L'espace est-il vraiment froid ?
― Le vide est l'endroit le moins doué pour voler la chaleur
Dans les films, une personne éjectée dans l'espace gèle en un instant. Mais en réalité, l'espace est un endroit où le « pouvoir de refroidir » est très faible. Car il n'y a pas d'air pour transporter la chaleur. La vraie difficulté des combinaisons spatiales et des stations spatiales, c'est plutôt de savoir comment se débarrasser de la chaleur.
Le thé chaud versé le matin reste encore tiède le soir dans une bouteille isotherme. Dans une tasse ordinaire, il refroidirait en une trentaine de minutes.
La paroi d'une bouteille isotherme est double, et l'espace entre les deux parois est vide d'air : c'est un « vide ». Autrement dit, le vide est utilisé comme isolant pour empêcher la chaleur de s'échapper.
Alors, l'espace, où le vide s'étend à perte de vue, est-il vraiment un « endroit glacial » ?
« L'espace est froid » : à moitié faux, pour 2 raisons
Sur Terre, le corps se refroidit parce que l'air ou l'eau ambiants emportent la chaleur. Dans le vide, ce transporteur n'existe pas. Il ne reste que la lumière invisible émise par le corps (l'infrarouge), et c'est lent.
Dans l'espace, il n'y a ni air ni nuages pour atténuer les rayons du soleil. Un objet placé au soleil accumule la chaleur sans cesse, et peut dépasser les 100°C.
L'expression « température de l'espace » comporte aussi un piège. La température est une grandeur qui indique à quel point les particules d'un objet s'agitent. Là où il n'y a presque pas de matière, il n'y a personne pour transmettre cette sensation de température.
Sur 3 voies pour refroidir le corps, 2 sont fermées dans l'espace
Il existe trois voies par lesquelles la chaleur se déplace : celle qui passe directement vers un objet en contact, celle où l'air ou l'eau ambiants se déplacent et l'emportent, et celle où elle s'échappe sous forme d'infrarouge. Le vent d'hiver paraît froid parce que la deuxième voie arrache la chaleur en continu. Entrer dans l'eau froide l'arrache encore plus vite.
Regardez la partie gauche de la figure 1. Sur Terre, les trois voies sont ouvertes. À droite, dans l'espace, il n'y a ni objet en contact ni air en mouvement : il ne reste que la voie de l'infrarouge. La chaleur qui sort du corps humain par infrarouge représente quelques fois la chaleur que le corps produit au repos. On se refroidit, mais pas assez vite pour « geler instantanément ». Un calcul dans le volet dépliable donne un ordre de grandeur : près de 10 minutes pour perdre 1°C.
Le vrai souci des combinaisons spatiales : la chaleur qui s'accumule
Quand un astronaute travaille à l'extérieur, son corps produit sans cesse de la chaleur par l'effort. Sur Terre, la sueur s'évapore et le vent emporte la chaleur. Mais à l'extérieur d'une combinaison spatiale, c'est le vide : la chaleur ne fait que s'accumuler à l'intérieur.
C'est pourquoi, sous la combinaison utilisée pour les sorties extravéhiculaires, on porte un sous-vêtement où sont cousus de fins tuyaux. On y fait circuler de l'eau froide pour récupérer la chaleur du corps. Cette chaleur récupérée serait évacuée en faisant évaporer peu à peu de l'eau vers l'espace, via un dispositif porté sur le dos. La station spatiale, elle aussi, est équipée, en plus des panneaux solaires, de grands radiateurs blancs qui évacuent la chaleur par infrarouge.
À l'inverse, à l'ombre, les machines risquent de trop refroidir et de s'arrêter. C'est pourquoi les satellites sont enveloppés de films isolants dorés ou argentés. Passer de « trop chaud » à « trop froid » selon qu'on est exposé au soleil ou non, voilà ce qu'est l'espace.
Exposé au vide sans combinaison, le premier problème ne serait pas le froid, mais l'impossibilité de respirer et l'absence de pression ambiante. La conscience serait perdue en une dizaine de secondes environ. « Geler instantanément » comme dans les films est une mise en scène peu plausible, même du point de vue de la façon dont la chaleur s'échappe.
En haute montagne, le soleil tape fort, mais dès qu'on passe à l'ombre, il fait soudain froid. Cela vous rappelle quelque chose ? Plus l'air est raréfié, plus le rayonnement solaire arrive fort, et moins l'air peut lisser les écarts de chaleur. L'espace en est le cas extrême.
En résumé
On dit que l'espace est « froid » parce que la température d'un endroit presque vide de matière est très basse. Mais le pouvoir de refroidir un objet ne devient fort qu'avec de l'air ou de l'eau pour transporter la chaleur. Le vide, comme la paroi d'une bouteille isotherme, n'est pas doué pour voler la chaleur. C'est pourquoi, dans l'espace, on brûle sous le soleil, et les combinaisons spatiales existent surtout grâce à des astuces pour évacuer la chaleur.
Le froid, ce n'est pas une basse température, c'est « la vitesse à laquelle la chaleur est arrachée ».
Le vide est le meilleur isolant du monde.
Le mécanisme par lequel le vide enferme la chaleur est détaillé dans Pourquoi une bouteille isotherme reste-t-elle chaude pendant des heures ?, et la raison pour laquelle le corps flotte dans une station spatiale dans Si on flotte dans une station spatiale, est-ce vraiment parce qu'il n'y a pas de gravité ?. Sur le fait que la sensation de froid varie à température égale, voyez aussi Pourquoi le métal semble-t-il plus froid que le bois ?
- Versez de l'eau chaude à la même température dans une bouteille isotherme fermée et dans une tasse ordinaire (attention aux brûlures).
- 30 minutes plus tard, touchez ou mesurez la température de chacune. La bouteille isotherme devrait être restée plus chaude.
- Ensuite, comparez une main mouillée d'eau tiède laissée immobile et une main éventée avec un éventail. La main éventée paraît plus froide.
En combinant les deux résultats, on comprend que « la vitesse de refroidissement dépend du mouvement de l'air qui transporte la chaleur ». Ce transporteur, c'est justement ce que suppriment le vide de la bouteille isotherme et l'espace.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu collège aux disciplines universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau des sciences au collège
- Lycéeniveau de la « physique » au lycée
- Lycée+approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- Universiténon enseigné au lycée : discipline universitaire spécialisée (thermique, ingénierie spatiale)
- Recherchepas encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Conduction : la chaleur passe directement entre objets en contact.
- Convection : l'air ou l'eau réchauffés se déplacent et transportent la chaleur.
- Rayonnement (rayonnement thermique) : un objet émet de la lumière, notamment infrarouge, selon sa température, et cette lumière transporte la chaleur. C'est la seule voie qui fonctionne aussi dans le vide.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de minutes pour perdre 1°C, à l'ombre, dans le vide ?
Supposons que, dans le vide, à l'ombre, la chaleur ne s'échappe de la surface du corps que par infrarouge. On prend environ 1 mètre carré comme surface du corps exposée à l'espace, pour une estimation grossière (on ignore la combinaison spatiale et le problème de la respiration).
| Température de la peau | environ 33°C (soit environ 306 K en température absolue) |
| Chaleur émise en infrarouge par 1 m² de surface à cette température | environ 500 J par seconde (environ 500 W), selon les estimations |
| Chaleur produite par le corps au repos | environ 100 W, selon les estimations |
| Masse corporelle | 60 kg (hypothèse) |
| Chaleur nécessaire pour réchauffer 1 kg de corps de 1°C (chaleur spécifique) | environ 3,5 kJ, selon les estimations |
| Chaleur perdue nette (par seconde) | 500 − 100 = 400 W |
| Chaleur nécessaire pour refroidir tout le corps de 1°C | 60 × 3,5 = 210 kJ |
| Conversion en joules | 210 × 1000 = 210000 J |
| Temps requis (en secondes) | 210000 ÷ 400 ≒ 525 secondes |
| Conversion en minutes | 525 ÷ 60 ≒ 8,8 minutes |
Le calcul donne environ 9 minutes pour perdre 1°C de température corporelle. En réalité, les extrémités se refroidissent d'abord, donc ce n'est pas uniforme, mais on est très loin de « geler instantanément ».
| Symbole | Signification et unité |
| W | Watt. Quantité de chaleur transférée par seconde (1 W = 1 J par seconde) |
| J・kJ | Joule, kilojoule. Quantité de chaleur (1 kJ = 1000 J) |
| K | Kelvin. Unité de température absolue (0°C ≒ 273 K) |
LycéeLycée+Température et « vitesse de transfert de chaleur » sont deux choses différentes
LycéeLa température d'un gaz est déterminée par l'agitation de chaque molécule. Le gaz très raréfié de la haute atmosphère ou de l'espace peut, du point de vue de la vitesse des molécules, correspondre à plusieurs centaines voire plus de 1000°C. Mais comme le nombre de molécules est extrêmement faible, la quantité de chaleur transmise par collision avec un objet reste minime.
Lycée+La chaleur émise par rayonnement d'un objet est proportionnelle à la puissance quatre de sa température absolue (loi de Stefan-Boltzmann). La température d'un objet est déterminée par la différence entre ce rayonnement émis et le rayonnement reçu de l'environnement. Le rayonnement de fond cosmique correspond à environ 3 K, ce qui rend négligeable l'apport reçu. C'est pourquoi, à l'ombre, un objet continue de se refroidir lentement, mais sans s'arrêter.
UniversitéConception thermique des engins spatiaux
La température d'un satellite varie fortement selon le rapport entre son taux d'absorption de la lumière solaire et son taux d'émission infrarouge. Une peinture blanche absorbe peu la lumière solaire tout en émettant bien l'infrarouge, ce qui la rend adaptée aux surfaces radiatrices. À l'inverse, les isolants multicouches superposent plusieurs films fins pour atténuer progressivement les échanges par rayonnement. La chaleur interne est acheminée vers les surfaces radiatrices par des tuyaux où circule un liquide, ou par des tubes où un liquide s'évapore puis se condense en boucle pour transporter la chaleur.
RechercheCe qui reste mal connu
- Les effets d'une exposition brève d'un humain au vide. Les estimations reposent en grande partie sur des accidents ou des expériences animales limitées, et la durée limite exacte reste incertaine.
- La gestion thermique lors d'un séjour prolongé sur la Lune ou sur Mars. Comment isoler et évacuer la chaleur d'un habitat sur la surface lunaire, où l'écart de température jour-nuit est énorme, reste un sujet de conception toujours à l'étude.
- Des systèmes d'évacuation de chaleur plus légers et plus efficaces. On étudie par exemple des matériaux capables d'ajuster automatiquement leur capacité à émettre de l'infrarouge en fonction de la température.
En somme, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans les limites de ce qui est connu à ce jour ». Les valeurs concernant les effets sur le corps humain, en particulier, doivent être lues comme des ordres de grandeur.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière・unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « Transmission de la chaleur » | Les trois voies : conduction, convection, rayonnement |
| Lycée | Physique « Chaleur et température », « Mouvement des molécules de gaz » | Différence entre température et quantité de chaleur, calcul de chaleur spécifique |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) « Rayonnement thermique » | Le rayonnement proportionnel à la puissance quatre de la température absolue |
| Université | Ingénierie thermique・ingénierie spatiale | Conception thermique des engins spatiaux par radiateurs et isolants |
| Recherche | Médecine spatiale・science des matériaux | Effets d'une exposition au vide, développement de matériaux radiateurs |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Bouteille isotherme, soleil et ombre en montagne, sensation de froid due au vent |
- NASA « International Space Station »
- JAXA, Direction de la technologie spatiale habitée « Station spatiale internationale » (国際宇宙ステーション)
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (理科年表, Almanach scientifique), Maruzen Publishing (constante de Stefan-Boltzmann, chaleurs spécifiques et autres constantes physiques)
- D. G. Gilmore (éd.), Spacecraft Thermal Control Handbook, The Aerospace Press
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. Les affirmations concernant les effets sur le corps humain reposent en partie sur des estimations issues de témoignages limités.