Граница атмосферы и космоса¶

Граница между атмосферой и космосом — условная линия, за пределами которой плотность атмосферы становится настолько малой, что полёты обычных самолётов невозможны, а влияние атмосферы на движущиеся тела пренебрежимо мало. Точных границ у атмосферы нет: она постепенно разрежается с высотой и переходит в межпланетное пространство. Наиболее распространённые определения границы космоса — линия Кармана на высоте 100 км и линия Фédéрация астронавтическая на высоте 100 км.

¶Линия Кармана

Наиболее известным определением начала космоса является линия Кармана (англ. Kármán line) — условная граница на высоте 100 километров над уровнем моря. Термин назван в честь американского инженера венгерского происхождения Теодора фон Кармана (1881—1963), пионера аэродинамики и ракетной техники.

Согласно определению Международной федерации астронавтики (ФАИ), линия Кармана — это высота, на которой аэродинамический подъём становится настолько мал, чтобы самолёт должен был двигаться со скоростью, равной первой космической, чтобы оставаться в воздухе. На практике это означает, что управляемый полёт в атмосфере становится невозможным: несущая сила крыла исчезает, и единственный способ оставаться на высоте — орбитальная скорость (около 7,9 км/с).

Высота 100 км была предложена как компромиссное округление: расчёты показывают, что для большинства условий граница «самолётного» полёта проходит в диапазоне 80–100 км в зависимости от формы крыла, плотности атмосферы и скорости.

¶Линия Фédéрация астронавтическая

ФАИ официально признаёт границу космоса на высоте 100 км с 2004 года, когда была принята поправка к определению. До этого в документах организации использовалась высота 100 км, но без чёткой формализации.

В 2018 году ФАИ уточнила определение, добавив, что граница космоса — это высота, на которой условия полёта отличаются от атмосферных настолько, что для поддержания траектории необходима космическая скорость. Это определение сохраняет числовое значение 100 км, но делает его физически обоснованным.

¶Альтернативные определения

Помимо линии Кармана, существуют другие подходы к определению начала космоса:

• 80 км — высота, на которой заканчивается мезосфера и начинается термосфера (граница, принятая Всемирной метеорологической организацией). На этой высоте появляются полярные сияния и метеорные свечения.
• 120 км — высота, на которой начинается заметное аэродинамическое торможение спутников (нижняя граница космической техники).
• 19,2 км — высота тропопаузы, выше которой заканчивается тропосфера (основной слой атмосферы, где формируется погода).
• 100 км — граница, за которой атмосферное давление падает ниже 0,001 Па (примерно в 100 млн раз меньше, чем на уровне моря).

Различия в определениях связаны с тем, что атмосфера не имеет чёткой верхней границы: её плотность убывает экспоненциально, и на высоте 1000 км она всё ещё составляет около 10⁻¹² Па, что в тысячи раз меньше вакуума межпланетного пространства.

¶Слои атмосферы по высоте

Для понимания того, что происходит с высотой, полезно знать структуру атмосферы:

Международная космическая станция (МКС) обращается на высоте около 400 км — в термосфере, то есть формально внутри атмосферы, но в условиях вакуума.

¶Космический высотомер

Для определения высоты в космических программах используются специальные приборы — космические высотомеры. В СССР и России для пилотируемых полётов использовался высотомер ВКЛ, рассчитанный на диапазон до 500 км.

¶Практическое значение

Граница космоса на 100 км имеет юридическое значение: согласно международному праву, космическое пространство начинается за пределами атмосферы и не подлежит национальному суверенитету. Однако из-за отсутствия чёткой границы возникают споры о том, начинается ли национальный воздушный пространство на 100 км или на другой высоте.

В США Федеральное управление гражданской авиации (FAA) и НАСА используют линию Кармана как рабочую границу: полёты выше 80 км считаются космическими, и пилоты получают значки астронавта.

¶История вопроса

Первые расчёты границы атмосферы были выполнены в 1950-х годах, когда началась космическая эра. Теодор фон Карман в своих работах по аэродинамике указывал, что высота, на которой аэродинамический подъём перестаёт быть эффективным, зависит от плотности атмосферы и скорости полёта.

Термин «линия Кармана» вошёл в обиход в 1960-х годах, когда первые пилотируемые полёты достигли высот 100–300 км. В 2004 году ФАИ официально закрепила высоту 100 км как границу космоса.

¶Интересные факты

• Американский бизнесмен Ричард Брансон на своём корабле «Unity» (VSS Unity) компании Virgin Galactic достиг высоты 89,2 км в декабре 2018 года — ниже линии Кармана, но выше 80 км. Его пилоты получили значки астронавта, хотя формально полёт не достиг 100 км.
• В 2004 году капсула SpaceShipOne, пилотируемая Майком Мелвиллом, достигла высоты 112 км, став первым частным космическим аппаратом, преодолевшим линию Кармана.
• Юрий Гагарин 12 апреля 1961 года достиг высоты 327 км — более чем втрое выше линии Кармана.

¶Источники

• ФАИ (Fédération Aéronautique Internationale) — определения и классификации
• НАСА — данные об атмосфере Земли
• Энциклопедия Britannica — статья «Atmosphere»
• Теодор фон Карман — «Aerodynamics» (1954)