Kármán-Linie -Kármán line

Die Erdatmosphäre, wie sie aus dem Weltraum erscheint, als verschiedenfarbige Bänder am Horizont. Von unten beleuchtet das Nachleuchten die Troposphäre in Orange mit Wolkensilhouetten und die Stratosphäre in Weiß und Blau. Als nächstes erstreckt sich die Mesosphäre (rosa Bereich) bis knapp unter die Kármán-Linie bei hundert Kilometern und die rosa Linie des Luftglühens der unteren Thermosphäre (dunkel), die grüne und rote Polarlichter über mehrere hundert Kilometer beherbergt.

Die Kármán-Linie (oder von Kármán-Linie / v ɒ n ˈ k ɑːr m ɑː n / ) ist ein Versuch, eine Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum zu definieren , und bietet eine spezifische Definition, die von der Fédération aéronautique internationale (FAI) festgelegt wurde, an Internationales Aufzeichnungsgremium für die Luftfahrt . Die Definition des Randes des Weltraums ist für rechtliche und regulatorische Zwecke wichtig, da Flugzeuge und Raumfahrzeuge unterschiedlichen Gerichtsbarkeiten unterliegen und unterschiedlichen Verträgen unterliegen. Das Völkerrecht definiert weder den Rand des Weltraums noch die Grenze des nationalen Luftraums.

Die FAI definiert die Kármán-Linie als Raum, der 100 Kilometer (54 Seemeilen; 62 Meilen; 330.000 Fuß) über dem mittleren Meeresspiegel der Erde beginnt . Diese Zahl liegt weit über der von einem herkömmlichen Flugzeug erreichbaren Höhe und liegt ungefähr dort, wo Satelliten selbst auf sehr exzentrischen Flugbahnen zerfallen, bevor sie eine einzelne Umlaufbahn beenden.

Während Experten sich nicht darüber einig sind, wo genau die Atmosphäre endet und der Weltraum beginnt, akzeptieren die meisten Aufsichtsbehörden (einschließlich der Vereinten Nationen) die Definition der FAI-Kármán-Linie oder etwas Ähnliches. Wie von der FAI definiert, wurde die Kármán-Linie in den 1960er Jahren gegründet. Verschiedene Länder und Einheiten definieren die Grenzen des Weltraums für verschiedene Zwecke unterschiedlich.

Die Kármán-Linie ist nach Theodore von Kármán (1881–1963) benannt, einem ungarisch-amerikanischen Ingenieur und Physiker , der in der Luft- und Raumfahrt tätig war . 1957 versuchte er als Erster, eine theoretische Höhengrenze für den Flugzeugflug zu berechnen.

Definition

Ein dunkelblau schattiertes Diagramm, das durch horizontale Linien unterteilt ist, mit den Namen der fünf atmosphärischen Regionen, die entlang der linken Seite angeordnet sind.  Von unten nach oben zeigt der Troposphärenabschnitt den Mount Everest und ein Flugzeugsymbol, die Stratosphäre einen Wetterballon, die Mesosphäre Meteore und die Thermosphäre eine Aurora und die Raumstation.  Oben zeigt die Exosphäre nur Sterne.
Die Kármán-Linie liegt in der unteren Thermosphäre (nicht maßstabsgetreu).

Die FAI verwendet den Begriff Kármán-Linie, um die Grenze zwischen Luft- und Raumfahrt zu definieren:

  • Luftfahrt : Für FAI-Zwecke Luftaktivitäten, einschließlich aller Luftsportarten, innerhalb von 100 km von der Erdoberfläche.
  • Raumfahrt : Für FAI-Zwecke Aktivitäten in mehr als 100 km Höhe über der Erdoberfläche.

Interpretationen der Definition

Die Ausdrücke „ Edge of Space “ oder „Near Space“ werden oft verwendet (z. B. von der FAI in einigen ihrer Veröffentlichungen), um sich auf eine Region unterhalb der Grenze des Weltraums zu beziehen, was oft wesentlich niedrigere Regionen umfassen soll sowie. Daher könnten bestimmte Ballon- oder Flugzeugflüge als "das Erreichen des Randes des Weltraums" beschrieben werden. In solchen Aussagen bezieht sich "das Erreichen des Randes des Weltraums" lediglich darauf, höher zu fliegen, als es durchschnittliche Luftfahrzeuge normalerweise tun würden.

Noch immer gibt es keine völkerrechtliche Definition der Abgrenzung zwischen dem Luftraum eines Landes und dem Weltraum. 1963 diskutierte Andrew G. Haley die Kármán-Linie in seinem Buch Space Law and Government . In einem Kapitel über die Grenzen nationaler Souveränität gab er einen Überblick über die Meinungen bedeutender Schriftsteller. Er wies auf die inhärente Ungenauigkeit der Linie hin:

Die Linie stellt eine Mittel- oder Medianmessung dar . Es ist vergleichbar mit den im Gesetz verwendeten Maßen wie mittlerer Meeresspiegel , Mäanderlinie , Tidenlinie ; aber es ist komplexer als diese. Beim Erreichen der Gerichtsbarkeitslinie von Kármán müssen unzählige Faktoren berücksichtigt werden – außer dem Faktor des aerodynamischen Auftriebs. Diese Faktoren wurden in einer sehr umfangreichen Literatur und von einer Vielzahl von Kommentatoren diskutiert. Dazu gehört die physikalische Konstitution der Luft ; die biologische und physiologische Lebensfähigkeit; und noch andere Faktoren, die sich logisch verbinden, um einen Punkt festzulegen, an dem keine Luft mehr existiert und an dem der Luftraum endet.

Kármáns Kommentare

Im letzten Kapitel seiner Autobiographie spricht Kármán die Frage nach den Rändern des Weltraums an :

Wo der Weltraum beginnt ... kann tatsächlich durch die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs und seine Höhe über der Erde bestimmt werden. Denken Sie zum Beispiel an den Rekordflug von Captain Iven Carl Kincheloe Jr. in einem X-2-Raketenflugzeug . Kincheloe flog 2000 Meilen pro Stunde (3.200 km / h) auf 126.000 Fuß (38.500 m) oder 24 Meilen hoch. Bei dieser Höhe und Geschwindigkeit trägt der aerodynamische Auftrieb immer noch 98 Prozent des Gewichts des Flugzeugs, und nur zwei Prozent werden von der Trägheit oder Kepler-Kraft getragen , wie Weltraumwissenschaftler es nennen. Aber bei 300.000 Fuß (91.440 m) oder 57 Meilen Höhe ist dieses Verhältnis umgekehrt, weil es keine Luft mehr gibt, die zum Auftrieb beitragen könnte: es herrscht nur noch Trägheit. Dies ist sicherlich eine physische Grenze, wo die Aerodynamik aufhört und die Raumfahrt beginnt, und deshalb dachte ich, warum sollte es nicht auch eine gerichtliche Grenze sein? Andrew G. Haley hat es die Kármán Jurisdictional Line genannt. Unterhalb dieser Linie gehört Platz zu jedem Land. Oberhalb dieser Ebene wäre freier Raum.

Technische Überlegungen

Eine Atmosphäre endet nicht abrupt in einer bestimmten Höhe, sondern wird mit zunehmender Höhe immer weniger dicht. Auch je nachdem, wie die verschiedenen Schichten, die den Raum um die Erde bilden, definiert sind (und je nachdem, ob diese Schichten als Teil der tatsächlichen Atmosphäre betrachtet werden), könnte die Definition des Randes des Weltraums erheblich variieren: Wenn man bedenkt Da Thermosphäre und Exosphäre Teil der Atmosphäre und nicht des Weltraums sind, muss man die Grenze des Weltraums möglicherweise auf mindestens 10.000 km (6.200 Meilen) über dem Meeresspiegel ausdehnen. Die Kármán-Linie ist daher eine weitgehend willkürliche Definition, die auf einigen technischen Überlegungen basiert.

Ein Flugzeug kann nur in der Luft bleiben, indem es sich relativ zur Luft (und nicht zum Boden) ständig vorwärts bewegt, sodass die Flügel aerodynamischen Auftrieb erzeugen können. Je dünner die Luft, desto schneller muss das Flugzeug fliegen, um genug Auftrieb zu erzeugen, um oben zu bleiben. Die bereitgestellte Auftriebsmenge (die dem Fahrzeuggewicht entsprechen muss, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten) wird durch die Auftriebsgleichung berechnet:

so dass

L ist die Auftriebskraft ,
ρ ist die Luftdichte ,
v ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs relativ zur Luft ,
S ist die Flügelfläche des Flugzeugs ,
C L ist der Auftriebskoeffizient .

Der erzeugte Auftrieb ( L ) ist direkt proportional zur Luftdichte ( ρ ). Ein Flugzeug behält die Höhe bei, wenn die Auftriebskraft dem Flugzeuggewicht entspricht, so dass

wo ist die Flugzeugmasse, ist die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft und ist die Abwärtskraft aufgrund der Schwerkraft (Gewicht). Wenn alle anderen Faktoren unverändert bleiben, muss die wahre Fluggeschwindigkeit ( v ) zunehmen, um die geringere Luftdichte in größeren Höhen zu kompensieren.

Bei sehr hohen Geschwindigkeiten trägt die Zentrifugalkraft (Keplerkraft) gegeben durch , wobei der Abstand zum Erdmittelpunkt ist, zur Aufrechterhaltung der Höhe bei. Dies ist die virtuelle Kraft, die Satelliten ohne aerodynamischen Auftrieb auf einer kreisförmigen Umlaufbahn hält. Ein Flugzeug kann die Höhe am äußeren Ende der Atmosphäre halten, wenn die Summe aus aerodynamischer Auftriebskraft und Zentrifugalkraft gleich dem Flugzeuggewicht ist.

Wenn die Höhe zunimmt und die Luftdichte abnimmt, steigt die Geschwindigkeit, um genügend aerodynamischen Auftrieb zu erzeugen, um das Flugzeuggewicht zu tragen, bis die Geschwindigkeit so hoch wird, dass der Beitrag der Zentrifugalkraft signifikant wird. In einer ausreichend großen Höhe wird die Zentrifugalkraft die Auftriebskraft dominieren und das Flugzeug würde effektiv zu einem umlaufenden Raumfahrzeug statt zu einem Flugzeug, das durch aerodynamischen Auftrieb unterstützt wird.

1956 präsentierte von Kármán ein Papier, in dem er die aerothermischen Grenzen des Fluges diskutierte. Je schneller Flugzeuge fliegen, desto mehr Wärme würden sie durch aerodynamische Erwärmung durch Reibung mit der Atmosphäre und adiabatische Prozesse erzeugen . Basierend auf dem aktuellen Stand der Technik berechnete er die Geschwindigkeiten und Höhen, bei denen ein Dauerflug möglich ist – schnell genug, dass genügend Auftrieb erzeugt wird und langsam genug, dass das Fahrzeug nicht überhitzt. Das Diagramm enthielt einen Wendepunkt bei etwa 275.000 Fuß (52,08 Meilen; 83,82 km), oberhalb dessen die Mindestgeschwindigkeit das Fahrzeug in die Umlaufbahn bringen würde .

Der Begriff "Kármán-Linie" wurde von Andrew G. Haley in einem Artikel von 1959 erfunden, der auf von Kármáns Artikel von 1956 basiert, aber Haley räumte ein, dass die Grenze von 275.000 Fuß (52,08 Meilen; 83,82 km) theoretisch war und sich ändern würde, wenn sich die Technologie verbesserte, wie Die Mindestgeschwindigkeit in von Kármáns Berechnungen basierte auf dem Verhältnis von Geschwindigkeit zu Gewicht aktueller Flugzeuge, nämlich der Bell X-2 , und die Höchstgeschwindigkeit basierend auf aktuellen Kühltechnologien und hitzebeständigen Materialien. Haley führte auch andere technische Überlegungen für diese Höhe an, da dies ungefähr die Höhengrenze für ein luftatmendes Strahltriebwerk auf der Grundlage der aktuellen Technologie war. In derselben Arbeit von 1959 bezeichnete Haley auch 295.000 Fuß (55,9 Meilen; 90 km) als "von Kármán-Linie", die die niedrigste Höhe war, in der freiradikalischer atomarer Sauerstoff auftrat.

Alternativen zur FAI-Definition

Atmosphärische Gase streuen blaue Wellenlängen des sichtbaren Lichts stärker als andere Wellenlängen und verleihen dem sichtbaren Rand der Erde einen blauen Halo. Der Mond ist hinter dem Halo zu sehen. In immer höheren Höhen wird die Atmosphäre so dünn, dass sie im Wesentlichen aufhört zu existieren. Allmählich verblasst der atmosphärische Heiligenschein in der Schwärze des Weltraums.

Die US-Streitkräfte definieren einen Astronauten als eine Person, die höher als 50 Meilen (80 km) über dem mittleren Meeresspiegel geflogen ist , was ungefähr der Linie zwischen der Mesosphäre und der Thermosphäre entspricht . Die NASA verwendete früher die 100-Kilometer (62-Meilen)-Zahl der FAI, obwohl diese 2005 geändert wurde, um jegliche Unstimmigkeiten zwischen Militärpersonal und Zivilisten, die im selben Fahrzeug fliegen, zu beseitigen, als drei erfahrene NASA-X-15-Piloten ( John B. McKay , William H. Dana und Joseph Albert Walker ) wurden rückwirkend (zwei posthum ) ihre Astronautenflügel verliehen , da sie in den 1960er Jahren zwischen 90 km (56 Meilen) und 108 km (67 Meilen) geflogen waren, damals aber noch nicht geflogen waren als Astronauten anerkannt. Die letztere Höhe, die von Walker zweimal erreicht wurde, übersteigt die moderne internationale Definition der Grenze des Weltraums.

Die Federal Aviation Administration der Vereinigten Staaten erkennt diese Linie auch als Weltraumgrenze an:

Suborbitaler Flug: Ein suborbitaler Raumflug tritt auf, wenn ein Raumschiff den Weltraum erreicht, aber seine Geschwindigkeit so hoch ist, dass es die Umlaufbahn nicht erreichen kann. Viele Menschen glauben, dass ein Raumfahrzeug eine Höhe von mehr als 100 Kilometern (62 Meilen) über dem Meeresspiegel erreichen muss, um in den Weltraum fliegen zu können.

Arbeiten von Jonathan McDowell (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) und Thomas Gangale (University of Nebraska-Lincoln) aus dem Jahr 2018 befürworten, dass die Abgrenzung des Weltraums bei 80 km (50 Meilen; 260.000 Fuß) liegen sollte, wobei sie als Beweis Kármáns Originalnotizen anführen und Berechnungen (die zu dem Schluss kamen, dass die Grenze 270.000 Fuß betragen sollte), Bestätigung, dass umlaufende Objekte mehrere Perigäume in Höhen von etwa 80 bis 90 km überleben können, plus funktionale, kulturelle, physikalische, technologische, mathematische und historische Faktoren. Genauer fasst das Papier zusammen:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die niedrigstmöglichen kreisförmigen Umlaufbahnen in der Größenordnung von 125 km Höhe liegen, aber elliptische Umlaufbahnen mit Perigäumen in 100 km Höhe können über lange Zeiträume überleben. Im Gegensatz dazu ist es sehr unwahrscheinlich, dass Erdsatelliten mit Perigäumen unter 80 km ihre nächste Umlaufbahn beenden. Es ist bemerkenswert, dass Meteore (die sich viel schneller fortbewegen) normalerweise im Höhenbereich von 70 bis 100 km zerfallen, was den Beweis verstärkt, dass dies die Region ist, in der die Atmosphäre wichtig wird.

Diese Ergebnisse veranlassten die FAI, vorzuschlagen, 2019 eine gemeinsame Konferenz mit der International Astronautical Federation (IAF) abzuhalten, um das Thema „vollständig zu untersuchen“.

Eine andere Definition, die in völkerrechtlichen Diskussionen vorgeschlagen wurde, definiert die untere Grenze des Weltraums als das niedrigste Perigäum, das von einem umlaufenden Raumfahrzeug erreichbar ist, gibt jedoch keine Höhe an. Dies ist die Definition des US-Militärs. Aufgrund des atmosphärischen Luftwiderstands beträgt die niedrigste Höhe, in der ein Objekt in einer kreisförmigen Umlaufbahn mindestens eine volle Umdrehung ohne Antrieb ausführen kann, etwa 150 km (93 Meilen), während ein Objekt eine elliptische Umlaufbahn mit einem Perigäum von nur etwa 130 km beibehalten kann (81 Meilen) ohne Antrieb. Die US-Regierung widersetzt sich Bemühungen, eine genaue regulatorische Grenze festzulegen.

Für andere Planeten

Während die Kármán-Linie nur für die Erde definiert ist, wäre sie, wenn sie für Mars und Venus berechnet würde, etwa 80 km (50 Meilen) bzw. 250 km (160 Meilen) hoch.

Siehe auch

  • Armstrong-Grenze  – Höhe, über der Wasser bei menschlicher Körpertemperatur siedet
  • Atmosphäre der Erde  – Gasschicht, die die Erde umgibt
    • Thermosphäre  – Schicht der Erdatmosphäre oberhalb der Mesosphäre und unterhalb der Exosphäre
    • Mesosphäre  – Schicht der Atmosphäre direkt über der Stratosphäre und unter der Thermosphäre
    • Stratosphäre  – Schicht der Atmosphäre über der Troposphäre
    • Troposphäre  – Unterste Schicht der Erdatmosphäre
  • Exosphäre  – Die äußerste Schicht einer Atmosphäre
  • Freier Molekularfluss  – Gasfluss mit einem großen mittleren freien Molekularweg
  • MW 18014  – 1944 deutscher V-2-Raketenteststart

Verweise

Externe Links