Avaruus (ulkoavaruus) – määritelmä, Kármánin linja ja ominaisuudet

Avaruus, joka tunnetaan myös nimellä ulkoavaruus, on lähes tyhjiö taivaankappaleiden välillä. Siellä sijaitsee kaikki — muun muassa planeetat, tähdet, galaksit ja muut kohteet — sekä hyvin harvakseltaan esiintyvä kaasu, pöly ja säteily.

Maapallolla avaruus alkaa Kármánin linjasta (100 km merenpinnan yläpuolella). Tähän kohtaan Maan ilmakehän sanotaan loppuvan ja ulkoavaruuden alkavan. Tämä ei ole luonnollinen raja, vaan tiedemiesten ja diplomaattien käyttämä yleissopimus.

Kármánin linja ja rajan merkitys

Kármánin linjan käsite juontaa juurensa ilmailu- ja avaruustekniikan laskelmiin: sijoittaja Theodore von Kármán arvioi, että noin 100 kilometrin korkeudella ilmakehä on niin ohutta, että ilmaa vastaan tapahtuva nostovoima ei enää riitä pitämään lentokonetta ilmassa — siinä vaiheessa tarvitaan pyörivää nopeutta eli ratoja Maan ympäri. Siksi 100 km on käytännöllinen raja lentokoneiden ja avaruusalusten toimintojen eroittamiseen.

Kuitenkin rajan määrittely ei ole yksimielinen. Esimerkiksi Yhdysvaltain ilmavoimat ja jotkut muut toimijat ovat käyttäneet 80 km rajan myönnettäessä astronauttitunnustuksia. Kansainvälisesti yleisimmin käytetty ja virallinen raja harrastuksissa ja kilpailuissa on 100 km (FAI).

Avaruuden tärkeimmät ominaisuudet

• Hyvin lähellä tyhjiötä: paine ja ilman tiheys pienenevät eksponentiaalisesti korkeuden kasvaessa. Lähimmässä avaruudessa, kuten eksosfäärissä, kaasumolekyylit voivat kulkea pitkiä matkoja ennen törmäystä (mean free path).
• Ei nollapistettä gravitaatiolle: avaruudessa esiintyy usein mikrogravitaatiota eli painottomuutta tai lähes painottomia olosuhteita, mutta gravitaatio ei poistu — kiertoradat perustuvat vallitsevaan painovoimaan.
• Säteily: avaruudessa on intensiivistä ionisoivaa säteilyä (auringon hiukkaspurkaukset, kosmiset säteet) sekä näkyvän valon ja infrapunasäteilyn puuttumista ilmakehän suodattavuuden takia. Tämä vaatii suojautumista miehitetyissä aluksissa.
• Temperatuurin vaihtelut: lämpötila voi olla erittäin korkea aurinkoon suuntautuessa (thermosfäärin molekyylit voivat olla “kuumia” liikenopeuksia), mutta samalla lämpöä siirtyy huonosti, joten pinnan tai aluksen todellinen lämpö riippuu säteilytasapainosta ja materiaalien ominaisuuksista.
• Plasma ja magneettikentät: avaruudessa on plasmatilaa (esim. aurinkotuuli) ja Maan ympärillä Van Allenin säteilyvöitä; planeettojen magneettikentät muovaavat lähiperustaa ja suojaavat osittain säteilyltä.
• Aineen äärimmäinen harvuus: tähtitieteellisissä mittakaavoissa lähiavaruutta voidaan pitää suhteellisen tiheänä verrattuna tähtienväliseen ja galaksienväliseen mediaaniin. Interstellaarinen väli voi sisältää ~1 atomia/cm³ ja galaksienvälinen tila vielä harvempaa ainetta.

Avaruuden alueet lähellä Maata

Seuraava lista kuvaa tyypillisiä korkeusvyöhykkeitä Maan ympärillä ja niiden merkitystä:

• Troposfääri (0–~12 km): sääilmiöt ja suurin osa ilmakehän massasta.
• Stratosfääri (~12–50 km): siellä sijaitsee otsonikerros; lentokoneet lentävät yleensä tämän alapuolella tai sen alarajalla.
• Mesosfääri (~50–85 km): meteorit useimmiten palavat tässä kerroksessa.
• Thermosfääri (~85–600 km): aurinkosäteilyn vaikutuksesta erittäin harvaa mutta “lämpimää” kaasua; täällä kiertävät avaruusasemat kuten ISS (noin 400 km).
• Eksosfääri (~600 km–): siirtymä ilmakehästä avaruuteen, jossa hiukkaset voivat karata avaruuteen ja vuorovaikutukset harvenevat.
• Alueet kiertoradoilla: matala kiertorata (LEO, ~160–2 000 km), keskipitkä kiertorata (MEO, esim. GPS ~20 200 km), geosynkroninen kiertorata (GEO ~35 786 km) ja kauemmat radat, kuten Lagrangen pisteet ja planeettojenväliset radat.

Merkitys ihmistoiminnalle ja lainsäädännölle

Kármánin linja on tärkeä paitsi tieteellisessä myös oikeudellisessa ja operatiivisessa mielessä: se määrittää, milloin alusta katsotaan olevan avaruudessa, ja vaikuttaa lentoturvallisuuteen, kansainväliseen lainsäädäntöön ja avaruusoikeuteen. Avaruuslaki ja sopimukset (esim. Outer Space Treaty) säätelevät toimia avaruudessa, mutta tarkkoja kansainvälisiä rajoja ei ole täydellisesti yhdenmukaistettu.

Käytännön huomioita

• Inhimillinen toiminta avaruudessa vaatii elinolosuhteiden ylläpitoa: happi, paine, lämpötila- ja säteilysuojaukset sekä ruokahuolto ja jätteenkäsittely.
• Satelliitit ja avaruuslennot kohtaavat ilmakehän yläosissa aerodynamiikkaa, lämpökuormitusta ja orbitalisen dynamiikan vaatimuksia.
• Palautuminen ilmakehään ja uudelleenlämpötilan käsittely vaatii erityistä lämpösuojauksen suunnittelua (lämmönsieto ilmakehän kitkasta).

Yhteenvetona, avaruus on monimutkainen ja vaihteleva ympäristö: se on pääosin tyhjiötä, mutta sisältää energiaa, säteilyä ja hiukkasia, jotka tekevät siitä haasteellisen ja mahdollisuuksia tarjoavan toimintakentän ihmiskunnalle ja tieteelle.

Hae kirjaimella