30 Avril 2015

Qu'est-ce que l'espace ?

Les fondamentaux pour comprendre la physique et les contraintes du milieu dans lequel évoluent nos satellites, sondes et instruments.
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Qu'est-ce que l'espace ?

Pendant des millions d'années, l'espace est resté hors de portée des hommes, cloués au sol sur leur planète. Comme tout objet inaccessible, il fait rêver et donne lieu à de nombreuses interprétations. Des siècles durant, on a d'ailleurs cru que le ciel était la résidence des dieux, reposant dans la béatitude éternelle.

Les hommes ont voulu en avoir le cœur net et sont allés sur place. Ils n'y ont pas trouvé de présence divine, mais plutôt un endroit étrange, sans air, ni bruit, ni odeur. Un paradoxe de la nature caractérisé par l'absence et pourtant si hostile : il est tantôt le monde du silence, tantôt le théâtre de gigantesques déluges énergétiques.

Une énergie du vide, que les scientifiques ont bien du mal à cerner, bousculant à plaisir notre perception usuelle du monde..

Un horizon indéfini

Si intuitivement, la notion d'espace est claire dans nos esprits (un milieu très noir qui nous entoure), chacun d'entre nous s'est un jour posé la question de ses limites : où commence l'espace ? Jusqu'où s'étend-il ? Quelle est la différence entre espace et Univers ?

On désigne par Univers tout ce qui existe. L'espace est cette étendue qui nous sépare des astres, et plus généralement sépare les astres entre eux. Il se situe, de notre point de vue, Terriens, au-delà de la partie de notre atmosphère terrestre.

Les limites de l'espace ne peuvent cependant pas être définies précisément : la densité de l'atmosphère, enveloppe de gaz qui nous entoure et nous protège, diminue progressivement à mesure qu'on s'élève en altitude. Ainsi, à 200 km au-dessus de nos têtes, il subsiste une atmosphère résiduelle.

Evolution de la pression en fonction de l'altitude

Altitude

Niveau de la mer

5 km

20 km

30 km

80 km

400 km

Pression

1 013 hectopascals (hPa)

500 hPa

55 hPa

12 hPa

0,01 hPa

10-11 hPa

La pression atmosphérique diminue progressivement à mesure qu'on s'éloigne de la Terre. A 400 km règne une atmosphère résiduelle comptant toutefois environ 100 millions d’atomes et molécules !

Le vide de l'Univers

L'espace contient si peu de matière qu'il peut être considéré comme vide. C'est une notion difficile à concevoir pour nous, car sur Terre la matière est partout, sous ses 3 états : liquide, solide, gazeux. "La nature a horreur du vide", avait conclu Aristote.

Ainsi dans l'espace, le jour et la nuit n'existent pas : sur Terre, l'atmosphère gazeuse diffuse les rayonnements provenant du Soleil et donne la couleur bleue au ciel. L'espace, faute d'atmosphère dense, reste éternellement noir.

De même, les vibrations sonores ont besoin d'un support matériel pour se propager. Dans le vide, pas de support, pas de son !

Néanmoins, vide n’est pas rien… L’espace a même d’étonnantes propriétés.

Par exemple, des échanges d’énergie ont bien lieu, mais uniquement par rayonnement. Ainsi, la lumière des étoiles nous parvient, ce qui prouve son aptitude à se propager dans le vide. Il en est de même pour les ondes radio, utilisées pour les communications entre les satellites et la Terre.

Plus précisément, ce sont les ondes électromagnétiques (ondes radio, lumière etc.), par opposition aux ondes mécaniques (ondes sonores, vagues dans un fluide etc.), qui peuvent se propager sans support matériel.

Apportons également une nuance à tout ceci : le vide spatial n’est pas absolu. On y trouve des atomes, des poussières, des débris solides de toute sorte.

Le saviez-vous ?

  • Pollution spatiale
    Plus de 7000 objets de plus de 10 cm gravitent autour de la planète. Leur origine ? L’activité humaine dans l’espace et la pollution qu’elle génère. Parmi eux, 750 satellites en fonction, 1500 hors services et plus de 5000 débris. Mais on estime à 50000 le nombre d’objets de 1 à 10 cm et à plusieurs millions ceux de moins d’1 cm…

Le théâtre de l'extrême

Dans l'espace, fait-il chaud ou froid ? Cette question n'a pas de réponse définitive.

En effet, sans le Soleil, la Terre ou d'autres astres, la température dans l'espace serait extrêmement basse : environ –270°C.

Or les astres se comportent comme des sources de chaleur et créent d'importantes variations de températures d'un objet à l'autre et d'une face à l'autre d'un même objet.

Pour affronter les températures extrêmes, le spationaute est protégé par un scaphandre qui l’isole complètement. En effet, à 400 km d’altitude, la température peut varier de +120°C à -150°C en quelques minutes.

Sur Terre, 3 mécanismes permettent à la chaleur de se propager et se combinent pour uniformiser les températures :

  • la conduction : la chaleur se propage de proche en proche au moyen de choc entre particules,
  • la convection : la chaleur se propage par déplacement au sein des fluides,
  • le rayonnement : l’énergie se transmet sous forme d’onde.

Dans le vide spatial, seul ce dernier mécanisme permet à la chaleur de se propager, les deux autres ayant besoin d’un support matériel. Ainsi, les écarts thermiques restent grands.

Une descente aux enfers

Vu de la Terre, l’espace semble être un havre de paix. Or l’espace est loin d’être tranquille… En protégeant notre planète, l’atmosphère et le champ magnétique terrestre nous épargnent également les rigueurs d’un milieu dont nous ne soupçonnons pas la violence.

Par exemple, le Soleil déverse en permanence autour de lui des flots de particules d’atomes et de rayonnements mortels, appelés vents solaires. Chaque année ont également lieu des éruptions solaires : en quelques minutes, de gigantesques quantités d’énergie sont expulsées dans l’espace, dont la vitesse des particules peut atteindre 50000 km/h !

A l’échelle plus globale, un flux de rayonnements éjectés lors d’éruptions d’étoiles vient s’ajouter au flux solaire, pour former ce qu’on appelle le rayonnement cosmique. On a en outre découvert que ces particules forment autour de la Terre une couronne appelée Ceintures de Van Allen, située entre 500 et 40000 km d’altitude.

Eruptions solaires, rayonnement cosmique, ceintures de Van Allen : si les Terriens sont à l’abri, le risque radiatif dans l’espace est bien réel. Très énergétiques, ces particules détériorent les éléments très sensibles des véhicules spatiaux et peuvent provoquer des troubles chez les spationautes, allant de simples nausées à l’irradiation mortelle.

Un terrain pour la science

Du haut du ciel, des satellites scrutent la Terre en permanence, transmettent des informations, des spationautes construisent des stations. Mais pourquoi l’espace intéresse-t-il tant les hommes ?

Tout d’abord, c’est l’endroit rêvé pour avoir une vision globale de la planète. L’observation de la Terre par satellites est devenue une discipline à part entière pour les scientifiques, pour qui la protection de l’environnement est une priorité. Les satellites artificiels s’affranchissent des distances et des frontières. Aussi l’espace est-il un relais idéal pour communiquer d’un bout à l’autre de la planète.

La notion d’espace véhicule également beaucoup d’images d’impesanteur. Cet état, auquel seul le milieu spatial permet d’accéder plus de quelques minutes, est une aubaine pour la science. L’espace est ainsi un laboratoire unique pour les chercheurs, qui peuvent réaliser des expériences scientifiques nouvelles et sans équivalent sur Terre, dans les domaines des sciences de la vie et de la matière.

Enfin, rien de tel pour envisager un éventuel voyage interplanétaire que d’apprendre à connaître et apprivoiser ce milieu si particulier qu’est l’espace.

Bien qu’hostile, il fait toujours rêver, et la planète Mars est bientôt à nos portes !

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