Kármánova linie -Kármán line

Zemská atmosféra, jak se jeví z vesmíru, jako pásy různých barev na obzoru. Zespodu dosvit osvětluje troposféru oranžově se siluetami mraků a stratosféru bíle a modře. Dále se mezosféra (růžová oblast) rozprostírá až těsně pod Kármánovu linii na sto kilometrů a růžová čára vzdušného záření spodní termosféry (tmavá), která hostí zelené a červené polární záře v délce několika set kilometrů.

Kármánova linie (nebo von Kármánova linie / v ɒ n ˈ k ɑːr m ɑː n / ) je pokusem definovat hranici mezi zemskou atmosférou a vesmírem a nabízí specifickou definici stanovenou Mezinárodní leteckou federací (FAI), an mezinárodní orgán pro vedení záznamů v letectví . Definování okraje vesmíru je důležité pro právní a regulační účely, protože letadla a kosmické lodě podléhají různým jurisdikcím a podléhají různým smlouvám. Mezinárodní právo nedefinuje hranici vesmíru ani hranici národního vzdušného prostoru.

FAI definuje Kármánovu linii jako prostor začínající 100 kilometrů (54 námořních mil; 62 mil; 330 000 stop) nad průměrnou hladinou moře na Zemi . Toto číslo je výrazně nad výškou dosažitelnou konvenčním letadlem a je přibližně tam, kde se satelity, dokonce i na velmi excentrických trajektoriích, rozpadají před dokončením jediného oběhu.

Zatímco odborníci se neshodnou na tom, kde přesně končí atmosféra a začíná vesmír, většina regulačních agentur (včetně Organizace spojených národů) přijímá definici FAI Kármán linie nebo něco jí blízkého. Podle definice FAI byla Kármánova linie založena v 60. letech 20. století. Různé země a entity definují hranice prostoru odlišně pro různé účely.

Linka Kármán je pojmenována po Theodore von Kármánovi (1881–1963), maďarsko-americkém inženýrovi a fyzikovi , který byl aktivní v letectví a kosmonautice . V roce 1957 se jako první pokusil vypočítat teoretický limit výšky pro let letadla.

Definice

Tmavě modrý stínovaný diagram rozdělený vodorovnými čarami se jmény pěti atmosférických oblastí uspořádaných vlevo.  Odspodu nahoru je v troposféře zobrazen Mount Everest a ikona letadla, stratosféra zobrazuje meteorologický balón, mezosféra ukazuje meteory a termosféra zahrnuje polární záři a vesmírnou stanici.  Nahoře exosféra ukazuje pouze hvězdy.
Kármánova linie leží ve spodní termosféře (ne v měřítku).

FAI používá termín Kármánova linie k definování hranice mezi letectvím a kosmonautikou:

  • Aeronautika : Pro účely FAI letecká činnost, včetně všech leteckých sportů, do 100 km od zemského povrchu.
  • Kosmonautika : Pro účely FAI činnost více než 100 km nad zemským povrchem.

Výklady definice

Výrazy „ okraj vesmíru “ nebo „blízko vesmíru“ jsou často používány (například FAI v některých svých publikacích) k označení oblasti pod hranicí vesmíru, což je často míněno tak, že zahrnuje podstatně nižší oblasti. také. Některé lety balónem nebo letadlem by tedy mohly být popsány jako „dosáhnutí hranice vesmíru“. V takových prohlášeních „dosažení okraje vesmíru“ pouze odkazuje na to, že se dostanete výše, než by běžně dělala průměrná letecká vozidla.

Stále neexistuje žádná mezinárodní právní definice vymezení mezi vzdušným prostorem země a vesmírem. V roce 1963 Andrew G. Haley pojednal o Kármánově linii ve své knize Space Law and Government . V kapitole o mezích národní suverenity provedl přehled názorů významných spisovatelů. Naznačil vlastní nepřesnost Linky:

Čára představuje průměr nebo medián měření. Je srovnatelná s mírami používanými v zákoně, jako je střední hladina moře , meandrová linie, přílivová linie; ale je to složitější než tyto. Při příjezdu k von Kármánově jurisdikční linii je třeba vzít v úvahu nespočet faktorů – kromě faktoru aerodynamického vztlaku. Tyto faktory byly diskutovány ve velkém množství literatury a několika či více komentátory. Zahrnují fyzickou konstituci vzduchu ; biologická a fyziologická životaschopnost; a ještě další faktory, které se logicky spojují a vytvářejí bod, ve kterém vzduch již neexistuje a kde končí vzdušný prostor .

Kármánovy komentáře

V závěrečné kapitole své autobiografie Kármán řeší problém okraje vesmíru :

Kde začíná vesmír... lze ve skutečnosti určit podle rychlosti vesmírného dopravního prostředku a jeho výšky nad Zemí. Vezměme si například rekordní let kapitána Ivena Carla Kincheloe Jr. v raketovém letadle X-2 . Kincheloe letěl rychlostí 2 000 mil za hodinu (3 200 km/h) ve výšce 126 000 stop (38 500 m), neboli 24 mil nahoru. V této výšce a rychlosti aerodynamický vztlak stále nese 98 procent hmotnosti letadla a pouze dvě procenta nese setrvačnost neboli Keplerova síla , jak tomu říkají vesmírní vědci. Ale ve výšce 300 000 stop (91 440 m) nebo 57 mil výše je tento vztah obrácený, protože již neexistuje žádný vzduch, který by přispěl ke vztlaku: převládá pouze setrvačnost. To je jistě fyzická hranice, kde aerodynamika končí a kosmonautika začíná, a tak jsem si řekl, proč by to nemohla být také hranice jurisdikce? Andrew G. Haley to nazval Kármánova jurisdikční linie. Pod touto čarou patří prostor každé zemi. Nad touto úrovní by byl volný prostor.

Technická hlediska

Atmosféra v žádné dané výšce náhle nekončí, ale s výškou postupně klesá. Také v závislosti na tom, jak jsou definovány různé vrstvy, které tvoří prostor kolem Země ( a v závislosti na tom, zda jsou tyto vrstvy považovány za součást skutečné atmosféry), by se definice okraje vesmíru mohla značně lišit: Pokud bychom uvažovali termosférické a exosférické části atmosféry a ne prostoru, možná bude nutné rozšířit hranici vesmíru na alespoň 10 000 km (6 200 mil) nad hladinou moře . Kármánova linie je tedy do značné míry svévolná definice založená na některých technických úvahách.

Letadlo může zůstat ve vzduchu pouze tím, že neustále cestuje vpřed vzhledem ke vzduchu (spíše než k zemi), takže křídla mohou vytvářet aerodynamický vztlak. Čím řidší vzduch, tím rychleji musí letadlo letět, aby vytvořilo dostatečný vztlak, aby zůstalo nahoře. Množství poskytnutého vztlaku (které se musí rovnat hmotnosti vozidla, aby se udrželo vodorovný let) se vypočítá podle rovnice vztlaku:

takové, že

L je zdvihací síla ,
ρ je hustota vzduchu ,
v je rychlost letadla vzhledem ke vzduchu ,
S je plocha křídel letadla ,
CL je součinitel vztlaku .

Generovaný vztlak ( L ) je přímo úměrný hustotě vzduchu ( ρ ). Letadlo udržuje výšku, pokud se vztlaková síla rovná hmotnosti letadla tak, že

kde je hmotnost letadla, je zrychlení způsobené gravitací a je síla působící gravitací směrem dolů (hmotnost). Všechny ostatní faktory zůstávají nezměněny, skutečná vzdušná rychlost ( v ) se musí zvýšit, aby se kompenzovala nižší hustota vzduchu ve vyšších nadmořských výškách.

Při velmi vysokých rychlostech přispívá k udržení výšky odstředivá síla (Keplerova síla) daná vztahem , kde je vzdálenost ke středu Země. Toto je virtuální síla, která udržuje satelity na kruhové oběžné dráze bez jakéhokoli aerodynamického vztlaku. Letadlo může udržovat výšku ve vnějším dosahu atmosféry, pokud se součet aerodynamické vztlakové síly a odstředivé síly rovná hmotnosti letadla.

Jak se zvyšuje nadmořská výška a klesá hustota vzduchu, zvyšuje se rychlost pro vytvoření dostatečného aerodynamického vztlaku pro podporu hmotnosti letadla, dokud se rychlost nestane tak vysokou, že příspěvek odstředivé síly bude významný. V dostatečně vysoké výšce bude odstředivá síla dominovat nad vztlakovou silou a letadlo by se v podstatě stalo vesmírnou lodí na oběžné dráze namísto letadla podporovaného aerodynamickým vztlakem.

V roce 1956 přednesl von Kármán článek, ve kterém pojednával o aerotermálních limitech letu. Čím rychleji letadla létají, tím více tepla by vytvářela v důsledku aerodynamického ohřevu z tření s atmosférou a adiabatických procesů . Na základě současného stavu techniky vypočítal rychlosti a nadmořské výšky, ve kterých byl možný nepřetržitý let – dostatečně rychlý, aby byl generován dostatečný vztlak, a dostatečně pomalý, aby se vozidlo nepřehřálo. Graf obsahoval inflexní bod ve výšce asi 275 000 stop (52,08 mi; 83,82 km), nad nímž by minimální rychlost umístila vozidlo na oběžnou dráhu .

Termín „Kármánova čára“ vynalezl Andrew G. Haley v článku z roku 1959 na základě článku von Kármána z roku 1956, ale Haley uznal, že limit 275 000 stop (52,08 mi; 83,82 km) byl teoretický a změní se, když se technologie zlepší, protože minimální rychlost ve von Kármánových výpočtech byla založena na poměru rychlosti k hmotnosti současných letadel, konkrétně Bell X-2 , a maximální rychlosti na základě současných technologií chlazení a tepelně odolných materiálů. Haley také citoval další technické úvahy pro tuto výšku, protože to byl přibližně výškový limit pro vzduchový proudový motor založený na současné technologii. Ve stejném dokumentu z roku 1959 Haley také odkazoval na 295 000 stop (55,9 mil; 90 km) jako „von Kármánova čára“, což byla nejnižší nadmořská výška, ve které se vyskytoval atomový kyslík s volnými radikály .

Alternativy k definici FAI

Atmosférické plyny rozptylují modré vlnové délky viditelného světla více než jiné vlnové délky, což dává viditelnému okraji Země modré halo. Měsíc je vidět za halem . Ve stále vyšších nadmořských výškách se atmosféra tak ztenčuje, že v podstatě přestává existovat. Postupně se atmosférické halo vytrácí do temnoty vesmíru.

Americké ozbrojené síly definice astronauta je osoba, která letěla výše než 50 mil (80 km) nad zlou hladinou moře , přibližně čáru mezi mezosférou a termosférou . NASA dříve používala číslo 100 kilometrů (62 mil) FAI, i když to bylo v roce 2005 změněno, k odstranění jakékoli nesrovnalosti mezi vojenským personálem a civilisty létajícími ve stejném vozidle, když tři veteráni NASA X-15 piloti ( John B. McKay , William H. Dana a Joseph Albert Walker ) byli zpětně (dva posmrtně ) oceněni svými astronautskými křídly , protože během 60. let naletěli mezi 90 km (56 mil) a 108 km (67 mil), ale v té době tomu tak nebylo. uznávaní jako astronauti. Druhá jmenovaná výška, dosažená dvakrát Walkerem, překračuje moderní mezinárodní definici hranice vesmíru.

Federální úřad pro letectví Spojených států také uznává tuto linii jako hranici vesmíru:

Suborbitální let: Suborbitální kosmický let nastává, když kosmická loď dosáhne vesmíru, ale její rychlost je taková, že nemůže dosáhnout oběžné dráhy. Mnoho lidí věří, že k dosažení kosmického letu musí kosmická loď dosáhnout nadmořské výšky vyšší než 100 kilometrů (62 mil) nad mořem.

Práce Jonathana McDowella (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) a Thomase Gangalea (University of Nebraska-Lincoln) v roce 2018 obhajují, že vymezení prostoru by mělo být na 80 km (50 mil; 260 000 stop), přičemž jako důkaz uvádí von Kármánovy původní poznámky a výpočty (které dospěly k závěru, že hranice by měla být 270 000 stop), potvrzení, že objekty na oběžné dráze mohou přežít několik perigeí ve výškách kolem 80 až 90 km, plus funkční, kulturní, fyzikální, technologické, matematické a historické faktory. Přesněji řečeno, článek shrnuje:

Abychom to shrnuli, nejnižší možné trvalé kruhové dráhy jsou ve výšce řádově 125 km, ale eliptické dráhy s perigey ve výšce 100 km mohou přežít po dlouhou dobu. Naproti tomu družice Země s perigey pod 80 km je vysoce nepravděpodobné, že by dokončily svou příští oběžnou dráhu. Je pozoruhodné, že meteory (cestující mnohem rychleji) se obvykle rozpadají ve výškách 70–100 km, což přispívá k důkazu, že toto je oblast, kde se atmosféra stává důležitou.

Tato zjištění podnítila FAI, aby navrhla uspořádat v roce 2019 společnou konferenci s Mezinárodní astronautickou federací (IAF), která by tuto problematiku „plně prozkoumala“.

Další definice navržená v diskusích o mezinárodním právu definuje spodní hranici vesmíru jako nejnižší perigee dosažitelné vesmírným vozidlem na oběžné dráze, ale nespecifikuje nadmořskou výšku. Toto je definice přijatá americkou armádou. Kvůli atmosférickému odporu je nejnižší nadmořská výška, ve které může objekt na kruhové dráze dokončit alespoň jednu celou otáčku bez pohonu, přibližně 150 km (93 mil), zatímco objekt může udržovat eliptickou dráhu s perigeem až 130 km. (81 mil) bez pohonu. Americká vláda se brání snahám specifikovat přesnou regulační hranici.

Pro jiné planety

Zatímco Kármánova linie je definována pouze pro Zemi, pokud by byla vypočtena pro Mars a Venuši , byla by vysoká asi 80 km (50 mil) a 250 km (160 mil).

Viz také

  • Armstrongův limit  – Nadmořská výška, nad kterou se voda vaří při teplotě lidského těla
  • Atmosféra Země  – Plynová vrstva obklopující Zemi
    • Termosféra  – Vrstva zemské atmosféry nad mezosférou a pod exosférou
    • Mezosféra  – vrstva atmosféry přímo nad stratosférou a pod termosférou
    • Stratosféra  – vrstva atmosféry nad troposférou
    • Troposféra  – nejnižší vrstva zemské atmosféry
  • Exosféra  – nejvzdálenější vrstva atmosféry
  • Volný molekulární tok  – Tok plynu s velkou střední volnou molekulární cestou
  • MW 18014  – 1944 zkušební start německé rakety V-2

Reference

externí odkazy