Linha Kármán -Kármán line

A atmosfera da Terra vista do espaço, como faixas de cores diferentes no horizonte. Do fundo, o arrebol ilumina a troposfera em laranja com silhuetas de nuvens e a estratosfera em branco e azul. Em seguida, a mesosfera (área rosa) se estende logo abaixo da linha de Kármán a cem quilômetros e a linha rosa de luminescência da termosfera inferior (escura), que hospeda auroras verdes e vermelhas ao longo de várias centenas de quilômetros.

A linha de Kármán (ou linha de von Kármán / v ɒ n ˈ k ɑːr m ɑː n / ) é uma tentativa de definir um limite entre a atmosfera da Terra e o espaço sideral , e oferece uma definição específica definida pela Fédération aéronautique internationale (FAI), uma órgão internacional de manutenção de registros aeronáuticos . Definir a borda do espaço é importante para fins legais e regulatórios, uma vez que aeronaves e naves espaciais estão sujeitas a diferentes jurisdições e a diferentes tratados. O direito internacional não define a borda do espaço, ou o limite do espaço aéreo nacional.

A FAI define a linha de Kármán como o espaço que começa 100 quilômetros (54 milhas náuticas; 62 milhas; 330.000 pés) acima do nível médio do mar da Terra . Esse número está bem acima da altitude alcançável por um avião convencional e é aproximadamente onde os satélites, mesmo em trajetórias muito excêntricas, decairão antes de completar uma única órbita.

Embora os especialistas discordem sobre exatamente onde termina a atmosfera e começa o espaço, a maioria das agências reguladoras (incluindo as Nações Unidas) aceita a definição da linha FAI Kármán ou algo próximo a ela. Conforme definido pela FAI, a linha Kármán foi estabelecida na década de 1960. Vários países e entidades definem os limites do espaço de forma diferente para vários propósitos.

A linha Kármán recebeu o nome de Theodore von Kármán (1881–1963), um engenheiro e físico húngaro-americano ativo em aeronáutica e astronáutica . Em 1957, ele foi a primeira pessoa a tentar calcular um limite teórico de altitude para vôo de avião.

Definição

A linha de Kármán encontra-se dentro da termosfera inferior (sem escala).

A FAI usa o termo linha de Kármán para definir a fronteira entre a aeronáutica e a astronáutica:

• Aeronáutica : Para fins da FAI, atividade aérea, incluindo todos os esportes aéreos, até 100 km da superfície da Terra.
• Astronáutica : Para fins de FAI, atividade a mais de 100 km acima da superfície da Terra.

Interpretações da definição

As expressões " borda do espaço " ou ″perto do espaço″ são freqüentemente usadas (por exemplo, pela FAI em algumas de suas publicações) para se referir a uma região abaixo do limite do Espaço Exterior, que muitas vezes significa incluir regiões substancialmente inferiores também. Assim, certos vôos de balão ou avião podem ser descritos como "alcançando a borda do espaço". Em tais declarações, "alcançar a borda do espaço" refere-se apenas a ir mais alto do que os veículos aeronáuticos comuns normalmente fariam.

Ainda não existe uma definição legal internacional da demarcação entre o espaço aéreo de um país e o espaço sideral. Em 1963, Andrew G. Haley discutiu a linha Kármán em seu livro Space Law and Government . Em um capítulo sobre os limites da soberania nacional , ele fez um levantamento das opiniões dos principais escritores. Ele indicou a inerente imprecisão da Linha:

A linha representa uma medida média ou mediana . É comparável a medidas usadas na lei como nível médio do mar , linha de meandro , linha de maré ; mas é mais complexo do que estes. Ao chegar à linha jurisdicional de von Kármán, uma miríade de fatores deve ser considerada – além do fator de sustentação aerodinâmica. Esses fatores foram discutidos em um corpo muito grande de literatura e por uma pontuação ou mais de comentaristas. Eles incluem a constituição física do ar ; a viabilidade biológica e fisiológica; e ainda outros fatores que se unem logicamente para estabelecer um ponto em que o ar não existe mais e onde o espaço aéreo termina.

comentários de Kármán

No capítulo final de sua autobiografia, Kármán aborda a questão do limite do espaço sideral :

Onde o espaço começa... na verdade pode ser determinado pela velocidade do veículo espacial e sua altitude acima da Terra. Considere, por exemplo, o vôo recorde do capitão Iven Carl Kincheloe Jr. em um avião-foguete X-2 . Kincheloe voou 2.000 milhas por hora (3.200 km/h) a 126.000 pés (38.500 m), ou 24 milhas acima. Nessa altitude e velocidade, a sustentação aerodinâmica ainda carrega 98% do peso do avião, e apenas 2% é carregado pela inércia, ou força de Kepler , como os cientistas espaciais a chamam. Mas a 300.000 pés (91.440 m) ou 57 milhas acima, essa relação é invertida porque não há mais ar para contribuir com a sustentação: apenas a inércia prevalece. Este é certamente um limite físico, onde a aerodinâmica termina e a astronáutica começa, então pensei por que não deveria ser também um limite jurisdicional? Andrew G. Haley a chamou de Linha Jurisdicional de Kármán. Abaixo desta linha, o espaço pertence a cada país. Acima desse nível, haveria espaço livre.

Considerações técnicas

Uma atmosfera não termina abruptamente em qualquer altura, mas torna-se progressivamente menos densa com a altitude. Além disso, dependendo de como as várias camadas que compõem o espaço ao redor da Terra são definidas (e dependendo se essas camadas são consideradas parte da atmosfera real), a definição da borda do espaço pode variar consideravelmente: se considerarmos Como a termosfera e a exosfera fazem parte da atmosfera e não do espaço, pode-se ter que estender o limite do espaço para pelo menos 10.000 km (6.200 milhas) acima do nível do mar. A linha de Kármán, portanto, é uma definição amplamente arbitrária baseada em algumas considerações técnicas.

Uma aeronave pode permanecer no ar apenas viajando constantemente para frente em relação ao ar (em vez do solo), de modo que as asas possam gerar sustentação aerodinâmica. Quanto mais rarefeito o ar, mais rápido o avião deve ir para gerar sustentação suficiente para permanecer no ar. A quantidade de sustentação fornecida (que deve ser igual ao peso do veículo para manter o vôo nivelado) é calculada pela equação de sustentação:

${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}SC_{L},}$

de tal modo que

L é a força de sustentação ,

ρ é a densidade do ar ,

v é a velocidade da aeronave em relação ao ar ,

S é a área da asa da aeronave ,

CL é o coeficiente de _{sustentação} .

A sustentação ( L ) gerada é diretamente proporcional à densidade do ar ( ρ ). Uma aeronave mantém a altitude se a força de sustentação for igual ao peso da aeronave tal que

${\displaystyle L=mg}$

onde é a massa da aeronave, é a aceleração devido à gravidade e é a força descendente devido à gravidade (peso). Todos os outros fatores permanecem inalterados, a verdadeira velocidade no ar ( v ) deve aumentar para compensar a menor densidade do ar em altitudes mais altas. ${\displaystyle m}$${\displaystyle g}$${\displaystyle mg}$

Em velocidades muito altas, a força centrífuga (força de Kepler) dada por , onde é a distância ao centro da Terra, contribui para a manutenção da altitude. Esta é a força virtual que mantém os satélites em órbita circular sem qualquer sustentação aerodinâmica. Uma aeronave pode manter a altitude nos confins da atmosfera se a soma da força de sustentação aerodinâmica e da força centrífuga for igual ao peso da aeronave. ${\displaystyle mv^{2}/R}$${\displaystyle R}$

${\displaystyle L+{\frac {mv^{2}}{R}}=mg}$

À medida que a altitude aumenta e a densidade do ar diminui, a velocidade para gerar sustentação aerodinâmica suficiente para suportar o peso da aeronave aumenta até que a velocidade se torne tão alta que a contribuição da força centrífuga se torne significativa. Em uma altitude alta o suficiente, a força centrífuga dominará a força de sustentação e a aeronave se tornará efetivamente uma espaçonave em órbita, em vez de uma aeronave apoiada por sustentação aerodinâmica.

Em 1956, von Kármán apresentou um artigo no qual discutia os limites aerotérmicos do voo. Quanto mais rápido as aeronaves voassem, mais calor elas gerariam devido ao aquecimento aerodinâmico do atrito com a atmosfera e processos adiabáticos . Com base no estado atual da arte , ele calculou as velocidades e altitudes nas quais o vôo contínuo era possível – rápido o suficiente para gerar sustentação suficiente e lento o suficiente para que o veículo não superaquecesse. O gráfico incluía um ponto de inflexão em cerca de 275.000 pés (52,08 mi; 83,82 km), acima do qual a velocidade mínima colocaria o veículo em órbita .

O termo "linha Kármán" foi inventado por Andrew G. Haley em um artigo de 1959, baseado no artigo de von Kármán de 1956, mas Haley reconheceu que o limite de 275.000 pés (52,08 mi; 83,82 km) era teórico e mudaria conforme a tecnologia melhorasse, como a velocidade mínima nos cálculos de von Kármán foi baseada na relação velocidade-peso das aeronaves atuais, ou seja, o Bell X-2 , e a velocidade máxima baseada nas tecnologias de resfriamento atuais e materiais resistentes ao calor. Haley também citou outras considerações técnicas para essa altitude, já que era aproximadamente o limite de altitude para um motor a jato baseado na tecnologia atual. No mesmo artigo de 1959, Haley também se referiu a 295.000 pés (55,9 milhas; 90 km) como a "Linha von Kármán", que era a altitude mais baixa em que o oxigênio atômico radical livre ocorria .

Alternativas à definição da FAI

Os gases atmosféricos dispersam os comprimentos de onda azuis da luz visível mais do que outros comprimentos de onda, dando à borda visível da Terra um halo azul. A Lua é vista atrás do halo. Em altitudes cada vez maiores, a atmosfera torna-se tão fina que praticamente deixa de existir. Gradualmente, o halo atmosférico desaparece na escuridão do espaço.

A definição de astronauta das Forças Armadas dos EUA é uma pessoa que voou mais de 50 milhas (80 km) acima do nível médio do mar , aproximadamente a linha entre a mesosfera e a termosfera . A NASA costumava usar o número de 100 quilômetros (62 milhas) da FAI, embora isso tenha sido alterado em 2005, para eliminar qualquer inconsistência entre militares e civis voando no mesmo veículo, quando três pilotos veteranos do X-15 da NASA ( John B. McKay , William H. Dana e Joseph Albert Walker ) foram premiados retroativamente (dois postumamente ) com suas asas de astronauta , pois haviam voado entre 90 km (56 milhas) e 108 km (67 milhas) durante a década de 1960, mas na época não haviam sido reconhecidos como astronautas. A última altitude, alcançada duas vezes por Walker, excede a definição internacional moderna do limite do espaço.

A Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos também reconhece esta linha como um limite espacial:

Voo Suborbital: O voo espacial suborbital ocorre quando uma espaçonave atinge o espaço, mas sua velocidade é tal que não consegue atingir a órbita. Muitas pessoas acreditam que, para conseguir um voo espacial, uma espaçonave deve atingir uma altitude superior a 100 quilômetros (62 milhas) acima do nível do mar.

Trabalhos de Jonathan McDowell (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) e Thomas Gangale (Universidade de Nebraska-Lincoln) em 2018 defendem que a demarcação do espaço deve ser de 80 km (50 milhas; 260.000 pés), citando como evidência as notas originais de von Kármán e cálculos (que concluíram que o limite deveria ter 270.000 pés), confirmação de que objetos em órbita podem sobreviver a vários perigeus em altitudes em torno de 80 a 90 km, além de fatores funcionais, culturais, físicos, tecnológicos, matemáticos e históricos. Mais precisamente, o artigo resume:

Para resumir, as órbitas circulares sustentadas mais baixas possíveis estão na ordem de 125 km de altitude, mas as órbitas elípticas com perigeus a 100 km podem sobreviver por longos períodos. Em contraste, os satélites da Terra com perigeus abaixo de 80 km são altamente improváveis ​​de completar sua próxima órbita. É digno de nota que os meteoros (viajando muito mais rapidamente) geralmente se desintegram na faixa de altitude de 70 a 100 km, aumentando a evidência de que esta é a região onde a atmosfera se torna importante.

Essas descobertas levaram a FAI a propor a realização de uma conferência conjunta com a Federação Astronáutica Internacional (IAF) em 2019 para "explorar completamente" a questão.

Outra definição proposta em discussões de direito internacional define o limite inferior do espaço como o perigeu mais baixo atingível por um veículo espacial em órbita, mas não especifica uma altitude. Esta é a definição adotada pelos militares dos EUA. Devido ao arrasto atmosférico, a altitude mais baixa na qual um objeto em órbita circular pode completar pelo menos uma revolução completa sem propulsão é de aproximadamente 150 km (93 milhas), enquanto um objeto pode manter uma órbita elíptica com perigeu tão baixo quanto cerca de 130 km (81 milhas) sem propulsão. O governo dos EUA está resistindo aos esforços para especificar um limite regulatório preciso.

Para outros planetas

Enquanto a linha de Kármán é definida apenas para a Terra, se calculada para Marte e Vênus teria cerca de 80 km (50 milhas) e 250 km (160 milhas) de altura, respectivamente.

Veja também

• Limite de Armstrong  - Altitude acima da qual a água ferve à temperatura do corpo humano
• Atmosfera da Terra  – Camada de gás que envolve a Terra
  • Termosfera  - Camada da atmosfera da Terra acima da mesosfera e abaixo da exosfera
  • Mesosfera  – Camada da atmosfera diretamente acima da estratosfera e abaixo da termosfera
  • Estratosfera  – Camada da atmosfera acima da troposfera
  • Troposfera  – Camada mais baixa da atmosfera terrestre
• Exosfera  – A camada mais externa de uma atmosfera
• Fluxo molecular livre  - Fluxo de gás com um grande caminho molecular livre médio
• MW 18014  - 1944 lançamento de teste de foguete alemão V-2

Referências

links externos

• Artigo sobre a linha Kármán no site da FAI
• Camadas da atmosfera - NOAA arquivado em 19/12/2005 na Wayback Machine
• Videoclipe de "The Kármán Line" com imagens da NASA
• Calculadora de linha Kármán