宇宙空間はどこから始まるのか?

本当に興味深い質問は、非常に簡単に尋ねられることがあります。 たとえば、宇宙空間はどこから始まるのでしょうか?

これは単純な質問のように思えます。 私たちは地球の表面に住んでおり、空気の毛布によって真空の宇宙から守られています。 しかし、私たちの惑星の大気は高度が上がるにつれて薄くなり、密度が低くなることがわかっています。 したがって、ある程度の高度では、空気が非常に希薄になり、実質的に宇宙にいるのと同じことになります。 それはどれくらい高いところですか？

問題は、「空間」という言葉が何を意味するかによって決まりますが、この言葉の定義は驚くほど難しいものです。 現在、一般に受け入れられている境界線は地表から 100 キロメートルですが、その値は数学的または物理的に厳密に定義されていません。 また、厳しいときは、 は 適用すると、「宇宙はここから始まる」境界線 80 km を使用するのがより適切な高さであることは間違いありません。

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その理由を理解するために、いくつかの基本から始めましょう。 空気は厳密に言えば流体、つまり流れることができるものです。 気体中の分子は自由に互いにすり抜けられるため、あらゆる容器を満たすために動き回ることができます。 ただし、地球のような惑星の場合、周囲に物理的な容器はなく、瓶や箱のような蓋もありません。 代わりに、重力と圧力が大気を封じ込める役割を果たします。

地球の大気は、明確に定義されたガスの層であると考えてください。 地表上の少量のガス (たとえば 1 立方センチメートル) は、その上にあるすべての立方センチメートルのガス (全部で 1 キログラム近く) の圧力を感じ、ガスが圧縮されて密度が高くなります。 上に行けば行くほど、上にあるガスが減り、上から押し下げられるため、周囲の気圧が低下します。

たとえば山頂では海面よりも空気の密度が低いのはこのためです。 エベレストなどの十分に高い山では、周囲の空気が呼吸できないほど薄いため、登山者は加圧空気を持ち込む必要があります。

空気の薄さは飛行機にとっても問題です。 それらは揚力によって飛行します。揚力は、翼の上に圧力の低い領域を作り出すことによって生成されます。 翼の下のより高い圧力が上向きに押し上げ、航空機を空に持ち上げます。 揚力の強さは、翼の形状、飛行機の速度、そして最も重要なのは周囲の空気の密度など、多くの要因によって決まります。 十分に高い高度では、飛行機を飛行させるのに必要な力を提供するのに十分な空気がありませんが、それは飛行機が飛行できる高度と同じです。

1950 年代後半、ハンガリーの博学者セオドア フォン カルマンは、当時の工学的限界を考慮して、空気対高度と航空機の速度によってどのくらいの揚力が生成されるかを計算しました。 航空機がより多くの揚力を生成する方法の 1 つは、より速く移動することですが、フォン カルマン氏は、高度約 84 km で奇妙な限界に達することを発見しました。その高度を超えて十分な揚力を生成するには、航空機は非常に速く移動する必要があります。燃え尽きるでしょう。 ガスを圧縮すると加熱され、その速度で発生する高温により航空機は燃える隕石に変わります。 歴史的な理由から、この限界は現在カルマン線と呼ばれています。

念のため言っておきますが、フォン・カルマンは宇宙の端が何であるかを特定しようとしたわけではありません。 彼は飛行機がどれくらいの高さまで飛行できるかを研究していました。 フォン・カルマンの研究から間もなく、天文学者のロバート・ジャストローは、（文字通り）トップダウンのアプローチをとり、衛星の軌道高さのおよその下限であるため、地球と宇宙の間の移行線として 160 km を受け入れることを提案しました。 何十年にもわたって他の多くの研究が異なる高度を推奨してきたが、100kmの制限（フォン・カルマンの当初の計算よりも高く、ジャストローの提案よりも低い）は、世界航空スポーツ連盟によって採用された後、現在では限りなく公式に近いものとなっている。航空および宇宙旅行の記録を証明するものです。

このアプローチにはメリットがあります。 この概念的な空域境界ゾーンの下では、航空機は揚力を生成するためにほぼ軌道速度で移動する必要があります。 物体を下に引っ張る重力と、その曲がりくねった軌道によって生じる外側への遠心力（地球の場合、秒速約 8 キロメートル）とが釣り合ったとき、物体は安定した軌道にあります。 これは、衛星が低すぎる場合に、猛烈な、さらには破壊的な加熱を生成するのに十分な速さです。 しかし、どのくらい低いのでしょうか？

天体物理学者で宇宙歴史家のジョナサン・マクダウェルは、この問題を長年研究しており、その結論を次の書籍に発表しました。 アクタ・アストロノーティカ。 (完全開示: マクダウェルは私の友人でもあります。)

宇宙飛行が境界線に関連する最も一般的な活動であることを考慮して、マクダウェルは衛星のさまざまな軌道の実行可能性を研究することによってその価値を確立しました。 たとえば、地球の周りの非常に低い円軌道では、衛星は常に大気の上縁にあります。 このような衛星は、継続的に感じる抗力を最小限に抑え、安定した軌道を維持するために、一定の高さ (マクダウェル氏の計算では約 125 km) 以上に留まる必要があります。

しかし、一部の衛星は楕円軌道上にあり、近地点 (最接近) で地球に向かって低く沈む可能性があります。 軌道力学により、この時期は衛星が最も速く移動するため、これらの下流域に留まることはありません。 それでも、繰り返される低高度の急降下による累積抗力により、衛星が空から落ちて燃え尽きる可能性があります。

マクダウェル氏は4万機以上の衛星を調べ、近地点が100km未満で、地球の周りを少なくとも2回転するまで生き残った衛星が50機あることを発見した。 これは、一般的な 100 キロメートルの境界線が高すぎる可能性があることを示しています。 彼は揚力、抗力、軌道の物理学の数学的分析を実行し、高度 80 km がすべてのデータによりよく適合すると結論付けました。

マクダウェル氏が計算した80キロメートルの限界は、地球の「適切な」大気の端とみなされる中間圏と呼ばれる大気層の最上部にも相当する。 しかし、熱圏と外気圏は中間圏をはるかに超えて到達しており、衛星は常にそれらの層を順調に周回しています。 そこの空気は幽霊のささやきよりも薄いですが、空気はまだ存在しており、測定可能であるため、これらの地域は地球のものと考えることができます。 延長された 多くの宇宙船を収容しているにもかかわらず、雰囲気が漂っています。

なぜこのようなことを心配する必要があるのでしょうか? 実際の懸念もいくつかあります。 国の空域はどこに止まりますか? 衛星が地球の表面の特定の区画の上空を通過するのを簡単に防ぐことはできず、法的な影響が生じる可能性があります。 さらに、航空機の飛行を管理する法律は、宇宙飛行を対象とする法律とは異なります。 どの時点で一方からもう一方に移行する必要がありますか? また、文民当局や軍当局などのさまざまな統治機関が、さまざまな高度に到達した旅行者に宇宙飛行士の「翼」を授与します。 これは、特に軍人と民間人が同じ飛行機に乗っていて、一方のグループには翼があり、もう一方のグループには翼がない場合に混乱を招く可能性があります。 空間の境界を決定するルールを標準化することは、混乱を防ぐのに役立ちます。

文字通りあいまいな境界とは何かについての普遍的で厳格な定義は不可能であるため、この議論はあるレベルでは意味論的です。 注目すべきことに、マクダウェルは、有効な普遍的な定義は存在しないと示唆しています。 全て コンテキスト; 空間の始まりに関する法的定義は、歴史家や技術者が使用するものとは異なる場合があります。 これは非常に実践的であり、惑星、色、生物学的性別といった科学の概念の多くが単一の単純な定義を無視しているという事実と一致しているように私には思われます。

結局のところ、地球の大気と「宇宙」は重なっており、空中のどこに線を引くかは状況に応じて決まると考えるのが最善かもしれません。 自然が、ある概念を別の概念から区別するための明確な境界を提供することは、たとえあったとしてもめったにありません。 コンテキストは重要であり、これは人類の多くの取り組みに適用すべき科学の教訓です。