Σε ποιό ύψος αρχίζει το διάστημα;
Ποιό είναι το όριο μεταξύ ατμόσφαιρας και διαστήματος; Το μέχρι τώρα όριο των 100 χιλιομέτρων από την επιφάνεια τςη Γης θα πρέπει πιθανώς να προσαρμοστεί στα 80 χιλιόμετρα.
Ζούμε στην επιφάνεια της Γης, θωρακισμένοι από το κενό του διαστήματος με μια κουβέρτα αέρα. Γνωρίζουμε όμως ότι όσο ψηλότερα ανεβαίνουμε, η ατμόσφαιρα του πλανήτη μας γίνεται όλο και αραιότερη. Επομένως είναι λογικό ότι σε κάποιο υψόμετρο, ο αέρας να γίνεται τόσο αραιός που στην ουσία η ατμόσφαιρα τελειώνει και αρχίζει το διάστημα.
Σε ποιό υψόμετρο λοιπόν αρχίζει το διάστημα;
Αυτό εξαρτάται από το τι εννοούμε με τον όρο «διάστημα», ένας όρος που είναι τρομερά δύσκολο να οριστεί. Προς το παρόν, η γενικά αποδεκτή γραμμή οριοθέτησης είναι τα 100 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, αλλά αυτή η τιμή δεν έχει καθοριστεί με αυστηρό μαθηματικό ή φυσικό τρόπο. Επιπλέον, όταν εφαρμόζεται η αυστηρότητα, τότε η οριοθέτηση του διαστήματος στο ύψος των 80 χιλιιομέτρων είναι αναμφισβήτητα μια καλύτερη τιμή για τις περισσότερες χρήσεις.
Τα μόρια του αέρα γύρω μας κινούνται διαρκώς και διασκορπίζονται σχεδόν ομοιόμορφα. Όμως, στην μεγάλη εικόνα ενός πλανήτη όπως η Γη, η κατάσταση είναι διαφορετική. Η βαρύτητα και η πίεση παίζουν ρόλο στην συγκράτηση της ατμόσφαιρας.
Πόση είναι η μάζα μιας κατακόρυφης κυλινδρικής στήλης ατμόσφαιρας, η βάση της οποίας βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης και έχει εμβαδόν 1 cm2; Θεωρείστε την επιτάχυνση της βαρύτητας σχεδόν σταθερή συναρτήσει του ύψους της ατμόσφαιρας και ίση με go=10 m/sec2. Η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της Γης είναι 105 Pa.
Ένας μικρός όγκος της ατμόσφαιρας κοντά στην επιφάνεια της Γης – ας πούμε, ένα κυβικό εκατοστό – αισθάνεται την πίεση όλων των κυβικών εκατοστών αερίου πάνω από αυτό (που έχουν μάζα σχεδόν ένα κιλό), που το συμπιέζει και το κάνει πιο πυκνό. Όσο πιο ψηλά ανεβαίνετε, τόσο λιγότερο υπερκείμενο αέριο πιέζει προς τα κάτω, μειώνοντας την πίεση του αέρα του περιβάλλοντός σας. Αυτός είναι ο λόγος που ο αέρας είναι λιγότερο πυκνός σε μια βουνοκορφή σε σχέση με το επίπεδο της θάλασσας. Αυτό δημιουργεί προβλήματα στους ορειβάτες, ειδικά όταν ανεβαίνουν σε βουνά όπως το Έβερεστ.
Ο αραιός αέρας είναι επίσης πρόβλημα και για τα αεροπλάνα. Πετούν λόγω της άντωσης, μιας δύναμης που εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το σχήμα των φτερών, της ταχύτητας του αεροπλάνου και κυρίως, της πυκνότητας του περιβάλλοντος αέρα. Σε αρκετά μεγάλο ύψος, απλά δεν υπάρχει αρκετός αέρας για να δημιουργήσει την απαραίτητη δύναμη ώστε να κρατήσει το αεροπλάνο ψηλά.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, ο Ούγγρος μηχανικός και φυσικός Theodore von Kármán υπολόγισε πόση άντωση προκύπτει από τον αέρα σε σχέση με το ύψος και την ταχύτητα του αεροσκάφους, δεδομένων των μηχανικών ορίων της εποχής. Ένας τρόπος για να δημιουργήσει ένα αεροσκάφος περισσότερη άντωση είναι να κινείται πιο γρήγορα, αλλά ο von Kármán διαπίστωσε ότι σε ύψος περίπου 84 km, επιτυγχάνεται ένα περίεργο όριο: για να δημιουργήσει αρκετή άντωση πάνω από αυτό το ύψος, ένα αεροσκάφος έπρεπε να κινηθεί τόσο γρήγορα που θα καιγόταν. Σε αυτές τις ταχύτητες οι υψηλές θερμοκρασίες που δημιουργούνται από την τριβή με την έστω και πολύ αραιή ατμόσφαιρα, θα μετέτρεπαν ένα αεροσκάφος σε πύρινο μετεωρίτη. Για ιστορικούς λόγους, αυτό το όριο ονομάζεται τώρα γραμμή Kármán. Αυτό είναι σίγουρα ένα φυσικό όριο, όπου σταματά η αεροδυναμική και αρχίζει η αστροναυτική.
Ας έχουμε υπόψιν ότι ο von Kármán δεν προσπαθούσε να προσδιορίσει την άκρη της ατμόσφαιρας, αλλά ερευνούσε το πόσο ψηλά μπορούσε να πετάξει ένα αεροσκάφος. Στη συνέχεια, μετά τον von Kármán, ο αστρονόμος Robert Jastrow ακολούθησε (κυριολεκτικά) την προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω και πρότεινε να γίνουν αποδεκτά τα 160 km ως η γραμμή μετάβασης μεταξύ ατμόσφαιρας και διαστήματος. Πρότεινε αυτό το υψόμετρο επειδή ήταν το κατά προσέγγιση χαμηλότερο όριο για το ύψος της τροχιάς ενός δορυφόρου. Αν και πολλές άλλες μελέτες κατά τη διάρκεια των δεκαετιών έχουν υποδείξει διαφορετικά υψόμετρα, ένα όριο 100 χιλιομέτρων (υψηλότερο από τον αρχικό υπολογισμό του von Kármán και χαμηλότερο από την πρόταση του Jastrow) είναι πλέον τόσο κοντά στο επίσημο όριο, ειδικά μετά την υιοθέτησή του από την World Air Sports Federation, που ειδικεύεται σε αεροναυτικά και αστροναυτικά ταξίδια.
Είναι σωστή αυτή η προσέγγιση; Κάτω από αυτή τη θεωρητική ζώνη οριοθέτησης εναέριου χώρου, ένα σκάφος θα έπρεπε να ταξιδεύει με σχεδόν τροχιακή ταχύτητα για να δημιουργήσει κάποια δύναμη άντωσης.
Με ποιά ταχύτητα κινείται ένας δορυφόρος που διαγράφει κυκλική τροχιά γύρω από τη Γη, σε ύψος 100 km πάνω από την επιφάνειά της; Υποθέτουμε ότι σ’ αυτό το ύψος ο δορυφόρος δεν επηρεάζεται από την γήινη ατμόσφαιρα. Δίνονται η ακτίνα της Γης R=6400 km και η ένταση του πεδίου βαρύτητας στην επιφάνεια της Γης go=10 m/sec2.
Ένα αντικείμενο διατηρεί μια σταθερή κυκλική τροχιά γύρω από τη Γη, όταν η δύναμη της βαρύτητας είναι κάθετη στην ταχύτητα παίζοντας τον ρόλο της κεντρομόλου δύναμης. Αν διαγράφει κυκλική τροχιά σε ύψος 100 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης, τότε πρέπει να κινείται με ταχύτητα περίπου οκτώ χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή είναι αρκετά μεγάλη ταχύτητα για να προκαλέσει έντονη ή και καταστροφική θέρμανση, αν ένας δορυφόρος πέσει πολύ χαμηλά.
Αλλά πόσο χαμηλά;
Ο αστροφυσικός και ιστορικός του διαστήματος Jonathan McDowell έχει ερευνήσει εδώ και καιρό αυτό το θέμα και έχει δημοσιεύσει τα συμπεράσματά του στο Acta Astronautica. Δεδομένου ότι η διαστημική πτήση είναι η πιο κοινή δραστηριότητα σχετικής με την γραμμή οριοθέτησης ατμόσφαιρας-διαστήματος, ο McDowell την προσδιόρισε μελετώντας τη βιωσιμότητα δορυφόρων σε διάφορες τροχιές. Για παράδειγμα, σε μια πολύ χαμηλή κυκλική τροχιά γύρω από τη Γη, ένας δορυφόρος θα βρίσκεται πάντα στις ανώτερες παρυφές της ατμόσφαιρας. Ένας τέτοιος δορυφόρος θα πρέπει να παραμείνει πάνω από ένα ορισμένο ύψος – ο McDowell το υπολογίζει περίπου στα 125 km – για να ελαχιστοποιήσει την οπισθέλκουσα δύναμη, ώστε να παραμένει σε σταθερή τροχιά.
Αλλά ορισμένοι δορυφόροι ακολουθούν ελλειτπικές τροχιές, στις οποίές μπορούν να πλησιάσουν περισσότερο τη Γη – στο περίγειό τους, την πλησιέστερη προσέγγιση. Σ΄αυτό το τμήμα της τροχιάς του ένας δορυφόρος δεν παραμένει μεγάλο χρονικό διάστημα διότι κινείται πιο γρήγορα. Αλλά ακόμα κι έτσι, η αθροιστική ατμοσφαιρική τριβή από τις επαναλαμβανόμενες βυθίσεις σε χαμηλό υψόμετρο μπορεί να προκαλέσει την πτώση του δορυφόρου και την καύση του.
Εξετάζοντας περισσότερους από 40.000 δορυφόρους, ο McDowell βρήκε 50 δορυφόρους με περίγεια μικρότερα των 100 km, οι οποίοι επέζησαν για τουλάχιστον δύο πλήρεις περιστροφές γύρω από τον πλανήτη μας. Αυτό δείχνει ότι η δημοφιλής γραμμή οριοθέτησης των 100 χιλιομέτρων μπορεί να είναι πολύ υψηλή. Πραγματοποίησε μια μαθηματική ανάλυση της φυσικής της αεροδυναμικής πτήσης και των τροχιών και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένα υψόμετρο 80 χιλιομέτρων ταιριάζει καλύτερα για όλα τα δεδομένα.
Το υπολογιζόμενο όριο των 80 χιλιομέτρων του McDowell αντιστοιχεί επίσης στην κορυφή του ατμοσφαιρικού στρώματος που ονομάζεται μεσόσφαιρα, το οποίο συχνά θεωρείται ως η άκρη της «κανονικής» ατμόσφαιρας της Γης. Αλλά η θερμόσφαιρα και η εξώσφαιρα φτάνουν πολύ πέρα από τη μεσόσφαιρα και οι δορυφόροι καταφέρνουν να περιφέρονται με επιτυχία σε αυτά τα στρώματα. Μπορεί ο αέρας εκεί να είναι πιο αραιός και από τον ‘ψίθυρο ενός φαντάσματος’, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει και να είναι μετρήσιμος. Επομένως αυτές οι περιοχές μπορούν να θεωρηθούν ως η εκτεταμένη ατμόσφαιρα της Γης, παρά το γεγονός ότι φιλοξενούν πολλούς δορυφόρους.
Και γιατί έχουν ενδιαφέρον όλα αυτά;
Υπάρχουν όντως κάποιες πραγματικές ανησυχίες. Πού σταματά ο εναέριος χώρος μιας χώρας; Δεν μπορείτε εύκολα να εμποδίσετε έναν δορυφόρο να περάσει πάνω από ένα δεδομένο τμήμα της επιφάνειας της Γης, το οποίο μπορεί να έχει νομικές επιπτώσεις. Επιπλέον, οι νόμοι που διέπουν τις αεροπορικές πτήσεις είναι διαφορετικοί από εκείνους που καλύπτουν τις διαστημικές πτήσεις. Ο καθορισμός των κανόνων που υπαγορεύουν τα όρια του διαστήματος θα βοηθούσε στην αποφυγή σύγχυσης. Ο McDowell θεωρεί ότι δεν υπάρχει ένας καθολικός ορισμός που να λειτουργεί για όλα τα πλαίσια. Έτσι, ο νομικός ορισμός του ορίου ατμόσφαιρας-διαστήματος μπορεί να διαφέρει από εκείνον που χρησιμοποιούν οι ιστορικοί ή οι μηχανικοί.
Τελικά, ίσως είναι καλύτερα να θεωρήσουμε ότι η ατμόσφαιρα της Γης και το «διάστημα» επικαλύπτονται. Το πού θα χαράξουμε την διαχωριστική γραμμή μάλλον εξαρτάται από το πλαίσιο. Η φύση συνήθως δεν μας παρέχει απόλυτα όρια για την διάκριση μιας έννοιας από μια άλλη. Το γενικό πλαίσιο έχει σημασία, κι αυτό είναι ένα μάθημα επιστήμης που πρέπει να εφαρμόζουμε σε πάρα πολλές ανθρώπινες δρατηριότητες.
περισσότερες λεπτομέρειες: Phil Plait, «Where Does Outer Space Begin?» – https://www.scientificamerican.com/article/where-does-outer-space-begin
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου