Espacio exterior
Definición
Espacio exterior o solo espacio, es la extensión que existe más allá de la Tierra y entre los cuerpos celestes. El espacio exterior no está completamente vacío: es un vacío duro que contiene una baja densidad de partículas, predominantemente un plasma de hidrógeno y helio, así como radiación electromagnética, campos magnéticos, neutrinos, polvo y rayos cósmicos. La temperatura de línea base, según lo establecido por la radiación de fondo del Big Bang, es de 2.7 grados Kelvin (-270.45 ° C; -454.81 ° F). El plasma entre las galaxias representa aproximadamente la mitad de la materia bariónica (ordinaria) en el universo; tiene una densidad numérica de menos de un átomo de hidrógeno por metro cúbico y una temperatura de millones de kelvins; las concentraciones locales de este plasma se han condensado en estrellas y galaxias. Los estudios indican que el 90% de la masa en la mayoría de las galaxias se encuentra en una forma desconocida, llamada materia oscura, la energía oscura . El espacio intergaláctico ocupa la mayor parte del volumen del Universo, pero incluso las galaxias y los sistemas estelares consisten casi en su totalidad en espacios vacíos.
El espacio exterior no comienza a una altitud definida sobre la superficie de la Tierra. Sin embargo, la línea Kármán, a una altitud de 100 km (62 mi) sobre el nivel del mar, se usa convencionalmente como el inicio del espacio exterior en tratados espaciales y para el mantenimiento de registros aeroespaciales. El marco para el derecho espacial internacional fue establecido por el Tratado del espacio ultraterrestre, que entró en vigor el 10 de octubre de 1967. Este tratado excluye cualquier reclamo de soberanía nacional y permite a todos los estados explorar libremente el espacio ultraterrestre. A pesar de la redacción de las resoluciones de la ONU para la utilización del espacio ultraterrestre con fines pacíficos, se han probado las armas antisatélite en la órbita terrestre.
Los humanos comenzaron la exploración física del espacio durante el siglo XX con el advenimiento de los vuelos en globo a gran altitud, seguidos de los lanzamientos de cohetes tripulados. La órbita terrestre fue alcanzada por primera vez por Yuri Gagarin de la Unión Soviética en 1961, y las naves espaciales no tripuladas han alcanzado desde entonces todos los planetas conocidos en el Sistema Solar. Debido al alto costo de llegar al espacio, el vuelo espacial tripulado se ha limitado a la órbita terrestre baja y la Luna.
El espacio exterior representa un entorno desafiante para la exploración humana debido a los riesgos dobles del vacío y la radiación. La microgravedad también tiene un efecto negativo en la fisiología humana que causa atrofia muscular y pérdida ósea. Además de estos problemas de salud y medioambientales, el costo económico de poner objetos, incluidos los humanos, en el espacio es muy alto.
Descubrimiento
En 350 a. C., el filósofo griego Aristóteles sugirió que la naturaleza aborrece el vacío , un principio que se hizo conocido como el horror vacui . Este concepto se construyó sobre un argumento ontológico del siglo V aC por el filósofo griego Parménides, quien negó la posible existencia de un vacío en el espacio. Con base en esta idea de que el vacío no podría existir, en Occidente fue ampliamente aceptado durante muchos siglos que el espacio no podía estar vacío. Todavía en el siglo XVII, el filósofo francés René Descartes argumentó que se debe llenar la totalidad del espacio.
En la China antigua, el astrónomo Zhang Heng del siglo II se convenció de que el espacio debe ser infinito, y que se extiende mucho más allá del mecanismo que sostiene al Sol y las estrellas. Los libros sobrevivientes de la escuela Hsüan Yeh dijeron que los cielos eran ilimitados, "vacíos y sin sustancia". Del mismo modo, el "sol, la luna y la compañía de estrellas flotan en el espacio vacío, moviéndose o quietos".
El científico italiano Galileo Galilei sabía que el aire tenía masa y estaba sujeto a la gravedad. En 1640, demostró que una fuerza establecida resistió la formación de un vacío. Sin embargo, le quedaría a su alumno Evangelista Torricelli crear un aparato que produciría un vacío parcial en 1643. Este experimento dio como resultado el primer barómetro de mercurio y creó una sensación científica en Europa. El matemático francés Blaise Pascal razonó que si la columna de mercurio era soportada por el aire, entonces la columna debería ser más corta a mayor altura donde la presión del aire es más baja. En 1648, su cuñado, Florin Périer, repitió el experimento en la montaña Puy de Dôme en el centro de Francia y descubrió que la columna era más corta por tres pulgadas.
En 1650, el científico alemán Otto von Guericke construyó la primera bomba de vacío: un dispositivo que refutaría aún más el principio del horror vacui . Notó correctamente que la atmósfera de la Tierra rodea el planeta como un caparazón, con una densidad que disminuye gradualmente con la altitud. Concluyó que debe haber un vacío entre la Tierra y la Luna.
En el siglo XV, el teólogo alemán Nicolaus Cusanus especuló que el Universo carecía de un centro y una circunferencia. Creía que el Universo, aunque no era infinito, no podía considerarse tan finito como carecía de límites dentro de los cuales pudiera contenerse. Estas ideas llevaron a especulaciones sobre la dimensión infinita del espacio por el filósofo italiano Giordano Bruno en el siglo XVI. Extendió la cosmología heliocéntrica copernicana al concepto de un universo infinito lleno de una sustancia que llamó aether, que no resistió el movimiento de los cuerpos celestes. El filósofo inglés William Gilbert llegó a una conclusión similar, argumentando que las estrellas son visibles para nosotros solo porque están rodeadas por un delgado éter o un vacío. Este concepto de un éter se originó con los filósofos griegos antiguos, incluido Aristóteles,
El concepto de un Universo lleno de un éter luminífero permaneció en boga entre algunos científicos hasta principios del siglo XX. Esta forma de éter se veía como el medio a través del cual la luz podía propagarse. En 1887, el experimento de Michelson-Morley intentó detectar el movimiento de la Tierra a través de este medio buscando cambios en la velocidad de la luz dependiendo de la dirección del movimiento del planeta. Sin embargo, el resultado nulo indicó que algo andaba mal con el concepto. La idea del éter luminífero fue abandonada. Fue reemplazado por la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, que sostiene que la velocidad de la luz en el vacío es una constante fija, independiente del movimiento o marco de referencia del observador.
El primer astrónomo profesional que apoyó el concepto de un Universo infinito fue el inglés Thomas Digges en 1576. Pero la escala del Universo permaneció desconocida hasta la primera medición exitosa de la distancia a una estrella cercana en 1838 por el astrónomo alemán Friedrich Bessel. Mostró que la estrella 61 Cygni tenía una paralaje de tan solo 0.31 segundos de arco (en comparación con el valor moderno de 0.287 "). Esto corresponde a una distancia de más de 10 años luz. En 1917, Heber Curtis notó que las novas en las nebulosas espirales eran, en promedio, 10 magnitudes más débiles que las novas galácticas, lo que sugiere que las primeras están 100 veces más lejos. La distancia a la galaxia de Andrómeda fue determinada en 1923 por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble midiendo el brillo de las variables cefeidas en esa galaxia, una nueva técnica descubierta por Henrietta Leavitt.
La primera estimación conocida de la temperatura del espacio exterior fue realizada por el físico suizo Charles É. Guillaume en 1896. Usando la radiación estimada de las estrellas de fondo, concluyó que el espacio debe calentarse a una temperatura de 5-6 K. El físico británico Arthur Eddington hizo un cálculo similar para derivar una temperatura de 3.18 K en 1926. El físico alemán Erich Regener utilizó la energía total medida de los rayos cósmicos para estimar una temperatura intergaláctica de 2.8 K en 1933.
El concepto moderno de espacio ultraterrestre se basa en la cosmología del "Big Bang", propuesta por primera vez en 1931 por el físico belga Georges Lemaître. Esta teoría sostiene que el universo se originó a partir de una forma muy densa que desde entonces ha experimentado una expansión continua. La energía de fondo liberada durante la expansión inicial ha disminuido constantemente en densidad, lo que lleva a una predicción de 1948 de los físicos estadounidenses Ralph Alpher y Robert Herman de una temperatura de 5 K para la temperatura del espacio.
El término espacio exterior fue utilizado en 1842 por la poetisa inglesa Lady Emmeline Stuart-Wortley en su poema "La doncella de Moscú". La expresión del espacio exterior fue utilizada como un término astronómico por Alexander von Humboldt en 1845. Más tarde se popularizó en las escrituras de HG Wells en 1901. El espacio del término más corto es más viejo, primero usado para significar la región más allá del cielo de la tierra en el paraíso de John Milton Perdido en 1667.
Formación y estado
Según la teoría del Big Bang, el Universo primitivo era un estado extremadamente cálido y denso hace unos 13.800 millones de años, que se expandió rápidamente. Aproximadamente 380,000 años después, el Universo se había enfriado lo suficiente como para permitir que los protones y electrones se combinen y formen hidrógeno, la llamada época de recombinación. Cuando esto sucedió, la materia y la energía se disociaron, permitiendo que los fotones viajen libremente a través del espacio en continua expansión. La materia que quedó después de la expansión inicial ha sufrido un colapso gravitacional para crear estrellas, galaxias y otros objetos astronómicos, dejando un vacío profundo que forma lo que ahora se llama espacio exterior. Como la luz tiene una velocidad finita, esta teoría también restringe el tamaño del universo directamente observable. Esto deja abierta la pregunta de si el Universo es finito o infinito.
La forma actual del universo se ha determinado a partir de mediciones del fondo de microondas cósmico utilizando satélites como la Sonda de anisotropía de microondas Wilkinson. Estas observaciones indican que la geometría espacial del universo observable es "plana", lo que significa que los fotones en trayectos paralelos en un punto permanecen paralelos mientras viajan a través del espacio hasta el límite del universo observable, excepto por la gravedad local. El Universo plano, combinado con la densidad de masa medida del Universo y la expansión acelerada del Universo, indica que el espacio tiene una energía de vacío distinta de cero, que se llama energía oscura.
Las estimaciones sitúan la densidad de energía promedio del Universo actual en el equivalente de 5,9 protones por metro cúbico, incluida la energía oscura, la materia oscura y la materia bariónica (materia común compuesta de átomos). Los átomos representan solo el 4.6% de la densidad total de energía, o una densidad de un protón por cada cuatro metros cúbicos. La densidad del Universo, sin embargo, claramente no es uniforme; varía desde una densidad relativamente alta en galaxias -incluida una densidad muy alta en estructuras dentro de las galaxias, como planetas, estrellas y agujeros negros- hasta condiciones en vastos vacíos que tienen una densidad mucho menor, al menos en términos de materia visible. A diferencia de la materia y la materia oscura, la energía oscura parece no estar concentrada en las galaxias: aunque la energía oscura puede representar la mayoría de la energía de masas en el Universo, la energía oscura '
Ambiente
El espacio exterior es la aproximación más cercana conocida a un vacío perfecto. Efectivamente, no tiene fricción, lo que permite que las estrellas, los planetas y las lunas se muevan libremente a lo largo de sus órbitas ideales, siguiendo la etapa de formación inicial. Sin embargo, incluso el vacío profundo del espacio intergaláctico no está desprovisto de materia, ya que contiene unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico. En comparación, el aire que respiran los humanos contiene aproximadamente 10 moléculas por metro cúbico. La baja densidad de la materia en el espacio exterior significa que la radiación electromagnética puede viajar grandes distancias sin ser dispersada: la trayectoria libre media de un fotón en el espacio intergaláctico es de aproximadamente 10 km, o 10 mil millones de años luz. A pesar de esto, la extinción, que es la absorción y dispersión de los fotones por el polvo y el gas, es un factor importante en la astronomía galáctica e intergaláctica.
Las estrellas, los planetas y las lunas retienen sus atmósferas por atracción gravitacional. Las atmósferas no tienen un límite superior claramente delineado: la densidad del gas atmosférico disminuye gradualmente con la distancia desde el objeto hasta que se vuelve indistinguible del espacio exterior. La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 0.032 Pa a 100 kilómetros (62 millas) de altitud, en comparación con 100,000 Pa para la definición de presión estándar de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Por encima de esta altitud, la presión isotrópica del gas se vuelve rápidamente insignificante en comparación con la presión de radiación del Sol y la presión dinámica del viento solar. La termosfera en este rango tiene grandes gradientes de presión, temperatura y composición, y varía mucho debido al clima espacial.
La temperatura del espacio exterior se mide en términos de la actividad cinética del gas, como lo es en la Tierra. Sin embargo, la radiación del espacio exterior tiene una temperatura diferente a la temperatura cinética del gas, lo que significa que el gas y la radiación no están en equilibrio termodinámico. Todo el universo observable está lleno de fotones que se crearon durante el Big Bang, que se conoce como radiación cósmica de fondo de microondas (CMB). (Es muy probable que haya una cantidad correspondientemente grande de neutrinos llamada fondo cósmico de neutrinos.) La temperatura actual del cuerpo negro de la radiación de fondo es de aproximadamente 3 K (-270 ° C; -454 ° F). Las temperaturas del gas en el espacio exterior siempre son al menos la temperatura del CMB pero pueden ser mucho más altas. Por ejemplo, la corona del Sol alcanza temperaturas por encima de 1.2-2.6 millones de K.
Se han detectado campos magnéticos en el espacio alrededor de cada clase de objeto celeste. La formación de estrellas en galaxias espirales puede generar dínamos de pequeña escala, creando intensidades de campo magnético turbulento de alrededor de 5-10 μG. El efecto Davis-Greenstein hace que los granos de polvo alargados se alineen con el campo magnético de una galaxia, dando como resultado una polarización óptica débil. Esto se ha usado para mostrar que existen campos magnéticos ordenados en varias galaxias cercanas. Los procesos magnetohidrodinámicos en las galaxias elípticas activas producen sus jets y radios característicos. Se han detectado fuentes de radio no térmicas incluso entre las fuentes más distantes, de alta z, lo que indica la presencia de campos magnéticos.
Fuera de una atmósfera protectora y campo magnético, existen pocos obstáculos para el paso a través del espacio de partículas subatómicas energéticas conocidas como rayos cósmicos. Estas partículas tienen energías que van desde alrededor de 10 eV hasta un extremo de 10 eV de rayos cósmicos de ultra alta energía. El flujo máximo de los rayos cósmicos se produce a energías de alrededor de 10 eV, con aproximadamente un 87% de protones, un 12% de núcleos de helio y un 1% de núcleos más pesados. En el rango de alta energía, el flujo de electrones es solo alrededor del 1% del de los protones. Los rayos cósmicos pueden dañar los componentes electrónicos y representar una amenaza para la salud de los viajeros espaciales. Según los astronautas, como Don Pettit, el espacio tiene un olor quemado / metálico que se adhiere a sus trajes y equipos, similar al olor de una lámpara de soldar de arco.
A pesar del entorno hostil, se han encontrado varias formas de vida que pueden soportar condiciones espaciales extremas durante períodos prolongados. Las especies de líquenes transportadas en la instalación de ESA BIOPAN sobrevivieron a la exposición durante diez días en 2007. Las semillas de Arabidopsis thaliana y Nicotiana tabacum germinaron después de haber estado expuestas al espacio durante 1,5 años. Una cepa de Bacillus subtilis ha sobrevivido 559 días cuando se expone a una órbita terrestre baja o a un ambiente marciano simulado. La hipótesis de la litopanspermia sugiere que las rocas expulsadas al espacio exterior desde planetas que albergan vida pueden transportar con éxito formas de vida a otro mundo habitable. Una conjetura es que tal escenario ocurrió al principio de la historia del Sistema Solar, con rocas potencialmente portadoras de microorganismos intercambiadas entre Venus, la Tierra y Marte.
Efecto en cuerpos humanos
Incluso a altitudes relativamente bajas en la atmósfera de la Tierra, las condiciones son hostiles para el cuerpo humano. La altitud donde la presión atmosférica coincide con la presión de vapor del agua a la temperatura del cuerpo humano se llama la línea Armstrong, llamada así por el médico estadounidense Harry G. Armstrong. Se encuentra a una altitud de alrededor de 19,14 km (11,89 mi). En o sobre la línea de Armstrong, los fluidos en la garganta y los pulmones se evaporan. Más específicamente, los líquidos corporales expuestos como la saliva, las lágrimas y los líquidos en los pulmones se evaporan. Por lo tanto, a esta altura, la supervivencia humana requiere un traje de presión, o una cápsula presurizada.
Una vez en el espacio, la exposición repentina de personas desprotegidas a muy baja presión, como durante una descompresión rápida, puede causar barotrauma pulmonar, una ruptura de los pulmones, debido a la gran diferencia de presión entre el interior y el exterior del pecho. Incluso si la vía aérea del sujeto está completamente abierta, el flujo de aire a través de la tráquea puede ser demasiado lento para evitar la ruptura. La descompresión rápida puede romper los tímpanos y los senos paranasales, los hematomas y la filtración de sangre pueden ocurrir en los tejidos blandos, y el choque puede causar un aumento en el consumo de oxígeno que conduce a la hipoxia.
Como consecuencia de la descompresión rápida, el oxígeno disuelto en la sangre desemboca en los pulmones para tratar de igualar el gradiente de presión parcial. Una vez que la sangre desoxigenada llega al cerebro, los humanos pierden el conocimiento después de unos segundos y mueren de hipoxia en cuestión de minutos. La sangre y otros fluidos corporales hierven cuando la presión cae por debajo de 6.3 kPa, y esta condición se llama ebullismo. El vapor puede hinchar el cuerpo al doble de su tamaño normal y la circulación lenta, pero los tejidos son elásticos y lo suficientemente porosos para evitar la ruptura. El ebullismo se ve frenado por la contención de presión de los vasos sanguíneos, por lo que parte de la sangre permanece líquida. La hinchazón y el ebullismo se pueden reducir mediante la contención en un traje de presión. El Traje de protección de altura de la tripulación (CAPS), una prenda elástica ajustada diseñada en la década de 1960 para los astronautas, evita el ebullismo a presiones tan bajas como 2 kPa. Se necesita oxígeno suplementario a 8 km (5.0 mi) para proporcionar suficiente oxígeno para respirar y para evitar la pérdida de agua, mientras que los trajes de presión superiores a 20 km (12 mi) son esenciales para evitar el ebullismo. La mayoría de los trajes espaciales usan alrededor de 30-39 kPa de oxígeno puro, casi lo mismo que en la superficie de la Tierra. Esta presión es lo suficientemente alta como para evitar el ebullismo, pero la evaporación del nitrógeno disuelto en la sangre aún podría causar la enfermedad de descompresión y las embolias de gas si no se controlan.
Los seres humanos evolucionaron de por vida en la gravedad de la Tierra, y la exposición a la ingravidez ha demostrado tener efectos nocivos en la salud humana. Inicialmente, más del 50% de los astronautas experimentan mareo espacial. Esto puede causar náuseas y vómitos, vértigo, dolores de cabeza, letargo y malestar general. La duración de la enfermedad espacial varía, pero generalmente dura 1-3 días, luego de los cuales el cuerpo se ajusta al nuevo entorno. La exposición a la ingravidez a más largo plazo produce atrofia muscular y deterioro del esqueleto, o osteopenia en el vuelo espacial. Estos efectos se pueden minimizar a través de un régimen de ejercicio. Otros efectos incluyen la redistribución de líquidos, la desaceleración del sistema cardiovascular, la disminución de la producción de glóbulos rojos, trastornos del equilibrio y un debilitamiento del sistema inmunitario. Los síntomas menores incluyen pérdida de masa corporal, congestión nasal,
Para viajes espaciales de larga duración, la radiación puede representar un peligro agudo para la salud. La exposición a rayos cósmicos ionizantes de alta energía puede provocar fatiga, náuseas, vómitos, así como daños en el sistema inmunitario y cambios en el recuento de glóbulos blancos. Durante períodos más largos, los síntomas incluyen un mayor riesgo de cáncer, además de daños a los ojos, el sistema nervioso, los pulmones y el tracto gastrointestinal. En una misión de Marte de ida y vuelta que dure tres años, una gran fracción de las células en el cuerpo de un astronauta sería atravesada y potencialmente dañada por núcleos de alta energía. Afortunadamente, la energía de tales partículas se ve significativamente disminuida por el blindaje proporcionado por las paredes de una nave espacial y puede reducirse aún más por los recipientes de agua y otras barreras. Sin embargo, el impacto de los rayos cósmicos sobre el blindaje produce radiación adicional que puede afectar a la tripulación. Se necesita más investigación para evaluar los riesgos de radiación y determinar las contramedidas adecuadas.
Límite
No existe un límite claro entre la atmósfera de la Tierra y el espacio, ya que la densidad de la atmósfera disminuye gradualmente a medida que aumenta la altitud. Hay varias designaciones de límites estándar, a saber:
- La Fédération Aéronautique Internationale ha establecido la línea Kármán a una altitud de 100 km (62 mi) como una definición de trabajo para el límite entre la aeronáutica y la astronáutica. Esto se usa porque a una altitud de aproximadamente 100 km (62 mi), como calculó Theodore von Kármán, un vehículo tendría que viajar más rápido que la velocidad orbital para obtener suficiente sustentación aerodinámica de la atmósfera para sostenerse.
- Estados Unidos designa a las personas que viajan por encima de una altitud de 50 millas (80 km) como astronautas.
- El transbordador espacial de la NASA usó 400,000 pies (76 mi, 122 km) como su altitud de reingreso (llamada la interfaz de entrada), que marca aproximadamente el límite donde se nota la resistencia atmosférica, comenzando así el proceso de cambio de dirección con propulsores para maniobrar con superficies de control aerodinámico.
En 2009, los científicos informaron mediciones detalladas con un generador de imágenes de iones supra-térmicos (un instrumento que mide la dirección y la velocidad de los iones), lo que les permitió establecer un límite a 118 km (73 millas) sobre la Tierra. El límite representa el punto medio de una transición gradual a lo largo de decenas de kilómetros desde los vientos relativamente suaves de la atmósfera terrestre hasta los flujos más violentos de partículas cargadas en el espacio, que pueden alcanzar velocidades superiores a 268 m / s (600 mph).
Estatus legal
El Tratado sobre el espacio ultraterrestre proporciona el marco básico para el derecho espacial internacional. Cubre el uso legal del espacio exterior por estados nacionales e incluye en su definición del espacio exterior la Luna y otros cuerpos celestes. El tratado establece que el espacio ultraterrestre es libre para que todos los estados naciones lo exploren y no está sujeto a reclamos de soberanía nacional. También prohíbe el despliegue de armas nucleares en el espacio ultraterrestre. El tratado fue aprobado por la Asamblea General de las Naciones Unidas en 1963 y firmado en 1967 por la URSS, los Estados Unidos de América y el Reino Unido. A partir de 2017, 105 estados parte han ratificado o se han adherido al tratado. Otros 25 estados firmaron el tratado, sin ratificarlo.
Desde 1958, el espacio ultraterrestre ha sido objeto de múltiples resoluciones de las Naciones Unidas. De ellos, más de 50 se han referido a la cooperación internacional en la utilización del espacio ultraterrestre con fines pacíficos y a la prevención de una carrera de armamentos en el espacio. La Comisión de las Naciones Unidas sobre los usos pacíficos del espacio ultraterrestre ha negociado y redactado cuatro tratados adicionales sobre derecho espacial. Aún así, no existe una prohibición legal contra el despliegue de armas convencionales en el espacio, y las armas antisatélites han sido probadas con éxito por los EE. UU., La URSS y China. El Tratado de la Luna de 1979 convirtió la jurisdicción de todos los cuerpos celestes (incluidas las órbitas alrededor de tales cuerpos) en la comunidad internacional. Sin embargo, este tratado no ha sido ratificado por ninguna nación que actualmente practique vuelos espaciales tripulados.
En 1976, ocho estados ecuatoriales (Ecuador, Colombia, Brasil, Congo, Zaire, Uganda, Kenia e Indonesia) se reunieron en Bogotá, Colombia. Con su "Declaración de la Primera Reunión de Países Ecuatoriales", o "la Declaración de Bogotá", reclamaron el control del segmento de la ruta orbital geosincrónica correspondiente a cada país. Estas afirmaciones no son aceptadas internacionalmente.
Órbita terrestre
Una nave espacial entra en órbita cuando su aceleración centrípeta debido a la gravedad es menor o igual a la aceleración centrífuga debido a la componente horizontal de su velocidad. Para una órbita terrestre baja, esta velocidad es de aproximadamente 7.800 m / s (28.100 km / h; 17.400 mph); por el contrario, la velocidad de vuelo tripulado más rápida jamás alcanzada (excluyendo las velocidades logradas por la desorbitación de la nave espacial) fue de 2,200 m / s (7,900 km / h; 4,900 mph) en 1967 por el norteamericano X-15.
Para lograr una órbita, una nave espacial debe viajar más rápido que un vuelo espacial suborbital. La energía requerida para alcanzar la velocidad orbital de la Tierra a una altitud de 600 km (370 mi) es de aproximadamente 36 MJ / kg, que es seis veces la energía necesaria simplemente para ascender a la altitud correspondiente. Las naves espaciales con un perigeo por debajo de unos 2.000 km (1.200 millas) están sujetas a la resistencia de la atmósfera de la Tierra, lo que disminuye la altitud orbital. La velocidad de desintegración orbital depende del área de la sección transversal y de la masa del satélite, así como de las variaciones en la densidad del aire de la atmósfera superior. Por debajo de unos 300 km (190 millas), la descomposición se vuelve más rápida con vidas medidas en días. Una vez que un satélite desciende a 180 km (110 millas), solo tiene unas horas antes de que se vaporice en la atmósfera. La velocidad de escape requerida para liberarse de la Tierra '
Regiones
El espacio es un vacío parcial: sus diferentes regiones están definidas por las diversas atmósferas y "vientos" que dominan dentro de ellas, y se extienden hasta el punto en que esos vientos dan paso a los que están más allá. El geoespacio se extiende desde la atmósfera de la Tierra hasta los confines externos del campo magnético de la Tierra, con lo cual cede el paso al viento solar del espacio interplanetario. El espacio interplanetario se extiende a la heliopausa, después de lo cual el viento solar cede el paso a los vientos del medio interestelar. El espacio interestelar continúa hasta los bordes de la galaxia, donde se desvanece en el vacío intergaláctico.
Geospace
Geospace es la región del espacio exterior cerca de la Tierra, incluida la atmósfera superior y la magnetosfera. Los cinturones de radiación Van Allen se encuentran dentro del espacio geológico. El límite exterior del geoespacio es la magnetopausa, que forma una interfaz entre la magnetosfera de la Tierra y el viento solar. El límite interno es la ionosfera. Las condiciones variables de clima espacial del geoespacio se ven afectadas por el comportamiento del Sol y el viento solar; el tema del geoespacio está interconectado con la heliofísica: el estudio del Sol y su impacto en los planetas del Sistema Solar.
La magnetopausa diurna se comprime por la presión del viento solar: la distancia subsolar desde el centro de la Tierra es típicamente de 10 radios terrestres. En el lado nocturno, el viento solar estira la magnetosfera para formar una cola magnética que a veces se extiende a más de 100-200 radios de la Tierra. Durante aproximadamente cuatro días de cada mes, la superficie lunar está protegida del viento solar mientras la Luna pasa a través de ella. la cola magnética
El geoespacio está poblado por partículas cargadas eléctricamente a muy bajas densidades, cuyos movimientos están controlados por el campo magnético de la Tierra. Estos plasmas forman un medio desde el cual las perturbaciones parecidas a tormentas impulsadas por el viento solar pueden conducir corrientes eléctricas hacia la atmósfera superior de la Tierra. Las tormentas geomagnéticas pueden perturbar dos regiones del espacio geológico, los cinturones de radiación y la ionosfera. Estas tormentas aumentan los flujos de electrones energéticos que pueden dañar permanentemente los componentes electrónicos de los satélites, lo que interfiere con la comunicación por radio de onda corta y la ubicación y el tiempo del GPS. Las tormentas magnéticas también pueden ser un peligro para los astronautas, incluso en órbita baja de la Tierra. También crean auroras vistos en altas latitudes en un óvalo que rodea los polos geomagnéticos.
Aunque cumple con la definición de espacio ultraterrestre, la densidad atmosférica dentro de los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea Kármán es aún suficiente para producir un arrastre significativo en los satélites. Esta región contiene material sobrante de lanchas tripuladas y no tripuladas anteriores que representan un peligro potencial para la nave espacial. Algunos de estos restos vuelven a entrar en la atmósfera de la Tierra periódicamente.
Espacio Cislunar
La gravedad de la Tierra mantiene a la Luna en órbita a una distancia promedio de 384,403 km (238,857 mi). La región fuera de la atmósfera de la Tierra y que se extiende justo más allá de la órbita de la Luna, incluidos los puntos Lagrangianos, a veces se denomina espacio cislunar .
La región del espacio donde la gravedad de la Tierra permanece dominante contra las perturbaciones gravitatorias del Sol se llama la esfera de Hill. Esto se extiende bien en el espacio translunar a una distancia de aproximadamente el 1% de la distancia media de la Tierra al Sol, o 1,5 millones de km (0,93 millones de millas).
El espacio profundo tiene diferentes definiciones sobre dónde comienza. Ha sido definido por el gobierno de los Estados Unidos y otros como cualquier región más allá del espacio cislunar. La Unión Internacional de Telecomunicaciones responsable de las comunicaciones por radio (incluidos los satélites) define el comienzo del espacio profundo a aproximadamente 5 veces esa distancia ( 2 × 10 km ).
Espacio interplanetario
El espacio interplanetario se define por el viento solar, una corriente continua de partículas cargadas que emanan del Sol y crean una atmósfera muy tenue (la heliosfera) por miles de millones de kilómetros en el espacio. Este viento tiene una densidad de partículas de 5-10 protones / cm y se mueve a una velocidad de 350-400 km / s (780,000-890,000 mph). El espacio interplanetario se extiende a la heliopausa donde la influencia del entorno galáctico comienza a dominar sobre el campo magnético y el flujo de partículas del Sol. La distancia y la fuerza de la heliopausa varían según el nivel de actividad del viento solar.
El volumen del espacio interplanetario es un vacío casi total, con un camino libre medio de aproximadamente una unidad astronómica a la distancia orbital de la Tierra. Sin embargo, este espacio no está completamente vacío, y está escasamente lleno de rayos cósmicos, que incluyen núcleos atómicos ionizados y diversas partículas subatómicas. También hay gas, plasma y polvo, pequeños meteoros y varias docenas de tipos de moléculas orgánicas descubiertas hasta la fecha por espectroscopía de microondas. Una nube de polvo interplanetario es visible por la noche como una banda débil llamada luz zodiacal.
El espacio interplanetario contiene el campo magnético generado por el sol. También hay magnetosferas generadas por planetas como Júpiter, Saturno, Mercurio y la Tierra que tienen sus propios campos magnéticos. Estos se forman por la influencia del viento solar en la aproximación de una forma de lágrima, con la cola larga que se extiende hacia fuera detrás del planeta. Estos campos magnéticos pueden atrapar partículas del viento solar y otras fuentes, creando cinturones de partículas cargadas como los cinturones de radiación Van Allen. Los planetas sin campos magnéticos, como Marte, tienen sus atmósferas erosionadas gradualmente por el viento solar.
Espacio interestelar
El espacio interestelar es el espacio físico dentro de una galaxia más allá de la influencia que cada estrella tiene sobre el plasma circundante. Los contenidos del espacio interestelar se llaman medio interestelar. Aproximadamente el 70% de la masa del medio interestelar consiste en átomos de hidrógeno solitarios; la mayoría del resto consiste en átomos de helio. Esto está enriquecido con pequeñas cantidades de átomos más pesados formados a través de la nucleosíntesis estelar. Estos átomos son expulsados al medio interestelar por vientos estelares o cuando las estrellas evolucionadas comienzan a arrojar sus envolturas externas, como durante la formación de una nebulosa planetaria. La explosión cataclísmica de una supernova genera una onda expansiva de choque que consiste en materiales expulsados que enriquecen aún más el medio. La densidad de la materia en el medio interestelar puede variar considerablemente: el promedio es de alrededor de 10 partículas por m,
Existe una cantidad de moléculas en el espacio interestelar, al igual que pequeñas partículas de polvo de 0,1 μm. El recuento de moléculas descubiertas a través de la radioastronomía aumenta constantemente a razón de unas cuatro nuevas especies por año. Las grandes regiones de materia de mayor densidad conocidas como nubes moleculares permiten que se produzcan reacciones químicas, incluida la formación de especies orgánicas poliatómicas. Gran parte de esta química es impulsada por colisiones. Los rayos cósmicos energéticos penetran las nubes frías y densas e ionizan el hidrógeno y el helio, lo que resulta, por ejemplo, en el catión trihidrógeno. Un átomo de helio ionizado puede dividir el monóxido de carbono relativamente abundante para producir carbón ionizado, que a su vez puede conducir a reacciones químicas orgánicas.
El medio interestelar local es una región del espacio dentro de los 100 parsecs (pc) del Sol, que es de interés tanto por su proximidad como por su interacción con el Sistema Solar. Este volumen casi coincide con una región del espacio conocida como la burbuja local, que se caracteriza por la falta de nubes densas y frías. Forma una cavidad en el brazo de Orión de la Vía Láctea, con densas nubes moleculares a lo largo de las fronteras, como las de las constelaciones de Ofiuco y Tauro. (La distancia real hasta el borde de esta cavidad varía de 60 a 250 pc o más). Este volumen contiene alrededor de 10-10 estrellas y el gas interestelar local contrarresta la astrosfera que rodea a estas estrellas, con el volumen de cada esfera variando dependiendo de la densidad local del medio interestelar.
Cuando las estrellas se mueven a velocidades peculiares suficientemente altas, sus astrosferas pueden generar choques de arco al colisionar con el medio interestelar. Durante décadas se supuso que el Sol tuvo una sacudida de arco. En 2012, los datos del Interstellar Boundary Explorer (IBEX) y las sondas Voyager de la NASA mostraron que el choque del arco del Sol no existe. En cambio, estos autores argumentan que una onda de arco subsónica define la transición del flujo del viento solar al medio interestelar. Una descarga de arco es el tercer límite de una astrosfera después del choque de terminación y la astropausa (llamada heliopausa en el Sistema Solar).
Espacio intergaláctico
El espacio intergaláctico es el espacio físico entre las galaxias. Los estudios de la distribución a gran escala de galaxias muestran que el Universo tiene una estructura similar a la espuma, con grupos y galaxias que se encuentran a lo largo de filamentos que ocupan aproximadamente una décima parte del espacio total. El resto forma enormes vacíos que en su mayoría están vacíos de galaxias. Típicamente, un vacío abarca una distancia de (10-40) h Mpc, donde h es la constante de Hubble en unidades de 100 km s Mpc .
Rodeando y estirando entre las galaxias, hay un plasma enrarecido que está organizado en una estructura filamentosa galáctica. Este material se llama medio intergaláctico (IGM). La densidad de la IGM es de 5 a 200 veces la densidad promedio del Universo. Consiste principalmente en hidrógeno ionizado; es decir, un plasma que consiste en un número igual de electrones y protones. A medida que el gas cae al medio intergaláctico de los vacíos, se calienta a temperaturas de 10 K a 10 K, que es lo suficientemente alta para que las colisiones entre los átomos tengan energía suficiente para hacer que los electrones unidos escapen de los núcleos de hidrógeno; esta es la razón por la cual el IGM está ionizado. A estas temperaturas, se lo denomina medio intergaláctico cálido y cálido (WHIM). (Aunque el plasma está muy caliente según los estándares terrestres, 10 K a menudo se denomina "cálido" en astrofísica). Las simulaciones por computadora y las observaciones indican que hasta la mitad de la materia atómica en el Universo podría existir en este estado cálido y enrarecido. Cuando el gas cae desde las estructuras filamentosas del WHIM a los cúmulos de galaxias en las intersecciones de los filamentos cósmicos, puede calentarse aún más, alcanzando temperaturas de 10 K y superiores en el llamado medio intracluster.
Exploración y aplicaciones
Para la mayoría de la historia humana, el espacio fue explorado por observaciones hechas desde la superficie de la Tierra, inicialmente a simple vista y luego con el telescopio. Antes del advenimiento de la tecnología de cohetes confiable, lo más cerca que los humanos habían llegado al espacio exterior era a través del uso de vuelos en globo. En 1935, el vuelo en globo tripulado US Explorer II había alcanzado una altitud de 22 km (14 millas). Esto se superó en gran medida en 1942 cuando el tercer lanzamiento del cohete alemán A-4 ascendió a una altitud de aproximadamente 80 km (50 millas). En 1957, el satélite no tripulado Sputnik 1 fue lanzado por un cohete ruso R-7, logrando la órbita de la Tierra a una altitud de 215-939 kilómetros (134-583 millas). Esto fue seguido por el primer vuelo espacial humano en 1961, cuando Yuri Gagarin fue enviado a órbita en Vostok 1. Los primeros humanos en escapar de la órbita terrestre fueron Frank Borman, Jim Lovell y William Andersin 1968 a bordo del US Apollo 8, que logró la órbita lunar y alcanzó una distancia máxima de 377,349 km (234,474 mi) de la Tierra.
La primera nave espacial en alcanzar la velocidad de escape fue la Luna 1 soviética, que realizó un sobrevuelo de la Luna en 1959. En 1961, Venera 1 se convirtió en la primera sonda planetaria. Reveló la presencia del viento solar y realizó el primer sobrevuelo de Venus, aunque se perdió contacto antes de llegar a Venus. La primera misión planetaria exitosa fue el vuelo de 1962 de Venus por Mariner 2. El primer sobrevuelo de Marte fue por Mariner 4 en 1964. Desde ese momento, una nave espacial no tripulada ha examinado con éxito cada uno de los planetas del Sistema Solar, así como su lunas y muchos planetas y cometas menores. Siguen siendo una herramienta fundamental para la exploración del espacio exterior, así como la observación de la Tierra. En agosto de 2012, el Voyager 1 se convirtió en el primer objeto creado por el hombre en abandonar el Sistema Solar y entrar en el espacio interestelar.
La ausencia de aire hace que el espacio exterior sea un lugar ideal para la astronomía en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético. Esto se evidencia por las espectaculares imágenes enviadas por el Telescopio Espacial Hubble, que permiten observar la luz de hace más de 13 mil millones de años, casi hasta el Big Bang. Sin embargo, no todas las ubicaciones en el espacio son ideales para un telescopio. El polvo zodiacal interplanetario emite una radiación difusa de infrarrojo cercano que puede enmascarar la emisión de fuentes débiles como los planetas extrasolares. Mover un telescopio infrarrojo más allá del polvo aumenta su efectividad. Del mismo modo, un sitio como el cráter Daedalus en el otro lado de la Luna podría proteger un radiotelescopio de la interferencia de frecuencia de radio que dificulta las observaciones basadas en la Tierra.
Las naves no tripuladas en órbita terrestre son una tecnología esencial de la civilización moderna. Permiten el monitoreo directo de las condiciones climáticas, retransmiten comunicaciones de largo alcance como la televisión, proporcionan un medio de navegación precisa y permiten la detección remota de la Tierra. Esta última función sirve a una amplia variedad de propósitos, incluido el seguimiento de la humedad del suelo para la agricultura, la predicción de la salida de agua de los paquetes de nieve estacionales, la detección de enfermedades en las plantas y los árboles y la vigilancia de las actividades militares.
El vacío profundo del espacio podría convertirlo en un entorno atractivo para ciertos procesos industriales, como los que requieren superficies ultra limpias. Sin embargo, al igual que la minería de asteroides, la fabricación espacial requiere una inversión significativa con pocas perspectivas de retorno inmediato. Un factor importante en el gasto total es el alto costo de colocar masa en la órbita de la Tierra: $ 7,000-24,000 por kg en dólares ajustados a la inflación, de acuerdo con una estimación de 2006. Los conceptos propuestos para abordar este problema incluyen lanzamiento espacial no cohete, ataduras de intercambio de momento y elevadores espaciales.
El viaje interestelar para una tripulación humana sigue siendo en la actualidad solo una posibilidad teórica. Las distancias a las estrellas más cercanas requerirán nuevos desarrollos tecnológicos y la capacidad de mantener a las tripulaciones de forma segura para viajes que duren varias décadas. Por ejemplo, el estudio del Proyecto Daedalus, que propuso una nave espacial impulsada por la fusión de Deuterio y He, necesitaría 36 años para llegar al cercano sistema Alpha Centauri. Otros sistemas de propulsión interestelar propuestos incluyen velas ligeras, ramjets y propulsión impulsada por haz. Los sistemas de propulsión más avanzados podrían usar la antimateria como combustible, alcanzando potencialmente velocidades relativistas.