空间环境的物理特性

“空间”一词，在不同学科或不同场合其涵义也不完全相同。在航天技术领域，“空间”是指地球及其大气层之外的宇宙空间。或者说，“空间”就是航天飞行器已经不能再从大气中获得氧气供其发动机燃烧，也不能获得浮力或气动升力进行飞行，而需要靠自身携带氧气和产生推力的区域。空间广漠无垠，包罗着无数的行星、恒星、星系和总星系。可进一步将空间区分为近地空间、行星际空间、恒星际空间和星系际空间。
关于空间的高度范围，不同学科的划分方法不尽相同。在航空医学，将海平面以上20km高度作为空间的起始高度。因为在此高度，大气压力已降低至47mmHg以下，人和其他温血动物在这样的环境中会产生“体液沸腾”，因此20km高度是有效大气压力的生理极限高度。在天体力学，将200km高度作为大气和空间的力学分界线，超过此高度，空气对于航天飞行器的阻力接近于零，大气的力学功能基本终结。大气又是一层连续的气体介质，其范围可达700km，大气科学家主张以700km为界，将大气分为两部分：内大气圈和外大气圈。
内大气圈又可分为对流层、平流层和电离层。对流层是大气的最底层，其成分主要是氧和氮，化学组成比较均匀，各种气象变化都出现在这一层。该层与平流层的分界面称“对流层顶”。平流层中有一层臭氧层，可以防止从太阳发射来的远紫外线对地面生物的危害。平流层的上部(30km以上)又称“中间层”。50～60km以上为电离层，是一层能反射无线电波的电离介质区域，由于太阳紫外线、微粒流和宇宙线的作用，这个区域中的部分或全部中性气体分子或原子被电离为电子、正离子或负离子。电离层的电子浓度在不同高度常出现几个极大值区，被称之为“区”。其中经常出现的是：D区(海平面以上56～88km),E区(88～144km),F₁区和F₂区(144～240km)。电离层的各项参数还随昼夜、季节、纬度和太阳活动情况而变化。外大气圈又称“散逸圈”，因为该圈的空气极度稀薄，空气质点间的平均自由路程很长，质点间已很难发生碰撞，再加上地球引力场的束缚也非常微弱，因而空气质点可逃逸到行星际空间中去。外大气圈的外缘离地面约65000km，再向上即是行星际空间。
大气的总质量约5×10¹⁵t。在地球引力场的作用下，大气总质量的99%集中在离地面30km以下的大气层内。其中1/4的质量集中在2.1km以下；1/2在5km以下；3/4在8.7km以下（相当于珠穆朗玛峰的高度）。海平面大气密度的标准值为1.225×10^-3g/cm³，随着高度的递增，大气密度按指数律降低。在120km以下，平均每升高16km大气密度降低一个数量级。从地面到500km，大气密度降低12个量级； 500～1000km，仅降低两个量级，1000～3000km。大气密度也只降低两个量级。因此在很高的高度，大气密度随高度而降低的变化是非常缓慢的。另外，大气密度还随时间、纬度、季节和太阳活动情况而变化。同样，大气压力也随高度的递增而按指数律迅速下降。在120km以下，平均每升高16km大气压力下降一个量级。从地面到350km，大气压力下降10个量级； 350～700km，下降两个量级； 1000～2000km，仅下降一个量级。一般在300～400km以上，大气压力的降低过程已非常缓慢。在大气层以外，气压小于10-14mmHg，这就是空间的真空环境。
大气中除水汽、液滴和固体杂质以外的整个混合气体称“干洁空气”。干洁空气中各种成分的含量按容积计算为：氮，78.08%；氧，20.94%; 氩，0.93%; 二氧化碳，0.03%；此外还有少量的氢、氖、氪、氙和臭氧等稀有气体。这样一种组成的大气，平均分子量为28.96。从海平面到90km高度，干洁空气成分的这种比例基本上保持不变。在120km以上，大气各成分开始出现扩散性分离现象，氧分子开始部分离解成氧原子。100～200km，氮分子的数密度从1cm³ 10¹³下降到10⁹～10¹⁰个；氧分子从10¹²下降到(1～4)×10⁸；氧原子从(2～8)×10¹¹下降到(1～5)×10⁹。在125km高度还可测量到少量的一氧化氮(NO)，其数密度1cm³为6×10⁶个。 氮原子的数量不超过氮分子的2～5%。在100～200km之间，大气各成分的数密度还随太阳活动情况、季节和纬度而变化。在700km以下，大气的主要成分基本上是氮分子、氧分子和氧原子；在700km以上，主要成分则是氦和氢原子。
在太阳系内，太阳是一个巨大的能源，每时每刻都在向空间辐射大量的能量。地球能量的一个主要来源是太阳，地球大气层的温度主要也是靠对太阳辐射能量的吸收。海平面以上不同高度，温度不同。在地面附近，温度随高度的升高而递减，平均每升高1公里，温度降低6.5℃。离地10～20km，温度降低至-60℃～-85℃。然后保持一段相对稳定，温度就缓慢上升，其原因是由于臭氧对太阳紫外线的吸收。离地面50km以上，温度又随高度的升高而递减，不过递减的速率和下层不同，每升高1km，温度约下降3℃；温度最低可降至-95℃。从100～300km，由于所有波长小于1750Å的太阳紫外线均被大气吸收，因此温度迅速升高。到300km以上，太阳辐射吸收减少，温度逐渐趋于恒定。400km以上，温度可达到1200℃。在这样的高度，空气已极度稀薄，大气密度仅为1.48×10^-15g/cm⁵，空气质点的平均自由路程为10⁵cm，质点之间已很少发生碰撞，传热方式主要是辐射，通常的分子导热和对流热交换已不起作用。因此在空间环境中，温度的涵义与通常在大气环境中的不同。在大气环境中，温度是大量气体分子热运动的集体表现形式，表示气体分子运动的平均动能；而在空间真空环境中，温度只表示单个空气分子的动能。因此载人飞船或航天员在空间环境中，几乎不受周围环境温度的影响，热平衡主要取决于自身的温控方式和辐射热交换。
行星际空间是能和力的介质。在地球周围主要有地磁场和地球引力场。按照地磁场与太阳风（太阳不断喷射的等离子体流）相互作用的关系，可将地球周围的空间划分为三个区域：行星际区、相互作用区和磁层区。行星际区不受地磁场的影响，相互作用区由于受地磁场与太阳风的相互作用而形成所谓“磁鞘”，地磁场对磁层区起着主要作用。地磁场的强度随时间和空间位置而异，在海平面为0.3～0.6高斯，高空的磁场强度与地球距离的立方成反比。地磁层呈水滴状，由于受太阳风的作用，朝向太阳的一面，磁层较薄，只相当于地球半径的8～14倍；而背向太阳的一面，磁层拖得很长，相当于地球半径的31倍。在行星际区，磁场强度仅为5伽马(1伽马=10^-3高斯)。太阳表面的磁场强度约为1高斯，月面的磁场强度不到100伽马，金星约为5×10³伽马，火星与月面相同；木星的磁场最强，高达1000高斯。除地磁场外，地球还有引力场。地球引力场的范围比地磁场大得多，向外可延伸至150万km，超过此范围即进入太阳引力场。
在太阳系内的行星际空间以及近地空间中，存在着许多由彗星或小行星演变而来的固体物质，称“流星体”。流星体一般都很小，体积有如豌豆大，但也有少数大的，个别特大的甚至重几吨。这些流星体在太阳万有引力的作用下，沿着各种椭圆形轨道运行，相对于地球的速度约为11～13km/s。当与地球大气相遇时，因高速摩擦而生热发光，这就是从地面上肉眼所见的“流星”。大多数流星体在离地面70km以上的高空被烧毁，个别未被烧毁而能幸存落地的称“陨石”。还有一些流星体的体积非常小，直径在1mm以下，质量不到1mg，称“微流星体”。
由于流星体的速度很大，撞击到载人飞船上时，即使质量很小，也能产生一定的危害。又由于小流星体和微流星体的数量比大流星体多许多倍，所以应该特别注意小流星体和微流星体的危害。根据理论计算和实验分析，质量低于10^-7g、直径在100μm以下的微流星体，能使飞行器的表面变粗糙，损坏光学仪器和太阳电池。质量在10^-7g以上，直径大于100μm的，除能使飞行器表面变粗糙外，还能使飞行器壳体出现裂痕，甚至击穿舱壁，造成载人飞船座舱爆炸减压。但是在载人航天史上，迄今尚未发生过这类事故。在行星际空间，火星与木星之间有一片小行星带，如果将来要进行比火星更远的载人星际航行，必须穿越小行星带时，应考虑到飞船与小行星相碰撞的可能性。
在空间环境的物理特性中，还有两个重要因素： 空间粒子辐射和太阳电磁辐射。这两个因素，无论在航天医学上或是工程上都有重要意义。具体内容见“空间粒子辐射”和“太阳电磁辐射”。