El límite superior de la atmósfera: la Línea de Kármán
Es muy difícil responder a la pregunta ¿hasta dónde llega la atmósfera terrestre?
No hay una frontera fija y discontinua entre la atmósfera y el espacio exterior.
La atmósfera se hace cada vez más fina y delgada hasta que desaparece. Pero hay un límite atmosférico que es fundamental para fines aeronáuticos. Es la Línea de Kármán.
La atmósfera no termina abruptamente a una altitud determinada y definida, sino que se hace cada vez más fina y más tenue con la altitud. Para algunos la atmósfera terrestre termina allá por donde se extienden las capas más externas de la Tierra: la termosfera y exosfera. Si fuera así el concepto de atmósfera llegaría hasta unos 10.000 kilómetros sobre el nivel del mar. Allí la densidad del aire es extremadamente baja.
Otra definición más exigente considera que termina allí donde la densidad de la atmósfera se vuelve tan baja que la velocidad de una aeronave para conseguir sustentación aerodinámica mediante alas y hélices debería ser equiparable a la velocidad orbital para esa misma altura, por lo que alcanzada esa altura por esos medios las alas ya no serían válidas para mantener la nave.
Así surge la llamada la Línea de Kármán, que como se verá es una definición arbitraria sobre la base de las consideraciones de tipo aeronáutico.
Se define la línea de Kármán como el límite entre atmósfera y espacio exterior, a efectos de aviación y astronáutica.
Esta definición es aceptada por la Federación Aeronáutica Internacional, que es una organización dedicada al establecimiento de estándares internacionales y reconocedora de los récords en aeronáutica y astronáutica. Su altitud es del orden de los 100 km, pero se usa los 122 km como referencia de línea de reentrada de sus naves espaciales.
Capas de la atmósfera
Su altura fue estimada en 100 km sobre el nivel del mar por Theodore von Kármán, calculando la altura a la que la densidad de la atmósfera se vuelve tan baja que la velocidad de una aeronave para conseguir sustentación aerodinámica mediante alas y hélices debería ser equiparable a la velocidad orbital para esa misma altura, por lo que alcanzada esa altura por esos medios las alas ya no serían válidas para mantener la nave.
Un avión sólo se sustenta si está constantemente desplazándose en el aire (la velocidad de desplazamiento en el aire no depende de la velocidad con respecto a tierra), de modo que las alas generan sustentación.
Cuanto más tenue sea el aire, más rápido tiene que ir el avión para generar sustentación suficiente para no caer; el coeficiente de sustentación de un ala para un determinado ángulo de ataque es conocido (o es estimado por diversos métodos).
Un objeto sólo permanece en órbita si el componente centrífugo de su aceleración es suficiente para compensar el tirón "hacia abajo" de la gravedad. Si la velocidad de desplazamiento horizontal disminuye, su componente centrífugo también lo hace, y la gravedad va a hacer que su altitud disminuya.
La velocidad requerida para ese equilibrio se llama velocidad orbital, y varía con la altura de la órbita. Para la Estación Espacial Internacional o un transbordador espacial en la órbita baja terrestre, la velocidad orbital es de alrededor de 27.000 kilómetros por hora. Para un avión que está tratando de volar más alto y más alto, el aire se va haciendo menos denso, y eso obliga al avión a aumentar la velocidad para crear sustentación suficiente.
La Línea de Kármán es un concepto primordialmente relativo a la altitud, y en consecuencia a la necesidad de desplazamiento a una cierta velocidad con el fin de obtener sustentación aerodinámica o, en todo caso, compensación del tirón gravitatorio.
En la práctica, estas consideraciones varían al aumentar el radio de la órbita, porque a mayor radio menor tirón gravitatorio, y mayor aceleración centrífuga para una misma velocidad lineal. Sin embargo, la definición de la línea Karman descuida este efecto debido a la velocidad orbital, de modo que sería suficiente para mantener cualquier altitud, independientemente de la densidad atmosférica.
Por tanto, la Línea de Kármán es la menor altitud en la que la velocidad orbital por sí sola puede proporcionar la suficiente compensación de la atracción gravitatoria, o, recíprocamente, la mayor altitud a la que el desplazamiento de un objeto hace que este obtenga sustentación de la atmósfera si supera cierta velocidad.
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