第 1 章 - 基礎科學：天文學、行星科學、化學、生命科學（第 3 頁）
天文學 是對宇宙作為一個整體以及其中物體的研究。雖然地球是宇宙的一部分，但其他科學分支對地球進行了更詳細的研究。天文學主要研究地球在太陽系中的位置，以及我們大氣層以外的宇宙。這對於空間系統來說非常重要，因為空間系統是在大氣層以外執行的。
這只是一個非常簡短的介紹。有關更多背景資訊，請參見
天文學中出現的一個關鍵思想是宇宙的均勻性。據我們所知，現在和過去起作用的自然規律和過程在過去一直起作用，在宇宙中任何地方都是一樣的，並且我們預計它們在未來將繼續如此。瞭解了這些一般原理後，我們就可以根據需要將其應用於具體的例子。
宇宙是存在的總和。宇宙作為一個整體的起源和歷史對許多人來說很重要，但只有某些特徵與空間系統的研究相關。這包括重子物質（我們和地球都是由這種普通物質構成的）開始時約為 76% 的氫、24% 的氦，幾乎沒有其他物質。重力導致幾乎毫無特徵的早期宇宙發展出密度更高的區域，以及中間的空曠區域。密度更高的部分合併成許多星系。銀河系是太陽和行星所在的星系。
在星系中，氣體雲在重力作用下凝結形成恆星，它們由核反應提供能量。這些反應將較輕的元素轉化為較重的元素，使氦的質量比例增加到約 27%，而較重的元素的比例增加到約 2%。恆星核反應釋放出大量能量，但這種來源是有限的。因此，太陽和其他恆星最終會耗盡燃料，宇宙的成分將達到穩定狀態。
一些證據表明，宇宙的當前年齡約為 138 億年，恆星時代將持續約 100 萬億年。如果宇宙的膨脹繼續加速，那麼在附近的大多數恆星死亡之前，宇宙的大部分將變得無法探測。無論宇宙的最終命運如何，相對於現代人類的存在時間，宇宙將以其目前的形態持續很長時間。
銀河系中最古老的恆星約有 130 億年的歷史，幾乎和宇宙一樣古老。正常的（重子）物質嵌入大約 5 倍於它的另一種物質中，這種物質只通過其重力才能顯現出來。這種物質似乎不產生或與光相互作用，因此被稱為暗物質。目前對它知之甚少。對於空間系統來說，主要關注的是它如何影響恆星、行星和分子云等物體的運動。
銀河系的成分和內部運動表明，它是由氣體雲和較小的星系在重力作用下落入形成的，這種情況一直持續到今天。它的形狀似乎是從光暈和中心隆起開始演化的，然後是周圍盤狀區域的生長。銀河系的總質量估計為太陽質量的 1.15 萬億倍，包含大約 100-400 億顆恆星。這個數字是不確定的，因為氣體雲阻擋了完整的視野，而且只觀測到了大約 1% 的恆星。
太陽位於圓盤區域，距離銀河系中心約 27,000 光年，靠近圓盤的中心平面。它以約 220 公里/秒的速度繞中心執行，大約需要 2.4 億年才能完成一個軌道。我們不知道太陽軌道的確切形狀，但懷疑它是橢圓形的。
太陽附近的恆星的隨機運動約為 50 公里/秒。在太陽的生命週期中，這個速度總計 45 萬光年（ly）——遠大於太陽的銀河軌道長度 17 萬光年。這表明目前附近的恆星並不是太陽誕生時的那些恆星。事實上，在 100 光年內的恆星將在 100 萬年內被一組幾乎完全不同的恆星取代。
天文學家在銀河系中密度更高的被稱為分子云的區域看到了新的恆星正在形成。太陽和太陽系的其餘部分被認為是在這樣的雲中形成的。雲的壽命估計為 1000-5000 萬年，所以那個雲已經消失很久了。根據放射性測年法，太陽和太陽系的年齡估計為 46 億年，大約是宇宙估計年齡的三分之一。太陽中 1.5% 的重元素表明它是由之前被更老一代恆星富集的迴圈物質形成的。非常古老的恆星缺乏這些比氦重的元素。
重力和內部運動導致原始分子云的一部分形成一個被稱為太陽星雲的獨特天體。星雲的核心繼續收縮，自重力造成的壓力增加使該核心升溫，從而形成了原太陽。當原太陽的核心溫度達到 1200 萬開爾文時，氫聚變開始，真正的太陽誕生了。這種坍縮持續到點火大約需要 5000 萬年。
太陽核心中的核反應已經將氫轉化為氦，使其在核心中的濃度增加到約 60%。由於氦比氫重，所以核心變得更加緻密和更熱。這增加了剩餘氫的反應速率，以及太陽的總能量輸出，大約增加了 40%。目前的輸出功率為 3.846 x 1026 瓦。這將繼續以每 1 億年約 1% 的速度增加。在大約 50 億年後，太陽核心中的氫將耗盡，它將膨脹成一顆紅巨星，蒸發水星、金星，甚至可能蒸發地球。
行星科學 是研究宇宙中比恆星小的天體，如行星、衛星、小行星和彗星。在 1980 年代之前，這侷限於太陽系。自發現許多圍繞其他恆星的星周盤 和系外行星以來，該研究領域已經擴充套件到更廣闊的範圍。自 1998 年以來，還發現了一些流浪行星 和兩個較小的星際天體，它們不與任何恆星相連。
與太陽系之外相比，我們對太陽系的瞭解更為詳細。地球到太陽系的距離要小得多，並且已經向許多感興趣的天體發射了宇宙飛船。像隕石 這樣的墜落物體是我們可以檢查的來自太陽系的自然樣本。一些宇宙飛船帶回了“新鮮”樣本，提供了更多資訊。這些樣本沒有被穿過大氣層或暴露在天氣中而發生改變，直到被發現。
自 46 億年前形成以來，太陽系一直在演化，如果任其自然發展，它將在未來數十億年繼續演化。
角動量 是一個物體旋轉的量。除非它與其他物體相互作用，否則這個量保持不變。一旦太陽星雲從它形成的雲中分離出來成為一個獨立的天體，它就很少與外部發生相互作用。它開始的任何內部運動都組織成一個單一的旋轉。在中心形成的原恆星最終獲得了大部分質量，但旋轉使少量物質無法落入。然而，它可以沿著旋轉軸垂直下降。殘餘的質量變成了一個直徑約 200 個天文單位的原行星盤，其中 1 個天文單位是地球到太陽的距離。
原恆星的收縮提高了它的溫度，但距離和光學厚度導致盤的溫度隨著距離中心的距離而下降。扁平的形狀使熱量能夠從盤的兩側散逸，因此它能夠冷卻。然後，不同的物質根據距離凝結和凍結。這只是靠近中心的金屬和岩石，以及更遠處的冰，如水、甲烷和氨。沒有任何地方足夠冷以使氫和氦直接凝結，所以它們仍然以氣體的形式存在。固體顆粒最初可以透過彼此粘合，然後透過重力而聚集在一起。以這種方式形成的物體混合物被稱為星子。透過觀察年輕恆星周圍的盤，我們有相當充分的證據來證明這一點。
重力是一個失控的過程。當一個物體變大時，它可以吸引更遠距離的物質，從而增加它的增長速度。較大的物體具有勢能阱，因此較小的物體將加速撞擊。撞擊能量最終變得足夠大，可以熔化該物體。此外，早期太陽系中的放射性元素比現在更多，這些元素的衰變增加了碰撞加熱。
較大的物體能夠影響較小物體的軌道，即使沒有直接將它們拉進來。這會導致較小的物體撞擊某個物體或被散射出去。這往往會清除每個大型物體周圍的軌道區域。最大的物體具有足夠深的重力阱，可以收集並保持氫和氦，形成氣態巨行星。
海王星以外的距離非常大。因此，一些在該區域形成或被散射到該區域的物體在相對沒有改變的情況下倖存下來。不能在內部高溫區域凝結的小分子傾向於被太陽風和拖曳推開。它們可以在木星軌道附近凝結，這可能是木星和土星的質量比其他行星大的原因。剩下的內部物質主要是金屬和岩石，形成了四顆內行星。
行星的早期形成大約需要 10 萬年。最初有許多更小的原行星。撞擊和散射已經減少了數量，包括一些完全被彈出太陽系。在木星軌道內部，引力效應尤其強烈，留下相對少量的物質，被稱為小行星帶。軌道變化一直持續到今天，但碰撞頻率較低，因為較小天體的供應量減少了。整個太陽系中發現的許多隕石坑記錄了以往的碰撞。被送得更遠但沒有完全消失的物體現在構成了各種型別的遠日小行星
許多行星和小行星都有更小的天然衛星 或“衛星”圍繞它們執行。在某些情況下，它們與較大的天體相比並不那麼小，被認為是雙行星或小行星。物體最終圍繞較大的物體執行有三種方式
- 巨行星像太陽一樣形成了自己的盤，但規模更小。衛星從這些盤中凝結出來。
- 大型撞擊產生的碎片可以透過重力聚整合為一顆或多顆衛星。人們認為地球的月球就是以這種方式形成的。
- 最後，一個原本獨立的天體可能被捕獲到一個更大的天體周圍的軌道上。這很難，因為一個物體通常會以與它接近時相同的速度離開。捕獲通常涉及第三個物體來改變速度。
一旦行星、較大的衛星和較大的小行星形成，它們就會從原始狀態演變為我們今天所看到的樣子。如果它們足夠大，它們的內部重力就會克服它們由任何物質組成的強度。它們會成為球體或橢球體，這取決於它們的旋轉速度。如果來自碰撞、潮汐力或放射性衰變的熱量足夠多，它們就會融化並根據密度和化學親和性分離成不同的層。這被稱為分異。低熔點材料和揮發物 可以保持液體狀態或形成大氣層。隨著時間的推移，一些或所有大氣層都可能因逃逸或剝奪而損失。
鐵和相容的金屬是最重的常見物質，所以它們最終落在了中心的核心中。向外走，各層包括不同密度的岩石礦物（地幔和地殼），然後是液體和冰層，最後是大氣層。並非所有天體都具有所有這些層，這取決於形成時的可用物質及其後來的歷史。
一般成分隨距離太陽的距離而變化。在內部區域，重金屬和高溫礦物相對較多，在外部區域，輕質冰和揮發物相對較多。這些趨勢不是嚴格的規則。隨機碰撞和引力改變的軌道影響了物體的組成和位置。較小的天體往往會失去原始大氣，如果溫度足夠高，它們的冰也會散失到太空中。
大約 1 億年的原始形成時期之後，較大的行星繼續以混亂的方式相互作用，直到大約 38 億年前，也就是太陽星雲形成後 8 億年，它們穩定下來。像地球這樣的天體具有侵蝕和火山活動等活躍過程，這些過程往往會抹去隕石坑。較小的天體缺乏大氣或地殼運動，因此在整個太陽系的生命週期中保留了它們。由此產生的當前物質分佈和太陽的巨大能量輸出現在是空間專案可利用的主要資源。
地球科學 是研究地球及其組成部分的學科。由於地球具有複雜的結構和歷史，因此這個廣泛的領域被細分為更具體的地球科學。月球影響著地球——例如，透過產生潮汐。這類影響通常被認為是地球科學的一部分，而對月球作為獨立天體的研究則被認為是行星科學的一部分。
對地球的研究早於對其他行星的詳細研究，並且它仍然是研究得最透徹的行星。在現代天文學和行星科學的背景下，地球現在被看作是眾多行星中的一顆。在人類歷史的背景下，它仍然佔有特殊的地位，因為我們是在這裡進化的，直到現在還沒有人離開過地球-月球系統。
到目前為止，幾乎所有空間專案的設計、材料、裝置和操作都在地球上進行或來自地球。例如，只有火箭發射臺上的火箭的百分之幾最終進入軌道。這將在至少不久的將來繼續下去。因此，為了進行空間專案，至少在建設工廠和發射場離開地球時，仍然需要對地球有一定的瞭解。可以在許多維基百科文章 和諸如
地球的形成方式與太陽系中其他大型天體相同，主要透過碰撞形成。人們認為，在形成後期的一次非常大的碰撞中產生的碎片形成了月球，解釋了它們成分的相似性。撞擊和放射性衰變釋放了足夠的能量來融化整個星球。早期的高溫可能導致了一些更易揮發的冰和氣體的流失。自那以後，持續的放射性衰變，加上潮汐加熱，使地球內部保持高溫。
地球的內部結構包括一個由壓力固化的金屬核心，儘管它的溫度（5700K）與太陽表面（5778K）大致相同。在其外面是一個液態金屬外核，然後是一層岩石層，稱為地幔。地幔佔地球體積的84%，佔其質量的67%。它的溫度從核心邊界處的4200K 到地表附近的500K 不等。儘管溫度很高，但內部壓力使它的大部分保持固態。然而，岩石能夠在一種稱為熱迴圈的型別中緩慢流動，這種流動需要大約1億年的時間。
密度最小、最冷的岩石形成了一個稱為岩石圈的剛性上層，它約佔地球質量的3%。它的厚度從某些洋脊處的 4 公里到大陸最古老部分下的 280 公里不等。厚度取決於岩石變形而非斷裂的溫度達到足夠高的深度。深度或溫度梯度的變化相對於地球其餘部分來說更大。按成分劃分，岩石圈的下部是地幔的一部分，而上部是密度較低的岩石，稱為地殼。兩者主要由金屬氧化物礦物組成，例如矽酸鹽，它包含矽和氧，但也經常包含其他元素。
岩石圈、海洋和大氣的地球部分是唯一可以被使用，即使使用先進技術，也可以被使用的部分。需要除八種最常見元素（或其化合物）以外的元素的專案通常需要開採岩石圈，然後分離較稀有的元素。海洋和大氣也是特定元素和化合物的來源。岩石圈的元素組成因深度和位置而異，但平均而言是
- 氧：46.60%
- 矽：27.72%
- 鋁：8.13%
- 鐵：5.00%
- 鈣：3.63%
- 鈉：2.83%
- 鉀：2.59%
- 鎂：2.09%
- 其他元素：1.41%
地幔的內部運動和向外傳播的熱量會導致區域性溫度高於當地壓力決定的熔點。熔化的岩石被稱為岩漿。它的成分可能會有所不同，因為不同的礦物具有不同的壓力/溫度熔化曲線。岩漿的運動和地幔的整體迴圈緩慢地導致地殼碎片（稱為板塊）在地球固體表面上移動、生長、碰撞、分裂和潛入地幔。
大約有 7 個主要板塊和許多較小的板塊。它們的運動、熔化、結晶、風化和其他地質過程解釋了我們今天發現的地形和地質。這些動態過程共同侵蝕了地球早期歷史的大部分。當前的固體表面平均佔整個星球年齡的 10% 或更少。
水密度低於岩石，因此它位於地殼之上。海洋和較小的水體充滿了較低區域。海洋是大多數河流的最終目的地，並與其下面的地面接觸。因此，海水中積累了約 3.5% 的溶解物質。這主要是普通鹽（NaCl），以及少量的其他元素。除了河流和湖泊等開闊水體外，地球約 2.8% 的水以冰川、地下和土壤中的形式凍結，以及大氣中的水蒸氣或生物體中。除了生物體外，非海洋水積累汙染物的時間更短，通常更純淨。
地球最上層是大氣，其最低點密度是其下方水或陸地的 800-2000 倍。它含有過於揮發而無法保持固態或液態的物質。乾燥的空氣中含有 78% 的氮氣、21% 的氧氣、1% 的氬氣以及少量的其他氣體。它還含有 0.01-4.24% 的水蒸氣，這些水蒸氣來自其下方的水和地面。這些有時會凝結或凍結，然後落下。重力和自身的重量會導致壓力和密度隨高度而變化。當靜止時，在每個點，壓力等於其上方所有氣體的重量。太陽的熱量和地球的自轉導致空氣運動，因此壓力在一個給定位置會有所不同。
對於空間系統，大氣主要是進入太空的障礙，在返回時是加熱和阻力的來源。大氣沒有“頂部”，密度會隨著高度不斷下降，直到達到行星際空間的水平。即使在許多衛星執行的 1000 公里高度，它也會產生可衡量的影響。
10.3 - 月球
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在地球早期歷史中，一個名為忒伊亞的火星大小的天體被認為撞擊了原始地球。它的大部分都留在了新形成的地球上，但來自這次撞擊的一些碎片透過重力聚集形成了月球。它形成時比現在更靠近地球，但潮汐的作用減緩了地球的自轉並增加了月球的距離，這是一個持續的過程。
月球比地球小，內部熱量流失得更快，在一億年的時間裡變成了大部分固體。它也根據密度分層，中心是一個主要由鐵組成的核心，溫度約為 1600-1700K。核心周圍是岩石地幔層和地殼層，地殼平均厚度為 50 公里。它太小，無法保留大氣層，因為它逃逸速度太低。由於這些原因，月球以大型撞擊盆地和各種大小的隕石坑的形式保留了其早期歷史的證據。
月球表面的地質與地球相似，主要由矽酸鹽礦物組成。它已被各種大小的撞擊嚴重改造，產生了一層細粒碎裂的表面層，稱為風化層，以及從微觀到巨大撞擊盆地的隕石坑。
一些更大的盆地被岩漿填滿，形成了相對平坦且較暗的區域，這些區域被錯誤地命名為月海（拉丁語意為“海”）。在望遠鏡出現之前，人們認為它們有水。月球距離地球較近時產生的更大潮汐減緩了月球的自轉，因此現在同一側總是面向地球，並帶有一點擺動。目前尚不清楚為什麼大多數月海都在近側。
11.0 - 化學
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化學科學歷史上被認為是與物理學不同的學科。在更一般的意義上，它可以被認為是低能物理學的一個子集，其中原子透過原子鍵合的排列很重要。我們人類碰巧需要原子鍵合很重要的生活條件，因此我們更關注這種能量狀態。實際上，宇宙中約 99% 的物質處於等離子體狀態，其中電子不再束縛於原子，原子間鍵合很少見。
到目前為止，空間專案中最重要的化學反應是產生高溫氣體以推動火箭的反應。未來，生命支援系統中的化學反應以及太空原材料的提取和製備將變得更加重要。對空間系統設計來說，至少需要對化學原理有一定的瞭解。有關化學的更多背景資訊，請參閱
12.0 - 生命科學
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生命科學一般是指對生物的研究。生命是一個複雜的現象，因此**生命科學**被劃分為多個分支，它們為了獲取知識而研究生物，而另一些分支則將這些知識應用於農業和健康等有益目的。生命科學對於包括生物體，尤其是人類在內的太空專案至關重要。它還包括尋找地球以外的生命，以及從探測器和裝置中消除生命，以避免雙向汙染。
關於生命科學的背景資訊可以從以下地方獲取：