飛向宇宙,浩瀚無垠!太空跟地球的界線到底在哪?

  • 林傑│有點反骨的人類。談談科學,再談談文學。

「飛向宇宙,浩瀚無垠!」(To Infinity… and Beyond.)——作為玩具總動員主角之一的巴斯光年,他乘載許多孩子成為太空人的夢想。

「飛向宇宙,浩瀚無垠!」圖/imdb

隨著科技的發展,這些年來,飛上太空變得容易許多,人們不需要先成為某個領域的專家,再經過艱苦的訓練選拔才有機會坐上太空梭。

現今,飛上太空根據不同的公司有不同的明碼標價,當然,所需要的金錢是名符其實的「天文」數字。但是「飛上太空」的標準究竟是什麼?想像一下,當你花費全身家產,飛上太空後,卻發現自己沒到達太空,這是多麼令人尷尬。

花錢進行太空旅行,你可能成為沒上太空的太空人。

根據美國空軍定義,太空人是曾經在海拔 80 公里以上飛行的人,並授予他們太空人之翼勳章(Astronaut Wings)。(除了一般太空人外,許多戰機飛行員也獲得此勳章。)

太空人之翼勳章。圖/wikimedia

但根據國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale)所承認的大氣層和太空的界線,海拔 100 公里為外太空的起始線。

事實上,太空的起始點在國際間沒有一致的定義,從海拔 30 公里、80 公里、100 公里甚至是 150 萬公里都有人討論過。現今,最被人廣為接受的是國際航空聯盟所承認的界線:卡門線(Kármán line),它一般被認為位於海拔 100 公里。

全世界最昂貴的界線:卡門線

為了紀念知名航空動力學家及航空學家西奧多·馮·卡門(Theodore von Kármán),太空與大氣層的交界被命名為卡門線,一般被認為位於海拔 100 公里。

大氣層內的飛行器主要倚靠空氣動力飛行。圖/wikimedia

卡門線的判定,主要著眼於從科學的角度來看,「大氣層」與「太空」中的飛行器所使用的飛行動力來源是不同的。

在大氣層內的飛行器主要倚靠空氣動力,如:熱氣球、大型客機等。然而,隨著海拔高度逐漸上升,空氣變得越來越稀薄,漸漸無法提供足夠的動力,到了特定高度後,太空中的人造衛星變得依靠地球引力進行飛行。

我有異議,太空並沒有那麼高

任職於哈佛-史密森尼天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的 Jonathan C. McDowell 對此提出不同的看法,根據數十年來的數據及理論計算,他認為卡門線應該從海拔 100 公里下修到 80 公里。

圖/wikimedia

首先,卡門線的定義為位於高度之上時,飛行器所受的軌道引力高過於空氣上升力。但這個定義過於粗糙,不同的飛行器並不適用同一個卡門線高度,而飛行環境也是個巨大變數。

當考慮到飛行器本身的密度及環境的空氣密度時,則必須要用有效卡門線(Effective Kármán line)來描述。而空氣密度會受到地球經緯度以及太陽照射所影響。

McDowell 以理論模型進行計算,加入經緯度以及太陽照射等參數,得出大部分飛行器及衛星的有效卡門線位於海拔 70~90 公里,而非現今 100 公里的卡門線。

太空中飛行器依靠地球引力進行飛行。圖/pixabay

證據顯示,他是對的。

McDowell收集了 4 萬 3000 顆衛星軌道路徑,這一些衛星在墜毀前,曾在地球衛星軌道繞行兩圈以上,這軌道的最低高度位在海拔 66~88 公里,這與他的理論計算結果驚人地相近。

除了理論計算與衛星軌道的紀錄涵蓋海拔 80 公里外,這個高度也是中氣層與增溫層的交界,這時的溫度與大氣成分產生劇烈變化,因此 McDowell 認為太空的最低界線應訂為海拔 80 公里。

卡門線的高度影響到誰

對於太空研究,這條線存不存在似乎都無傷大雅。然而,當牽涉到領空與國家主權時便非同小可。國際法上並未明確定義太空的領空,因此以間諜衛星收集敵國的情報資訊在法理上並未侵犯領空。(這也是為何美軍能夠多次透過衛星發現北韓的飛彈基地。)

即使各國太空計畫蓬勃進行加上太空旅行的「普及化」,到目前為止,大部分國家仍拒絕有個太空邊界與共同的太空法。這就像是個燙手山芋般,裡頭牽扯的政治利益太過於龐大複雜,各國政府都不願正視。一旦太空旅行如同航空飛行一樣普及時,衛星與太空船的航線會如同現今飛機航線一樣緊密,勢必需要有法律及相關機構統一管理。

最後,到底太空的邊界要定在何處?至今仍眾說紛紜。

參考資料:

  1. Jonathan C. McDowell, The edge of space: Revisiting the Karman Line, Acta Astronautica, Volume 151, 668-677.
  2. Outer space may have just gotten a bit closer
  3. Where, exactly, is the edge of space? It depends on who you ask.

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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