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外层空间

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外层空间,亦称外太空宇宙空间,简称空间外空太空(英语:outer space),指的是地球大气层及其他天体之外的虚空区域。

真空有所不同的是,外层空间含有密度很低的物质,以等离子态为主。其中还有电磁辐射磁场等。理论上,外层空间可能还包含暗物质暗能量

外层空间与地球大气层并没有明确的界线,因为大气随着海拔增加而逐渐变薄。假设大气层温度固定,大气压会由海平面的大约1013毫巴,随着高度增加而呈指数化减少至零为止。

国际航空联合会定义在100公里的高度为卡门线,为现行大气层和太空的界线定义。美国认定到达海拔80公里的人为航天员,在航天器重返地球的过程中,120公里是空气阻力开始发生作用的界线。 [1]

环境

太空的空气稀薄,几乎真空,而且能清晰看见地面上所看不见的星星,因此,美国国家航空航天局放置了哈勃望远镜用以观察宇宙。

太空相对于轨道

若要执行一个轨道,航天器必须飞得比在次轨道飞行器更快。太空航具必须要有足够的水平速度才能进入轨道,也就是重力加诸于太空航具的加速度必须小于或等于由水平运动产生的向心加速度(参见圆周运动)。因此进入轨道的太空航具不只是进入太空,还必须要有足够的轨道速度角速度)。对低地球轨道,这大约是7,900米/秒(28,440公里/小时);相对之下,最快的飞机(不包括再入的太空航具)是美国空军的X-15在1967年创造的,它的速度只有2,200米/秒(7,920公里/小时)[2]

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基最早意识到,无论使用何种化学燃料多级火箭都是必不可少的。能够在地球的重力场中获得自由,并且进入行星际空间逃逸速度大约是28,800公里/小时(8公里/秒),进入低地球轨道的速度所需要的能量(32 MJ/kg)大约攀爬到相同高度所需要能量(10 kJ/(km·kg))的20倍。

次轨道飞行轨道飞行有着主要的不同,环绕地球的稳定轨道(也就是不受大气阻力的影响),最低的高度是海拔350公里(220英里),一般常见的误解是单纯的认为轨道只要在这个高度就是达到太空的边界。理论上说,在任何的高度都可以获得需要的轨道速度,只是大气拖曳排除了高度太低的轨道。只要有足够的速度,飞机也可以进入轨道,但是在目前,这个速度数倍于目前的技术可以达到的合理速度。

另一个常见的误解是轨道上的人在地球的引力之外,因为他们是“漂浮着”。他们会漂浮是因为他们是自由落体:他们伴随着航天器一起加速落向地球,但同时他们也以够快的速度离去直线的路径,让他们在地球的表面上保持恒定的距离。地球的引力远远超过范艾伦带,并且使月球保持在距离地球平均384,403公里(238,857英里)的轨道上。

分类

太空不是完美的真空:不同的区域由不同的大气圈和“风”所定义,并且主导著那些区域,并且风会向外扩展超越原本定义的区域。地球空间从地球的大气层向外扩展到地球的磁层,使它与太阳风的行星际空间有所区隔。行星际空间延伸到了太阳圈,这是太阳风和星际介质的风交会的地方。星际空间继续延伸到银河系的边缘,然后逐渐隐没至星系间的空洞。

地球空间

发现号在1991年5月的STS-39航次中观察到的极光,当时的轨道高度为260公里。

地球空间是邻近地球的外层空间区域。地球空间地方包括大气层上层的区域,像是电离层磁层范艾伦辐射带也在地球空间内。在地球的大气层和月球之间的地区有时也称为“地月空间”。

虽然它满足外层空间的定义,但在卡门线之上数百公里空间内的大气密度依然可以对卫星造成足够的阻力。许多人造卫星都在这个称为低地球轨道的区域内运作,并且每隔几天就需要启动它们的发动机来维持轨道。此处的阻力虽然很低,但在理论上仍足以超越太阳帆所受到的辐射压力,而这是行星际旅行所建议的一种推进系统。

充塞在地球空间内的带电粒子密度非常低,他们的运动受到地球磁场的控制。这些由等离子形成的物质会受到太阳风暴的扰动,在太阳风的驱动下形成流向地球上层大气层的电流。

磁暴发生在地球空间的两个地区,辐射带和电离层,会造成强烈的扰动。这些风暴造成的高能电子流量增加,能够对卫星上的电路造成永久性的损害。扰乱电信和GPS技术,并且即使在低地球轨道的航天员也会受到危害。它们也会在地球的磁极附近创造出极光

地球空间还包含许多之前发射的载人或不载人航天器遗留下的残骸,会对后续的航天器造成潜在的危害。有些碎片在经过一段时间后会重返地球的大气层内。

缺乏空气的地球空间(和月球表面)是天文学家观察所有电磁频谱的理想场所,由哈伯太空望远镜传送回来的精彩图片可见一斑,允许来自137亿年前的光-几乎就是大爆炸的时期-被观测到。

地球空间的上层边界是磁层和太阳风交界的界面,内侧的边界是电离层[3]。或者说,地球空间是地球大气层上层和地球磁场抵达的最外侧之间的外层空间[4]

行星际空间

行星际空间太阳系内围绕着太阳和行星的空间,这个区域由行星际介质主导,向外一直延伸到太阳圈,在那儿银河系的环境开始影响到伴随着太阳磁场的粒子流量,并且超越太阳磁场成为主导。行星际空间由太阳风来定义,来自太阳连绵不绝的带电粒子创造了稀薄的大气圈(称为太阳圈),深入太空中数十亿英里。风中的质点密度为5-10 质子/cm3,并且以 350-400km/s的速度在移动[5]。太阳圈的距离和强度与太阳风活动的程度息息相关[6]。自1995年起发现系外行星的意义为其它的恒星也有能力拥有自己的行星际介质[7]

行星际空间的体积内几乎是纯粹的真空,在地球轨道附近的平均自由半径大约是1天文单位。但是,这个空间并非完全的真空,到处都充满着稀疏的宇宙线,包括电离原子核和各种的次原子粒子。这儿也有气体、等离子和尘粒、小流星体和到目前为止已经被微波光谱仪发现的数十种不同有机分子[8]

行星际空间包含太阳生成的磁场[5],也有行星生成的磁场,像是木星、土星和地球自身的磁场。它们的形状都受到太阳风的影响,而类似泪滴的形状,有着长长的磁尾伸展在行星的后方。这些磁场可以捕获来自太阳风和其它来源的粒子,创造出如同范艾伦带的磁性粒子带。没有磁场的行星,像是火星和水星,但是金星除外,它们的大气层都逐渐受到太阳风的侵蚀。

恒星际空间

星际空间是在星系内未被恒星或它们的行星系占据的空间。星际介质-依照定义-存在于星际空间。

星系际空间

星系际空间是有物质的空间和星系之间的空间,星系际空间非常接近完全的真空,但通常仍会有自由的尘埃和碎片。在星系团之间,称为空洞的空间,则几乎是完全的真空。有些理论认为每立方米一颗氢原子的密度相当于宇宙的平均密度[9][10]。但是,宇宙的密度很显然是不均匀的;他的密度从在星系内非常高(包括在星系内有着高密度的结构,像是行星、恒星、和黑洞等)到在广大的空洞内非常低,远低于宇宙平均值的密度。

围绕和延伸在星系之间,有着稀薄的等离子[11],它们被认为具有宇宙纤维状结构[12],这是比宇宙的平均密度略为密集的区域。这些物质被称为星系际介质(IGM),并且通常是被电离的;也就是包还等量的电子质子的等离子。IGM的密度被认为是宇宙平均密度的10至100倍(每立方米拥有10至100颗氢原子)。在富星系团内的密度高达平均密度的1000倍。

星系际介质被认为主要是电离气体的原因是以地球的标准来看,它的温度被认为是相当高的(虽然有些地区以天文物理的标准来看只是温暖)。当气体由空洞进入星系际介质,它被加热至105K到 107K,这是足够让氢原子在碰撞时被撞出的电子成为自由电子,像这种温度的星系际介质被称为温热星系际介质(WHIM)。电脑的模拟显示,在宇宙中约有一半的原子物质可能存在于这种温热、稀薄的状态。当气体从温热星系际介质的纤维状结构进入星系团的宇宙斯状结构的界面时,它的温度会升得更高,温度可以达到108K或更高。

相关内容

参考资料

  1. ^ 阮意婷, 郭含羽, 张胜麟. 科学之旅期中报告, 探索太空, DOC. : 页码2 (中文). 
  2. ^ Linda Shiner. X-15 Walkaround. Air & Space Magazin. 2007-11-01 [2009-06-19]. 
  3. ^ Report of the Living With a Star Geospace Mission Definition Team (PDF). NASA. September 2002 [2007-12-19]. (原始内容 (PDF)存档于2008-04-09). 
  4. ^ LWS Geospace Missions. NASA. [2007-12-19]. (原始内容存档于2007-11-03). 
  5. ^ 5.0 5.1 Papagiannis, Michael D. Space Physics and Space Astronomy. Taylor & Francis. 1972: 12–149. ISBN 0677040008. 
  6. ^ Phillips, Tony. Cosmic Rays Hit Space Age High. NASA. 2009-09-29 [2009-10-20]. (原始内容存档于2009-10-14). 
  7. ^ Frisch, Priscilla C.; Müller, Hans R.; Zank, Gary P.; Lopate, C. Galactic environment of the Sun and stars: interstellar and interplanetary material. (编) Mario Livio, I. Neill Reid, William B. Sparks. Astrophysics of life. Proceedings of the Space Telescope Science Institute Symposium. Space Telescope Science Institute symposium series, Volume 16. Baltimore, MD, USA: Cambridge University Press: 21–34. May 6–9, 2002. Bibcode:2005asli.symp...21F. ISBN 0-521-82490-7. 
  8. ^ Flynn, G. J.; Keller, L. P.; Jacobsen, C.; Wirick, S. The Origin of Organic Matter in the Solar System: Evidence from the Interplanetary Dust Particles. (编) R. Norris and F. Stootman. Bioastronomy 2002: Life Among the Stars, Proceedings of IAU Symposium #213. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific. 2003. Bibcode:2004IAUS..213..275F. 
  9. ^ Davidson, Keay & Smoot, George. Wrinkles in Time. New York: Avon, 2008: 158-163
  10. ^ Silk, Joseph. Big Bang. New York: Freeman, 1977: 299.
  11. ^ Jafelice, Luiz C. and Opher, Reuven. The origin of intergalactic magnetic fields due to extragalactic jets. Royal Astronomical Society. July 1992 [2009-06-19]. 
  12. ^ James Wadsley; 等. The Universe in Hot Gas. NASA. 2002-08-20 [2009-06-19]. 

外部链接