El Entorno Espacial The Space Environment

La web actual modifica la página personal del Profesor Dr. Luis Conde, mantenemos su estructura y las aportaciones que él realizó para esta asignatura, dejándola en abierto, como siempre fue su deseo.

The current website modifies the personal page of Professor Dr. Luis Conde. We maintain its structure and the contributions he made to this subject, leaving it open, as was always his wish.

En esta página se encuentran las presentaciones, notas del curso y material adicional que complementan las clases presenciales de la asignatura El entorno espacial impartidas por los profesores de la misma durante el primer semestre del año académico 2025-2026 en el segundo curso del Máster Universitario de Ingeniería Aeronáutica. La guía oficial de la asignatura se desarrolla en la primera presentación del curso, ambos pueden descargarse en el menú superior.

On this page, you will find the presentations, course notes, and additional material that supplement the in-person classes of the subject The Space Environment, taught by the professors during the first semester of the 2025-2026 academic year in the second year of the Master's Degree in Aeronautical Engineering. The official course guide is detailed in the first course presentation, both of which can be downloaded from the menu above.

En esta materia estudiaremos las características principales del medio físico donde se mueven los satélites en órbita terrestre. No existe una frontera universalmente aceptada entre el límite de la atmósfera y lo que entendemos como espacio exterior, habitualmente se emplea la denominada línea de Von Kármán que es un criterio aerodinámico aceptado por la Federación Astronáutica Internacional. Se encuentra típicamente entre los 80 y 120 km y corresponde a la altitud en la que la densidad de la atmósfera terrestre es tan baja que la velocidad de una aeronave para conseguir sustentación es equiparable a su velocidad orbital.

In this subject, we will study the main characteristics of the physical medium where satellites move in Earth orbit. There is no universally accepted boundary between the atmosphere's limit and what we understand as outer space. The Von Kármán line is commonly used, which is an aerodynamic criterion accepted by the International Astronautical Federation. It is typically located between 80 and 120 km and corresponds to the altitude at which the Earth's atmospheric density is so low that an aircraft's speed to achieve lift is comparable to its orbital velocity.

Las curvas en color negro corresponden a los gases presentes (típicamente oxígeno y nitrógeno) que para alturas entre 150 y 300 km alcanzan concentraciones entre $10^6$ y $10^8$ partículas por centímetro cúbico.

The curves in black correspond to the gases present (typically oxygen and nitrogen), which at altitudes between 150 and 300 km reach concentrations between $10^6$ and $10^8$ particles per cubic centimeter.

Los gases presentes absorben la parte más energética del espectro solar (principalmente la radiación ultravioleta) resultando un par ion-electrón. Las curvas de color en la figura representan las concentraciones de las diferentes partículas eléctricamente cargadas que resultan de la ionización parcial del gas, que tienen una compleja composición físico-química en función de la altura. El flujo de partículas de alta energía que proviene del sol también contribuye a esta concentración de cargas en función de la altitud que se muestra en la figura.

The gases present absorb the most energetic part of the solar spectrum (mainly ultraviolet radiation), resulting in an ion-electron pair. The colored curves in the figure represent the concentrations of the different electrically charged particles resulting from the partial ionization of the gas, which have a complex physicochemical composition depending on the altitude. The flux of high-energy particles from the sun also contributes to this concentration of charges as a function of altitude shown in the figure.

En el equilibrio estacionario el medio resultante ha de ser eléctricamente neutro, la suma de las cargas positivas y electrones (curva roja) ha de ser nula. Entre 100 và 300 km de altura la figura muestra concentraciones de electrones entre $5 \times 10^4$ y $5 \times 10^5$ por centímetro cúbico, que ha de igualar la suma de de los iones presentes. En las condiciones de la figura el grado de ionización, es decir la razón entre partículas cargadas y átomos neutros de los gases sería del 1%. Es decir, aproximadamente uno de cada cien átomos o moléculas presentes en estas altitudes tiene carga eléctrica.

In stationary equilibrium, the resulting medium must be electrically neutral; the sum of positive charges and electrons (red curve) must be zero. Between 100 and 300 km in altitude, the figure shows electron concentrations between $5 \times 10^4$ and $5 \times 10^5$ per cubic centimeter, which must equal the sum of the ions present. Under the conditions in the figure, the degree of ionization, i.e., the ratio of charged particles to neutral gas atoms, would be 1%. That is, approximately one in every one hundred atoms or molecules present at these altitudes has an electric charge.

Los vehículos espaciales en órbitas baja (180-2000 km) y media (2000-36000 km) se mueven inmersos en este medio físico que denominamos plasma, que está constituído por iones, electrones y átomos de gas neutro. Estudiaremos la composición y características del entorno espacial dentro del sistema solar, dominado por plasmas en los que la influencia de la actividad solar es determinante. Como la presencia de iones hace que este medio sea químicamente activo, examinaremos también algunas de las consecuencias de la inevitable interacción de este peculiar entorno con los vehículos espaciales, que depende de la naturaleza de la misión y/o el tipo y altura de su órbita.

Spacecraft in low (180-2000 km) and medium (2000-36000 km) orbits move immersed in this physical medium, which we call plasma, consisting of ions, electrons, and neutral gas atoms. We will study the composition and characteristics of the space environment within the solar system, dominated by plasmas where the influence of solar activity is decisive. Since the presence of ions makes this medium chemically active, we will also examine some of the consequences of the inevitable interaction of this unique environment with spacecraft, which depends on the nature of the mission and/or the type and altitude of its orbit.

Además de gases rareficados y átomos/moléculas con carga eléctrica, existen elementos adicionales que configuran el entorno de un satélite, como son la radiación (corpuscular y electromagnética) que proviene del sol, partículas sólidas de pequeño tamaño y deshechos espaciales que orbitan la tierra. Como veremos, el entorno espacial con el que interacciona un vehículo en órbita terrestre es un medio complejo y reactivo desde el punto de vista físico-químico.

In addition to rarefied gases and electrically charged atoms/molecules, there are other elements that make up a satellite's environment, such as radiation (corpuscular and electromagnetic) from the sun, small solid particles, and space debris orbiting the Earth. As we will see, the space environment with which a vehicle in Earth orbit interacts is a complex and reactive medium from a physicochemical point of view.