A veces se pueden plantear preguntas realmente interesantes de forma muy sencilla. Por ejemplo, ¿dónde comienza el espacio exterior?
Esta parece una pregunta sencilla. Vivimos en la superficie de la Tierra, protegidos del vacío del espacio por una capa de aire. Pero sabemos que la atmósfera de nuestro planeta se vuelve más delgada y menos densa con la altura. Entonces tiene sentido que a cierta altitud, el aire se vuelva tan tenue que esencialmente estarías en el espacio. ¿A qué altura está eso?
La cuestión es que depende de lo que entiendas por “espacio”, que es un término sorprendentemente difícil de definir. Actualmente, la línea de demarcación generalmente aceptada es 100 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, pero ese valor no ha sido definido rigurosamente matemática o físicamente. Además, cuando el rigor es Si se aplica, se podría decir que una demarcación de 80 km de “el espacio comienza aquí” es una mejor altura a utilizar.
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Para entender por qué, comencemos con algunos conceptos básicos. El aire es técnicamente un fluido, algo que puede fluir. Las moléculas de un gas pueden deslizarse libremente unas sobre otras, por lo que pueden moverse para llenar cualquier recipiente. Sin embargo, en el caso de un planeta como la Tierra, no hay ningún recipiente físico a su alrededor y no tiene una tapa como la que tienen un frasco o una caja. En cambio, la gravedad y la presión desempeñan el papel de contener la atmósfera.
Piense en la atmósfera de la Tierra como una capa de gas bien definida. Un pequeño volumen de ese gas en la superficie (digamos, un centímetro cúbico) siente la presión de todos esos centímetros cúbicos de gas encima (cerca de un kilogramo, en total), lo que lo comprime y lo hace más denso. Cuanto más alto subes, menos gas suprayacente empuja hacia abajo desde arriba, lo que disminuye la presión del aire ambiente a tu alrededor.
Esta es la razón por la que el aire es menos denso en la cima de una montaña, por ejemplo, que al nivel del mar. Para una montaña lo suficientemente alta, como el Monte Everest, los escaladores necesitan llevar aire presurizado porque el aire ambiente es casi demasiado fino para respirar.
El aire enrarecido también es un problema para los aviones. Vuelan gracias a la sustentación, una fuerza generada al crear una región de menor presión sobre el ala. La mayor presión bajo el ala empuja hacia arriba, elevando el avión hacia el cielo. La fuerza de sustentación depende de muchos factores, incluida la forma del ala, la velocidad del avión y, fundamentalmente, la densidad del aire circundante. A una altitud suficientemente alta, simplemente no hay suficiente aire para proporcionar la fuerza necesaria para mantener el avión en el aire, y eso es lo más alto que un avión puede volar.
A finales de la década de 1950, el erudito húngaro Theodore von Kármán calculó cuánta sustentación generaba el aire en comparación con la altitud y la velocidad de la aeronave, dados los límites de ingeniería de la época. Una forma de que un avión genere más sustentación es moverse más rápido, pero von Kármán descubrió que a una altitud de aproximadamente 84 km se alcanza un límite extraño: para generar suficiente sustentación por encima de esa altura, un avión tendría que moverse tan rápidamente que se quemaría. La compresión de un gas lo calienta y, a esas velocidades, las altas temperaturas creadas convertirían un avión en un meteoro ardiente. Por razones históricas, este límite ahora se llama línea de Kármán.
Eso sí, von Kármán no estaba tratando de determinar cuál era el borde del espacio; estaba investigando qué tan alto podía volar un avión. No mucho después del trabajo de von Kármán, el astrónomo Robert Jastrow adoptó el enfoque (literalmente) de arriba hacia abajo y sugirió que se aceptaran 160 km como línea de transición entre la Tierra y el espacio porque ese era el límite inferior aproximado para la altura orbital de un satélite. Aunque muchos otros estudios a lo largo de las décadas han promovido diferentes altitudes, un límite de 100 km (más alto que el cálculo original de von Kármán y más bajo que la propuesta de Jastrow) es ahora lo más cercano a oficial posible después de que fue adoptado por Federación Mundial de Deportes Aéreosque certifica registros de viajes aeronáuticos y astronáuticos.
Este enfoque tiene sus méritos. Por debajo de esta zona de demarcación teórica del espacio aéreo, un vehículo tendría que viajar a velocidades casi orbitales para generar sustentación. Un objeto está en una órbita estable cuando la fuerza de gravedad que lo empuja hacia abajo se equilibra con la fuerza centrífuga hacia afuera creada por su trayectoria curva, que, para la Tierra, es de unos ocho kilómetros por segundo. Esto es lo suficientemente rápido como para generar un calentamiento feroz e incluso destructivo si un satélite desciende demasiado. ¿Pero qué tan bajo?
Astrofísico e historiador espacial. Jonathan McDowell ha investigado durante mucho tiempo este tema y ha publicó sus conclusiones en Acta Astronáutica. (Revelación completa: McDowell también es mi amigo).
Dado que los vuelos espaciales son la actividad más común de relevancia para la línea de demarcación, McDowell estableció su valor estudiando la viabilidad de varias órbitas para los satélites. Por ejemplo, en una órbita circular muy baja alrededor de la Tierra, un satélite siempre estará en las franjas superiores de la atmósfera. Un satélite de este tipo necesitaría permanecer por encima de cierta altura (McDowell calcula unos 125 km) para minimizar las fuerzas de arrastre que siente continuamente y mantener una órbita estable.
Pero algunos satélites siguen trayectorias elípticas, en las que pueden descender hacia la Tierra en su perigeo (aproximación más cercana). Debido a la mecánica orbital, aquí es cuando un satélite viajaría más rápido, por lo que no se quedaría en estos tramos inferiores. Aun así, la resistencia acumulativa de las repetidas caídas a baja altitud puede hacer que el satélite se caiga del cielo y se queme.
Al examinar más de 40.000 satélites, McDowell encontró 50 con perigeos inferiores a 100 km que sobrevivieron al menos dos revoluciones completas alrededor de nuestro planeta. Esto indica que la popular línea de demarcación de 100 kilómetros puede ser demasiado alta. Realizó un análisis matemático de la física de la sustentación, la resistencia y las órbitas y concluyó que una altitud de 80 km se ajusta mejor a todos los datos.
El límite de 80 kilómetros calculado por McDowell también corresponde a la parte superior de la capa atmosférica llamada mesosfera, que a menudo se considera como el borde de la atmósfera “adecuada” de la Tierra. Pero la termosfera y la exosfera llegan mucho más allá de la mesosfera, y los satélites orbitan felizmente en esas capas todo el tiempo. El aire allí es más tenue que el susurro de un fantasma, pero aún existe y se puede medir, por lo que estas regiones pueden considerarse como las de la Tierra. extendido atmósfera a pesar de albergar muchas naves espaciales.
¿Por qué deberíamos preocuparnos por todo esto? Hay algunas preocupaciones reales. ¿Dónde termina el espacio aéreo de un país? No es fácil impedir que un satélite pase sobre una determinada porción de la superficie de la Tierra, lo que puede tener ramificaciones legales. Además, las leyes que rigen los vuelos aéreos son diferentes de las que rigen los vuelos espaciales. ¿En qué punto debería uno pasar al otro? Además, diferentes órganos de gobierno, como autoridades civiles y militares, otorgan “alas” de astronauta a los viajeros que alcanzan diferentes altitudes. Esto puede resultar confuso, especialmente cuando personal militar y civiles están en el mismo vuelo y un grupo obtiene alas mientras que el otro no. Estandarizar las reglas que dictan los límites del espacio ayudaría a evitar la confusión.
En cierto nivel, este argumento es semántico porque no es posible una definición universal y rígida de lo que es literalmente una frontera difusa. En particular, McDowell sugiere que no existe una definición universal que funcione para todo contextos; La definición legal de dónde comienza el espacio puede diferir de las utilizadas por historiadores o ingenieros. Esto me parece eminentemente práctico y coherente con el hecho de que muchos conceptos científicos (planetas, colores, sexo biológico) desafían una definición única y simple.
Al final, puede ser mejor considerar que la atmósfera de la Tierra y el “espacio” se superponen, y dónde trazar su línea en el aire depende del contexto. La naturaleza rara vez, o nunca, proporciona límites precisos para discernir un concepto de otro. El contexto importa, y esa es una lección científica que deberíamos aplicar a muchos esfuerzos humanos.