第 1 章 - 基础科学：天文学、行星科学、化学、生命科学（第 3 页）
天文学 是对宇宙作为一个整体以及其中物体的研究。虽然地球是宇宙的一部分，但其他科学分支对地球进行了更详细的研究。天文学主要研究地球在太阳系中的位置，以及我们大气层以外的宇宙。这对于空间系统来说非常重要，因为空间系统是在大气层以外运行的。
这只是一个非常简短的介绍。有关更多背景信息，请参见
天文学中出现的一个关键思想是宇宙的均匀性。据我们所知，现在和过去起作用的自然规律和过程在过去一直起作用，在宇宙中任何地方都是一样的，并且我们预计它们在未来将继续如此。了解了这些一般原理后，我们就可以根据需要将其应用于具体的例子。
宇宙是存在的总和。宇宙作为一个整体的起源和历史对许多人来说很重要，但只有某些特征与空间系统的研究相关。这包括重子物质（我们和地球都是由这种普通物质构成的）开始时约为 76% 的氢、24% 的氦，几乎没有其他物质。重力导致几乎毫无特征的早期宇宙发展出密度更高的区域，以及中间的空旷区域。密度更高的部分合并成许多星系。银河系是太阳和行星所在的星系。
在星系中，气体云在重力作用下凝结形成恒星，它们由核反应提供能量。这些反应将较轻的元素转化为较重的元素，使氦的质量比例增加到约 27%，而较重的元素的比例增加到约 2%。恒星核反应释放出大量能量，但这种来源是有限的。因此，太阳和其他恒星最终会耗尽燃料，宇宙的成分将达到稳定状态。
一些证据表明，宇宙的当前年龄约为 138 亿年，恒星时代将持续约 100 万亿年。如果宇宙的膨胀继续加速，那么在附近的大多数恒星死亡之前，宇宙的大部分将变得无法探测。无论宇宙的最终命运如何，相对于现代人类的存在时间，宇宙将以其目前的形态持续很长时间。
银河系中最古老的恒星约有 130 亿年的历史，几乎和宇宙一样古老。正常的（重子）物质嵌入大约 5 倍于它的另一种物质中，这种物质只通过其重力才能显现出来。这种物质似乎不产生或与光相互作用，因此被称为暗物质。目前对它知之甚少。对于空间系统来说，主要关注的是它如何影响恒星、行星和分子云等物体的运动。
银河系的成分和内部运动表明，它是由气体云和较小的星系在重力作用下落入形成的，这种情况一直持续到今天。它的形状似乎是从光晕和中心隆起开始演化的，然后是周围盘状区域的生长。银河系的总质量估计为太阳质量的 1.15 万亿倍，包含大约 100-400 亿颗恒星。这个数字是不确定的，因为气体云阻挡了完整的视野，而且只观测到了大约 1% 的恒星。
太阳位于圆盘区域，距离银河系中心约 27,000 光年，靠近圆盘的中心平面。它以约 220 公里/秒的速度绕中心运行，大约需要 2.4 亿年才能完成一个轨道。我们不知道太阳轨道的确切形状，但怀疑它是椭圆形的。
太阳附近的恒星的随机运动约为 50 公里/秒。在太阳的生命周期中，这个速度总计 45 万光年（ly）——远大于太阳的银河轨道长度 17 万光年。这表明目前附近的恒星并不是太阳诞生时的那些恒星。事实上，在 100 光年内的恒星将在 100 万年内被一组几乎完全不同的恒星取代。
天文学家在银河系中密度更高的被称为分子云的区域看到了新的恒星正在形成。太阳和太阳系的其余部分被认为是在这样的云中形成的。云的寿命估计为 1000-5000 万年，所以那个云已经消失很久了。根据放射性测年法，太阳和太阳系的年龄估计为 46 亿年，大约是宇宙估计年龄的三分之一。太阳中 1.5% 的重元素表明它是由之前被更老一代恒星富集的循环物质形成的。非常古老的恒星缺乏这些比氦重的元素。
重力和内部运动导致原始分子云的一部分形成一个被称为太阳星云的独特天体。星云的核心继续收缩，自重力造成的压力增加使该核心升温，从而形成了原太阳。当原太阳的核心温度达到 1200 万开尔文时，氢聚变开始，真正的太阳诞生了。这种坍缩持续到点火大约需要 5000 万年。
太阳核心中的核反应已经将氢转化为氦，使其在核心中的浓度增加到约 60%。由于氦比氢重，所以核心变得更加致密和更热。这增加了剩余氢的反应速率，以及太阳的总能量输出，大约增加了 40%。目前的输出功率为 3.846 x 1026 瓦。这将继续以每 1 亿年约 1% 的速度增加。在大约 50 亿年后，太阳核心中的氢将耗尽，它将膨胀成一颗红巨星，蒸发水星、金星，甚至可能蒸发地球。
行星科学 是研究宇宙中比恒星小的天体，如行星、卫星、小行星和彗星。在 1980 年代之前，这局限于太阳系。自发现许多围绕其他恒星的星周盘 和系外行星以来，该研究领域已经扩展到更广阔的范围。自 1998 年以来，还发现了一些流浪行星 和两个较小的星际天体，它们不与任何恒星相连。
与太阳系之外相比，我们对太阳系的了解更为详细。地球到太阳系的距离要小得多，并且已经向许多感兴趣的天体发射了宇宙飞船。像陨石 这样的坠落物体是我们可以检查的来自太阳系的自然样本。一些宇宙飞船带回了“新鲜”样本，提供了更多信息。这些样本没有被穿过大气层或暴露在天气中而发生改变，直到被发现。
自 46 亿年前形成以来，太阳系一直在演化，如果任其自然发展，它将在未来数十亿年继续演化。
角动量 是一个物体旋转的量。除非它与其他物体相互作用，否则这个量保持不变。一旦太阳星云从它形成的云中分离出来成为一个独立的天体，它就很少与外部发生相互作用。它开始的任何内部运动都组织成一个单一的旋转。在中心形成的原恒星最终获得了大部分质量，但旋转使少量物质无法落入。然而，它可以沿着旋转轴垂直下降。残余的质量变成了一个直径约 200 个天文单位的原行星盘，其中 1 个天文单位是地球到太阳的距离。
原恒星的收缩提高了它的温度，但距离和光学厚度导致盘的温度随着距离中心的距离而下降。扁平的形状使热量能够从盘的两侧散逸，因此它能够冷却。然后，不同的物质根据距离凝结和冻结。这只是靠近中心的金属和岩石，以及更远处的冰，如水、甲烷和氨。没有任何地方足够冷以使氢和氦直接凝结，所以它们仍然以气体的形式存在。固体颗粒最初可以通过彼此粘合，然后通过重力而聚集在一起。以这种方式形成的物体混合物被称为星子。通过观察年轻恒星周围的盘，我们有相当充分的证据来证明这一点。
重力是一个失控的过程。当一个物体变大时，它可以吸引更远距离的物质，从而增加它的增长速度。较大的物体具有势能阱，因此较小的物体将加速撞击。撞击能量最终变得足够大，可以熔化该物体。此外，早期太阳系中的放射性元素比现在更多，这些元素的衰变增加了碰撞加热。
较大的物体能够影响较小物体的轨道，即使没有直接将它们拉进来。这会导致较小的物体撞击某个物体或被散射出去。这往往会清除每个大型物体周围的轨道区域。最大的物体具有足够深的重力阱，可以收集并保持氢和氦，形成气态巨行星。
海王星以外的距离非常大。因此，一些在该区域形成或被散射到该区域的物体在相对没有改变的情况下幸存下来。不能在内部高温区域凝结的小分子倾向于被太阳风和拖曳推开。它们可以在木星轨道附近凝结，这可能是木星和土星的质量比其他行星大的原因。剩下的内部物质主要是金属和岩石，形成了四颗内行星。
行星的早期形成大约需要 10 万年。最初有许多更小的原行星。撞击和散射已经减少了数量，包括一些完全被弹出太阳系。在木星轨道内部，引力效应尤其强烈，留下相对少量的物质，被称为小行星带。轨道变化一直持续到今天，但碰撞频率较低，因为较小天体的供应量减少了。整个太阳系中发现的许多陨石坑记录了以往的碰撞。被送得更远但没有完全消失的物体现在构成了各种类型的远日小行星
许多行星和小行星都有更小的天然卫星 或“卫星”围绕它们运行。在某些情况下，它们与较大的天体相比并不那么小，被认为是双行星或小行星。物体最终围绕较大的物体运行有三种方式
- 巨行星像太阳一样形成了自己的盘，但规模更小。卫星从这些盘中凝结出来。
- 大型撞击产生的碎片可以通过重力聚集成为一颗或多颗卫星。人们认为地球的月球就是以这种方式形成的。
- 最后，一个原本独立的天体可能被捕获到一个更大的天体周围的轨道上。这很难，因为一个物体通常会以与它接近时相同的速度离开。捕获通常涉及第三个物体来改变速度。
一旦行星、较大的卫星和较大的小行星形成，它们就会从原始状态演变为我们今天所看到的样子。如果它们足够大，它们的内部重力就会克服它们由任何物质组成的强度。它们会成为球体或椭球体，这取决于它们的旋转速度。如果来自碰撞、潮汐力或放射性衰变的热量足够多，它们就会融化并根据密度和化学亲和性分离成不同的层。这被称为分异。低熔点材料和挥发物 可以保持液体状态或形成大气层。随着时间的推移，一些或所有大气层都可能因逃逸或剥夺而损失。
铁和相容的金属是最重的常见物质，所以它们最终落在了中心的核心中。向外走，各层包括不同密度的岩石矿物（地幔和地壳），然后是液体和冰层，最后是大气层。并非所有天体都具有所有这些层，这取决于形成时的可用物质及其后来的历史。
一般成分随距离太阳的距离而变化。在内部区域，重金属和高温矿物相对较多，在外部区域，轻质冰和挥发物相对较多。这些趋势不是严格的规则。随机碰撞和引力改变的轨道影响了物体的组成和位置。较小的天体往往会失去原始大气，如果温度足够高，它们的冰也会散失到太空中。
大约 1 亿年的原始形成时期之后，较大的行星继续以混乱的方式相互作用，直到大约 38 亿年前，也就是太阳星云形成后 8 亿年，它们稳定下来。像地球这样的天体具有侵蚀和火山活动等活跃过程，这些过程往往会抹去陨石坑。较小的天体缺乏大气或地壳运动，因此在整个太阳系的生命周期中保留了它们。由此产生的当前物质分布和太阳的巨大能量输出现在是空间项目可利用的主要资源。
地球科学 是研究地球及其组成部分的学科。由于地球具有复杂的结构和历史，因此这个广泛的领域被细分为更具体的地球科学。月球影响着地球——例如，通过产生潮汐。这类影响通常被认为是地球科学的一部分，而对月球作为独立天体的研究则被认为是行星科学的一部分。
对地球的研究早于对其他行星的详细研究，并且它仍然是研究得最透彻的行星。在现代天文学和行星科学的背景下，地球现在被看作是众多行星中的一颗。在人类历史的背景下，它仍然占有特殊的地位，因为我们是在这里进化的，直到现在还没有人离开过地球-月球系统。
到目前为止，几乎所有空间项目的設計、材料、设备和操作都在地球上进行或来自地球。例如，只有火箭发射台上的火箭的百分之几最终进入轨道。这将在至少不久的将来继续下去。因此，为了进行空间项目，至少在建设工厂和发射场离开地球时，仍然需要对地球有一定的了解。可以在许多维基百科文章 和诸如
地球的形成方式与太阳系中其他大型天体相同，主要通过碰撞形成。人们认为，在形成后期的一次非常大的碰撞中产生的碎片形成了月球，解释了它们成分的相似性。撞击和放射性衰变释放了足够的能量来融化整个星球。早期的高温可能导致了一些更易挥发的冰和气体的流失。自那以后，持续的放射性衰变，加上潮汐加热，使地球内部保持高温。
地球的内部结构包括一个由压力固化的金属内核，尽管它的温度（5700K）与太阳表面（5778K）大致相同。在其外面是一个液态金属外核，然后是一层岩石层，称为地幔。地幔占地球体积的84%，占其质量的67%。它的温度从核心边界处的4200K 到地表附近的500K 不等。尽管温度很高，但内部压力使它的大部分保持固态。然而，岩石能够在一种称为热循环的类型中缓慢流动，这种流动需要大约1亿年的时间。
密度最小、最冷的岩石形成了一个称为岩石圈的刚性上层，它约占地球质量的3%。它的厚度从某些洋脊处的 4 公里到大陆最古老部分下的 280 公里不等。厚度取决于岩石变形而非断裂的温度达到足够高的深度。深度或温度梯度的变化相对于地球其余部分来说更大。按成分划分，岩石圈的下部是地幔的一部分，而上部是密度较低的岩石，称为地壳。两者主要由金属氧化物矿物组成，例如硅酸盐，它包含硅和氧，但也经常包含其他元素。
岩石圈、海洋和大气的地球部分是唯一可以被使用，即使使用先进技术，也可以被使用的部分。需要除八种最常见元素（或其化合物）以外的元素的项目通常需要开采岩石圈，然后分离较稀有的元素。海洋和大气也是特定元素和化合物的来源。岩石圈的元素组成因深度和位置而异，但平均而言是
- 氧：46.60%
- 硅：27.72%
- 铝：8.13%
- 铁：5.00%
- 钙：3.63%
- 钠：2.83%
- 钾：2.59%
- 镁：2.09%
- 其他元素：1.41%
地幔的内部运动和向外传播的热量会导致局部温度高于当地压力决定的熔点。熔化的岩石被称为岩浆。它的成分可能会有所不同，因为不同的矿物具有不同的压力/温度熔化曲线。岩浆的运动和地幔的整体循环缓慢地导致地壳碎片（称为板块）在地球固体表面上移动、生长、碰撞、分裂和潜入地幔。
大约有 7 个主要板块和许多较小的板块。它们的运动、熔化、结晶、风化和其他地质过程解释了我们今天发现的地形和地质。这些动态过程共同侵蚀了地球早期历史的大部分。当前的固体表面平均占整个星球年龄的 10% 或更少。
水密度低于岩石，因此它位于地壳之上。海洋和较小的水体充满了较低区域。海洋是大多数河流的最终目的地，并与其下面的地面接触。因此，海水中积累了约 3.5% 的溶解物质。这主要是普通盐（NaCl），以及少量的其他元素。除了河流和湖泊等开阔水体外，地球约 2.8% 的水以冰川、地下和土壤中的形式冻结，以及大气中的水蒸气或生物体中。除了生物体外，非海洋水积累污染物的时间更短，通常更纯净。
地球最上层是大气，其最低点密度是其下方水或陆地的 800-2000 倍。它含有过于挥发而无法保持固态或液态的物质。干燥的空气中含有 78% 的氮气、21% 的氧气、1% 的氩气以及少量的其他气体。它还含有 0.01-4.24% 的水蒸气，这些水蒸气来自其下方的水和地面。这些有时会凝结或冻结，然后落下。重力和自身的重量会导致压力和密度随高度而变化。当静止时，在每个点，压力等于其上方所有气体的重量。太阳的热量和地球的自转导致空气运动，因此压力在一个给定位置会有所不同。
对于空间系统，大气主要是进入太空的障碍，在返回时是加热和阻力的来源。大气没有“顶部”，密度会随着高度不断下降，直到达到行星际空间的水平。即使在许多卫星运行的 1000 公里高度，它也会产生可衡量的影响。
10.3 - 月球
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在地球早期历史中，一个名为忒伊亚的火星大小的天体被认为撞击了原始地球。它的大部分都留在了新形成的地球上，但来自这次撞击的一些碎片通过重力聚集形成了月球。它形成时比现在更靠近地球，但潮汐的作用减缓了地球的自转并增加了月球的距离，这是一个持续的过程。
月球比地球小，内部热量流失得更快，在一亿年的时间里变成了大部分固体。它也根据密度分层，中心是一个主要由铁组成的核心，温度约为 1600-1700K。核心周围是岩石地幔层和地壳层，地壳平均厚度为 50 公里。它太小，无法保留大气层，因为它逃逸速度太低。由于这些原因，月球以大型撞击盆地和各种大小的陨石坑的形式保留了其早期历史的证据。
月球表面的地质与地球相似，主要由硅酸盐矿物组成。它已被各种大小的撞击严重改造，产生了一层细粒碎裂的表面层，称为风化层，以及从微观到巨大撞击盆地的陨石坑。
一些更大的盆地被岩浆填满，形成了相对平坦且较暗的区域，这些区域被错误地命名为月海（拉丁语意为“海”）。在望远镜出现之前，人们认为它们有水。月球距离地球较近时产生的更大潮汐减缓了月球的自转，因此现在同一侧总是面向地球，并带有一点摆动。目前尚不清楚为什么大多数月海都在近侧。
11.0 - 化学
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化学科学历史上被认为是与物理学不同的学科。在更一般的意义上，它可以被认为是低能物理学的一个子集，其中原子通过原子键合的排列很重要。我们人类碰巧需要原子键合很重要的生活条件，因此我们更关注这种能量状态。实际上，宇宙中约 99% 的物质处于等离子体状态，其中电子不再束缚于原子，原子间键合很少见。
到目前为止，空间项目中最重要的化学反应是产生高温气体以推动火箭的反应。未来，生命支持系统中的化学反应以及太空原材料的提取和制备将变得更加重要。对空间系统设计来说，至少需要对化学原理有一定的了解。有关化学的更多背景信息，请参阅
12.0 - 生命科学
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生命科学一般是指对生物的研究。生命是一个复杂的现象，因此**生命科学**被划分为多个分支，它们为了获取知识而研究生物，而另一些分支则将这些知识应用于农业和健康等有益目的。生命科学对于包括生物体，尤其是人类在内的太空项目至关重要。它还包括寻找地球以外的生命，以及从探测器和设备中消除生命，以避免双向污染。
关于生命科学的背景信息可以从以下地方获取：