Space-plasma physics

Space physics, also known as solar-terrestrial physics or space-plasma physics, is the study of plasmas as they occur naturally in the Earth's upper atmosphere (aeronomy) and within the Solar System. As such, it encompasses a far-ranging number of topics, such as heliophysics which includes the solar physics of the Sun, the solar wind, planetary magnetospheres and ionospheres, auroras, cosmic rays, and synchrotron radiation. Space physics is a fundamental part of the study of space weather and has important implications in not only to understanding the universe, but also for practical everyday life, including the operations of communications and weather satellites. Space physics is distinct from astrophysical plasma and the field of astrophysics, which studies similar plasma phenomena beyond the Solar System. Space physics utilizes in situ measurements from high altitude rockets and spacecraft, in contrast to astrophysical plasma that relies deduction of theory and astronomical observation. Space physics can be traced to the Chinese who discovered the principle of the compass, but did not understand how it worked. During the 16th century, in De Magnete, William Gilbert gave the first description of the Earth's magnetic field, showing that the Earth itself is a great magnet, which explained why a compass needle points north. Deviations of the compass needle magnetic declination were recorded on navigation charts, and a detailed study of the declination near London by watchmaker George Graham resulted in the discovery of irregular magnetic fluctuations that we now call magnetic storms, so named by Alexander Von Humboldt. Gauss and William Weber made very careful measurements of Earth's magnetic field which showed systematic variations and random fluctuations. This suggested that the Earth was not an isolated body, but was influenced by external forces – especially from the Sun and the appearance of sunspots. A relationship between individual aurora and accompanying geomagnetic disturbances was noticed by Anders Celsius and Olof Peter Hiorter in 1747.

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In plasma physics, magnetic helicity is a measure of the linkage, twist, and writhe of a magnetic field. In ideal magnetohydrodynamics, magnetic helicity is conserved. When a magnetic field contains magnetic helicity, it tends to form large-scale structures from small-scale ones. This process can be referred to as an inverse transfer in Fourier space. This second property makes magnetic helicity special: three-dimensional turbulent flows tend to "destroy" structure, in the sense that large-scale vortices break up into smaller and smaller ones (a process called "direct energy cascade", described by Lewis Fry Richardson and Andrey Nikolaevich Kolmogorov).

Sprites or red sprites are large-scale electric discharges that occur in the mesosphere, high above thunderstorm clouds, or cumulonimbus, giving rise to a varied range of visual shapes flickering in the night sky. They are usually triggered by the discharges of positive lightning between an underlying thundercloud and the ground. Sprites appear as luminous red-orange flashes. They often occur in clusters above the troposphere at an altitude range of .

vignette|upright=1.5|Représentation schématique de l'héliosphère, depuis le système solaire jusqu'à l'espace interstellaire (vue d'artiste). vignette|upright=1.5|Schéma simplifié de l'héliosphère, montrant la position approximative des sondes et 2 en 2005 (NB : l'hypothèse de l'onde de choc au-delà de l'héliopause est aujourd'hui abandonnée). L'héliosphère est l'astrosphère du Soleil, une zone en forme de bulle allongée dans l'espace, engendrée par les vents solaires.

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vignette|Composants principaux du Système solaire (échelle non respectée). vignette|Graphique représentant la vitesse de libération en fonction de la température de surface de certains objets du Système solaire et montrant quels gaz sont retenus dans leur atmosphère. Les objets sont dessinés à l’échelle et leurs points de données sont représentés par les points noirs au milieu. En astronomie, une atmosphère planétaire est l'enveloppe externe gazeuse d'un corps planétaire (planète, planète naine, satellite), constituée principalement de gaz neutres ou ionisés (à l'état plasma).

Un véhicule spatial (rarement utilisé astronef ou spationef) est un véhicule conçu pour fonctionner dans l'espace. Les particularités de ce milieu déterminent la conception des véhicules spatiaux : la nécessité de sortir du puits gravitationnel terrestre qui limite la masse emportée, l'absence d'atmosphère, la nécessité d'une autonomie complète dans tous les domaines (énergie, propulsion, atmosphère et ravitaillement pour les engins emportant des équipages), les contraintes thermiques, les importantes distances à parcourir éventuellement, le bombardement par des particules énergétiques.

vignette|Le Soleil, l’étoile la plus proche de la Terre, vu lors d'une éruption en ultraviolets avec de fausses couleurs. Une étoile est un corps céleste plasmatique qui rayonne sa propre lumière par réactions de fusion nucléaire, ou des corps qui ont été dans cet état à un stade de leur cycle de vie, comme les naines blanches ou les étoiles à neutrons. Cela signifie qu'ils doivent posséder une masse minimale pour que les conditions de température et de pression au sein de la région centrale permettent l'amorce et le maintien de ces réactions nucléaires, seuil en deçà duquel on parle d'objets substellaires.