de 1979 es va declarar la jurisdicció de tots els cossos celestes (incloent les òrbites al voltant dels òrgans) al llarg de la comunitat internacional. No obstant això, aquest tractat no ha estat ratificat per cap país que en l'actualitat practiqui vols espacials tripulats.

El 1976, vuit estats equatorials (Equador, Colòmbia, Brasil, Congo, Zaire, Uganda, Kenya i Indonèsia) es van reunir a Bogotà, Colòmbia. Es va realitzar la "Declaració de la Primera Reunió dels països equatorials", també coneguda com "la Declaració de Bogotà", on van fer un reclam per controlar el segment de la trajectòria orbital geosíncrona corresponent a cada país. Aquestes afirmacions no són acceptades internacionalment.

Espai i òrbita

Una nau espacial entra en òrbita quan es té la suficient velocitat horitzontal per a la seva acceleració centrípeta a causa de la gravetat a ser menor o igual a l'acceleració centrífuga causa de la component horitzontal de la seva velocitat. Per a una òrbita terrestre baixa, aquesta velocitat és d'aproximadament 7.900 m/s; per contra, la major velocitat mai aconseguida en avió (amb exclusió de les velocitats assolides per la nau espacial en sortida d'òrbita) va ser 2.200 m/s el 1967 pel X-15 nord-americà.

Per aconseguir una òrbita, una nau espacial ha de viatjar més ràpid que un vol suborbital. L'energia necessària per assolir la velocitat orbital de la Terra a una altitud de 600 km és d'uns 36 MJ/kg, que és sis vegades més l'energia necessària per pujar a l'altitud corresponent. Una nau espacial amb un perigeu per sota d'aproximadament 2.000 km està subjecte a arrossegar-se des de la atmosfera de la Terra, que farà que l'altura de l'òrbita disminueixi. La taxa de degradació orbital depèn de la secció transversal del satèl·lit i la seva massa, així com variacions en la densitat de l'aire de l'atmosfera superior. per sota d'aproximadament 300 km, la decadència es fa més ràpida, amb temps de vida mesurat en dies. Quan un satèl·lit baixa a 180 km, començarà a cremar-se en l'atmosfera. La velocitat d'escapament necessària per alliberar-se del camp gravitacional de la Terra per complet i moure's cap a l'espai interplanetari està sobre els 11.000 m/s.

La gravetat de la Terra s'estén molt més enllà del cinturó de Van Allen i manté a la Lluna en òrbita a una distància mitjana de 384.403 km. La regió de l'espai on la gravetat d'un planeta tendeix a dominar el moviment dels objectes en presència d'altres cossos pertorbadors (com ara un altre planeta) es coneix com l'esfera de Hill. Per a la Terra, aquesta esfera té un radi d'aproximadament 1.500.000 km.

Regions

L'espai és un buit parcial: les seves diferents regions estan definides per les diferents atmosferes i "vents" que hi dominen, i s'estenen fins al punt en què els vents donen pas als aliens. El geoespai s'estén des de l'atmosfera de la Terra als confins del camp magnètic de la Terra, amb la qual cosa es dóna pas al vent solar de l'espai interplanetari. L'espai interplanetari s'estén al l'heliopausa, amb la qual cosa el vent solar dóna pas als vents del medi interestel·lar. L'espai interestel·lar després continua fins a les vores de la galàxia, on s'esvaeix en el buit intergalàctic.

Geoespai

Aurora australis observada des del transbordador espacial Discovery, el STS-39, el maig del 1991 (alçada de l'òrbita: 260 km)

El geoespai és la regió de l'espai exterior més aprop de la Terra. S'inclou la regió superior de l'atmosfera, així com la magnetosfera. El límit exterior del geoespai és la magnetopausa, que constitueix una interfície entre la magnetosfera del planeta i el vent solar. El límit interior és la ionosfera. D'altra banda,el geoespai és la regió de l'espai entre l'atmosfera superior de la Terra i dels límits exteriors del camp magnètic de la Terra. Com les propietats físiques i el comportament d'un espai proper a la Terra es veuen afectades pel comportament del Sol i el clima espacial, el terme "geoespai està interrelacionat amb l'heliofísica; l'estudi del Sol i el seu impacte en els planetes del Sistema Solar.

El volum de geoespai definit per la magnetopausa es compacta en la direcció del sol per la pressió del vent solar, donant-li una distància típica subsolar de deu radis de la Terrades del centre del planeta. No obstant això, la cua pot estendre cap a l'exterior a més de 100–radis terrestres. El cinturó de radiació de Van Allen es troba dins de la informació geoespacial. La regió entre l'atmosfera terrestre i la Lluna es refereix a vegades com "espai cis-lunar". La Lluna passa a través del geoespai a menys de quatre dies cada mes, durant el qual la superfície està protegida del vent solar.

El geoespai s'omple per les partícules carregades elèctricament a densitats molt baixes, els moviments dels quals són controlats pel camp magnètic terrestre. Aquests plasmes formen un medi del qual, com a tempesta de disturbis impulsades pel vent solar i que pot conduir corrent elèctric en l'atmosfera superior de la Terra. Durant les tempestes geomagnètiques, dues regions del geoespai, els cinturons de radiació i la ionosfera, poden arribar a ser molt pertorbades. Aquestes tempestes augmenten els fluxos d'electrons d'alta energia que poden danyar permanentment l'electrònica de satèl·lits, interrompre les telecomunicacions i les tecnologies de GPS, i també pot ser un perill per als astronautes, fins i tot en una òrbita terrestre baixa. També creen auroraes vistes prop de pols magnètics.

Tot i que compleix amb la definició de l'espai ultraterrestre, la densitat de l'atmosfera dins dels primers centenars de quilòmetres per sobre de la línia de Karman és encara suficient per produir importants resistències en satèl·lits. La majoria dels satèl·lits artificials operen en aquesta regió de l'òrbita terrestre baixa i s'ha d'encendre els seus motors cada pocs dies per mantenir l'òrbita. Aquesta regió conté material sobrant d'anteriors llançaments tripulats i no tripulats que són un perill potencial per la nau espacial. Part d'aquesta brossa torna a entrar en l'atmosfera de la Terra de forma periòdica. La resistència aquí és prou baixa que en teoria podria ser superada per la pressió de la radiació en les vel·les solars, un sistema de propulsió proposat pel viatge interplanetari.

Interplanetari

Article principal: Medi interplanetari

Fitxer:Comet Hale Bopp NASA.jpg

El plasma escàs (blau) i pols (blanc) a la cua del Cometa Hale-Bopp es veu determinat per la pressió de la radiació i el vent solar, respectivament

L'espai interplanetari, l'espai al voltant del Sol i els planetes del Sistema Solar, és la regió dominada pel medi interplanetari, que s'estén cap a l'heliopausa on la influència del medi ambient galàctic comença a dominar sobre el camp magnètic i el flux de partícules del Sol. L'espai interplanetari està definit pel vent solar, un flux continu de partícules carregades que emana del Sol, que crea una molt tènue atmosfera (l'heliosfera) per milers de milions de quilòmetres en l'espai. Aquest vent té una densitat de partícules de 5–10 protons/cm³ i es mou a una velocitat de 350-400 km/s. La distància i la força de la heliopausa varia en funció del nivell d'activitat del vent solar. El descobriment des del 1995 dels planetes extrasolars vol dir que altres estrelles han de posseir els seus propis medis interplanetaris.

El volum de l'espai interplanetari és un buit gairebé total, amb un recorregut lliure mig d'aproximadament una unitat astronòmica a la distància orbital de la Terra. No obstant això, aquest espai no està completament buit, i està poc ple raigs còsmics, que inclouen nuclis atòmics ionitzats i diverses partícules subatòmiques. Existeix també el gas, plasma i la pols, els petits meteors, i diverses desenes de tipus de mol·lècules orgàniques descobertes fins ara per l'espectroscopia rotacional.

L'espai interplanetari conté el camp magnètic generat pel Sol. També hi ha magnetosferes generades pels planetes com Júpiter, Saturn, Mercuri i la Terra que tenen els seus propis camps magnètics. Aquests són modelades per la influència del vent solar en l'aproximació d'una forma de llàgrima, amb la llarga cua que s'estén cap a l'exterior per darrere del planeta. Aquests camps magnètics poden atrapar les partícules del vent solar i altres fonts, la creació de cinturons de partícules magnètiques, com ara el cinturó de radiació de Van Allen. Els planetes sense camps magnètics, com ara Mart, tenen les seves atmosferes gradualment erosionades pel vent solar.

Interestel·lar

Article principal: Medi interestel·lar

Representació de la interacció entre l'heliosfera del Sol (centredreta) i el medi interestel·lar (esquerra), formant un xoc en arc

L'espai interestel·lar és l'espai físic dins d'una galàxia no ocupada per les estrelles o dels seus sistemes planetaris. El medi interestel·lar resideix -per definició- en l'espai interestel·lar. La densitat mitjana de matèria en aquesta regió és d'aproximadament 10⁶ partícules per m³, però això varia d'un mínim de prop 10⁴–10⁵ a les regions de la matèria dispersa fins al 10⁸–10¹⁰ en la nebulosa fosca. Les regions de la formació estel·lar poden arribar 10¹²–10¹⁴ partícules per m³. Gairebé el 70% d'aquesta massa es compon d'àtoms d'hidrogen solitaris. Això s'enriqueix amb àtoms d'heli, així com traces d'àtoms més pesats formats a través nucleosíntesi estel·lar. Aquests àtoms poden ser expulsats al medi pel vent estel·lar, o quan es van desenvolupar les estrelles van començar a llançar les seves sobres exteriors com en la formació d'una nebulosa planetària. L'explosió cataclísmica d'una supernova genera una ona de xoc expansiva que consisteix en diversos materials que són expulsats, així com raigs còsmics galàctics. Existeix un cert nombre de molècules en l'espai interestel·lar, de fins a 0,1 μm en partícules de pols.

El medi interestel·lar local és una regió de l'espai dins dels 100 parsecs (pc) del Sol, que és d'interès tant per la seva proximitat i per la seva interacció amb el Sistema Solar. Aquest volum gairebé coincideix amb una regió de l'espai coneguda com la bombolla local, que es caracteritza per una sèrie de núvols poc densos i freds. Es forma una cavitat en el Braç d'Orió de la galàxia, la Via Làctia, amb núvols moleculars densos estesos al llarg de les vores, com ara els de les constel·lacions d'Ophiuchus i Taurus. (La distància real a la frontera d'aquesta cavitat varia des 60-250 PC o més.) Aquest volum conté al voltant de 10⁴–10⁵ estrelles i el gas interestel·lar local es contraposa a les astrosferes que envolten aquestes estrelles, amb el volum de cada esfera variant depenent de la densitat local del medi interestel·lar. La Bombolla Local conté dotzenes de càlids núvols interestel·lars amb temperatures de fins 7.000 K i els radis de 0,5–5 pc.

Intergalàctic

L'espai intergalàctic és l'espai físic entre galàxies. Els espais enormes entre cúmuls de galàxies se'n diuen buits. Les estimacions actuals situen densitat mitjana d'energia de l'univers en l'equivalent de 5,9 protons per metre cúbic, incloent energia fosca, matèria fosca, i ordinaria, [[matèria bariònica], o àtoms. Els àtoms només representen el 4,6% de la densitat d'energia total, o una densitat d'un protó per cada quatre metres cúbics. La densitat de l'univers, però, clarament no és uniforme sinó que varia de densitat relativament alta en les galàxies, inclosa la densitat molt alta en les estructures dins de les galàxies, com ara planetes, estrelles, i forats negres—a les condicions en els buits grans que tenen una densitat molt més baixa, si més no en termes de matèria visible.

Al voltant i estent-se entre galàxies, hi ha un plasma enrarit que s'organitza en una estructura de filaments còsmics. Aquest material se'n diu medi intergalàctic (IGM). La densitat del IGM és de 5-200 vegades la densitat mitjana de l'univers. Es compon principalment d'hidrogen ionitzat; p.e. un plasma format per un nombre igual d'electrons i protons. Quan el gas cau en el medi intergalàctic des dels buits, s'escalfa a temperatures de 10⁵ K to 10⁷ K, que és prou alta perquè les col·lisions entre els àtoms tenen l'energia suficient per fer que els electrons s'escapin dels nuclis d'hidrogen, és per això que l'IGM s'ionitza. A aquestes temperatures, s'en diu el medi calent intergalàctic (WHIM). (Encara que el gas és molt calent per als estàndards terrestres, 10⁵ K sovint es diu "calent" a la astrofísica.) Les simulacions per ordinador i observacions indiquen que fins a la meitat de la matèria atòmica en l'univers pot existir en aquest càlid i calent, estat enrarit. Quan el gas cau de les estructures filamentoses de la WHIM als cúmuls de galàxies en les interseccions dels filaments còsmics, es pot escalfar encara més, arribant a temperatures de 10⁸ K i per sobre de l'anomenat medi intracúmul.

Exploració i aplicacions

Articles principals: Exploració espacial, Colonització de l'espai, i Indústria espacial

Yuri Gagarin, primer humà a l'espai

Per a la majoria de la història humana, l'espai va ser explorat per l'observació remota; inicialment a ull nu i després amb el telescopi. Abans de l'arribada de la tecnologia del coet, el més proper que els humans havien arribat a aconseguir per arribar a l'espai ultraterrestre era mitjançant l'ús de vols en globus. El 1935, els EUA van construir el Explorer II, amb el primer vol en globus tripulat que havia assolit una altitud de 22 km. Això es va superar en gran mesura el 1942, quan el tercer llançament del coet A-4 alemany va aconseguir una altitud de prop de 80 km. El 1957, el satèl·lit no tripulat Sputnik 1 va ser llançat per un coet R-7 rus, arribant a l'òrbita de la Terra a una altitud de 215-939 km. Això va ser seguit pel primer vol espacial humà el 1961, quan Yuri Gagarin va ser enviat en òrbita en el Vostok 1. Els primers éssers humans en escapar de l'òrbita de la Terra van ser Frank Borman, Jim Lovell i William Anders el 1968 sobre l'Apollo 8, que van arribar a l'òrbita lunar i van assolir una distància màxima de 377.349 km de la Terra.

Per tal d'explorar altres planetes, una nau espacial ha d'arribar a la velocitat d'escapament, el que li permetrà viatjar més enllà de l'òrbita de la Terra. La primera nau espacial per aconseguir aquesta gesta va ser el Luna 1 de la Unió Soviètica, que es va realitzar un sobrevol de la Lluna el 1959. Al 1961, el Venera 1 va esdevenir la primera sonda planetària. Va revelar la presència del vent solar i va realitzar el primer sobrevol del planeta Venus, encara que el contacte es va perdre abans d'arribar a Venus. La primera missió planetària va ser l'exitós sobrevol del Mariner 2 de Venus al 1962. La primera nau espacial que va dur a terme un sobrevol de Mart va ser el Mariner 4, que va arribar al planeta el 1964. Des d'aquest moment, s'han enviats diverses naus espacials no tripulades per examinar amb èxit cada un dels planetes del sistema solar, a més de les seves llunes i molts planetes menors i cometes. Segueixen sent una eina fonamental per a l'exploració de l'espai ultraterrestre, així com l'observació de la Terra.

L'absència d'aire fa que l'espai exterior (i la superfície de la Lluna) siguin llocs ideals per a l'astronomia en totes les longituds de l'espectre electromagnetic, com ho demostren les espectaculars imatges enviades pel Telescopi espacial Hubble, permeten llum sobre 13,7 bilions d'anys—gairebé fins al moment del Big Bang-per ser observats. No obstant això, no tots els llocs en l'espai són ideals per a un telescopi. El núvol de pols interplanetària emet una difusa radiació de l'infraroig proper que pot emmascarar l'emissió de fonts febles com ara planetes extrasolars. Desplaçant un telescopi d'infraroig fora més enllà de la pols augmentarà l'eficàcia de l'instrument. Així mateix, un lloc com el cràter Daedalus en la cara oculta de la Lluna podria protegir un radiotelescopi de la interferència electromagnètica que dificulten les observacions des de la Terra.

El buit de l'espai profund podria ser un entorn atractiu per a certs processos industrials, com les que requereixen de superfícies ultra netes.

Satèl·lits

Article principal: Satèl·lit artificial

Hi ha molts satèl·lits artificials orbitant la Terra, incloent satèl·lits de comunicacions geosíncrons a 35.786 km sobre el nivell del mar sobre l'equador. Les seves òrbites mai es "deterioren" perquè gairebé no hi ha matèria per exercir resistència per fricció. Hi ha també una creixent dependència de satèl·lits que proveeixen de Sistema de posicionament global (GPS), per a usos militars i civils. Una idea equivocada comuna és que les persones que estan en òrbita estan fora de la gravetat de la Terra perquè estan "surant", però suren perquè estan en caiguda lliure: la força de la gravetat i la seva velocitat lineal creen una força centrípeta interior que no els permet volar fora, cap a l'espai. La gravetat de la Terra s'aconsegueix més enllà del cinturó de Van Allen i manté la Lluna en òrbita a una distància mitjana de 384.403 km. La gravetat de tots els cossos celestes tendeix a zero amb la inversa del quadrat de la distància.

Fites en el camí cap a l'espai

• Nivell del mar: 100 kPa (1 atm; 1 bar; 760 mm Hg) de pressió atmosfèrica.
• 4,6 km: l'Administració Federal d'Aviació dels Estats Units exigeix oxigen suplementari pels pilots i passatgers de avions.
• 5,0 km: 50 kPa de pressió atmosfèrica.
• 5,3 km: hi ha mitja atmosfera de la Terra per sota d'aquesta altitud.
• 8,0 km: zona de la mort per als escaladors humans.
• 8,8 km: cim de la Muntanya Everest, la muntanya més alta de la Terra (26 kPa).
• 16 km: Cabina pressuritzada o vestit pressuritzat requerit.
• 18 km: Límit entre la troposfera i la estratosfera.
• 20 km: aigua a temperatura ambient bull sense un recipient pressuritzat. La noció popular que els fluids del cos començarien a bullir en aquest punt és falsa perquè el cos genera suficient pressió interna per evitar-ho.
• 24 km: els sistemes normals de pressurització dels avions ja no funcionen.
• 32 km: els turborreactors ja no funcionen.
• 34,7 km: rècord d'altitud per a vol de globus aerostàtic tripulat.
• 45 km: els estatorreactors ja no funcionen.
• 50 km: límit entre l'estratosfera i la mesosfera
• 80 km: límit entre la mesosfera i la termosfera. Definició nord-americana de vol espacial.
• 100 km: línia de Karman, defineix el límit de l'espai exterior segons la Federació Aeronàutica Internacional. Superfícies aerodinàmiques ineficaces a causa de la baixa densitat atmosfèrica. La velocitat d'ascens generalment supera a la velocitat orbital. Turbopausa.
• 120 km: primera resistència atmosfèrica perceptible durant la reentrada des de l'òrbita.
• 200 km: òrbita més baixa possible amb estabilitat a curt termini (estable durant pocs dies).
• 307 km: òrbita de la missió STS-1.
• 350 km: òrbita més baixa possible amb estabilitat a llarg termini (estable durant diversos anys).
• 360 km: òrbita mitjana de la ISS, encara que varia a causa de la resistència atmosfèrica i amb embranzides periòdiques.
• 390 km: òrbita de l'estació Mir.
• 440 km: òrbita de l'estació Skylab.
• 587 km: òrbita de la missió STS-103 i del HST.
• 690 km: límit entre la termosfera i la exosfera.
• 780 km: òrbita dels satèl·lits Iridium.
• 20.200 km: òrbita dels satèl·lits del sistema GPS.
• 35.786 km: altura de la òrbita geoestacionaria.
• 326.454 km: la gravetat lunar supera a la de la Terra en el Apol·lo 8.
• 363.104 km: perigeig de la lluna.

Vegeu també

Portal: Astronomia

Astronomia Cosmologia Ubicació de la terra en l'univers Internet interplanetari Vol espacial privat

Agència espacial Colonització de l'espai Exploració espacial Ciència espacial Estació espacial

Tecnologia espacial Vol espacial Cronologia dels coneixements sobre el medi interestel·lar i intergalàctic Cronologia de l'exploració del Sistema Solar Cronologia dels vols espacials

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Espai exterior

• Article "Es pot sobreviure al buit espacial per un temps" (castellà)
• Intergalactic Space, Natural History, Feb 1998
• Newscientist Space
• space.com