Linea di Kármán: differenze tra le versioni

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[[File:Atmosphere layers-it.svg|right|170 pxupright|thumb|&nbsp;Strati dell'atmosfera<ref>[{{Cita web|url=http://www.srh.noaa.gov/srh/jetstream/atmos/layers.htm |titolo=NWS JetStream - Layers of the Atmosphere<!-- Titolo generato automaticamente -->]|lingua=en}}</ref> <br /> &nbsp;''(non in scala).'']]

La '''linea di Kármán''' è una linea immaginaria posta a un'altezza di {{M|100|ul=km}} ({{M|330000|ul=ft}}) sopra il [[livello del mare]] che segna convenzionalmente il confine tra l'[[atmosfera terrestre]] e lo [[Spazio (astronomia)#Spazio interno e spazio esterno|spazio esterno]]. La definizione di questo confine è accettata dalla [[Fédération Aéronautique Internationale]] (FAI), un organo di standardizzazione internazionale e un ente certificatore per i record aeronautici e astronautici.<ref name=":0">{{Cita web|url=https://www.fai.org/page/icare-boundary|titolo=100km altitudine boundary for astronautics|autore=Dr. S. Sanz Fernández de Córdoba|editore=[[Fédération Aéronautique Internationale]]|data=21 giugno 2004|accesso=10 luglio 2018}}</ref>

La '''linea di Kármán''' si trova 100 km sopra il [[livello del mare]] e segna il confine convenzionale tra l'[[atmosfera terrestre]] e lo [[Spazio (astronomia)|spazio esterno]].

La linea prende il nome da [[Theodore von Kármán]], un ingegnere e fisico ungaro-americano che lavorò principalmente nei campi dell'[[aeronautica]] e dell'[[astronautica]]. È stata la prima persona a calcolare che l'atmosfera a queste [[Altitudine|altitudini]] diventa troppo rarefatta per poter permettere il [[volo]] tramite sostentamento dell'aria, in quanto un [[velivolo]] dovrebbe viaggiare a una velocità superiore alla [[velocità orbitale]] al fine di ottenere sufficiente spinta [[aerodinamica]], ovvero [[portanza]]. La linea giace approssimativamente in corrispondenza della [[turbopausa]], al di sopra della quale i gas atmosferici non sono più ben miscelati tra loro e tendono a stratificarsi in base alla loro densità.

L'atmosfera terrestre non termina a tale quota, che colloca nella [[termosfera]], ma tale linea di demarcazione viene accettata per gli scopi pratici dalla [[Fédération Aéronautique Internationale]] (FAI). La FAI definisce ''[[aeronautica|aeronautico]]'' un volo effettuato fino alla linea di Kármán, e ''[[astronautica|astronautico]]'' un volo oltre tale linea.<ref>[http://www.fai.org FAI]</ref>

== Il commento di Kármán ==

Prende il nome dal fisico e ingegnere ungherese naturalizzato statunitense [[Theodore von Kármán]]. Egli calcolò che alla quota di circa 100 km la densità dell'atmosfera diventa troppo bassa per scopi aeronautici, in quanto a tale altezza un velivolo dovrebbe avere una velocità superiore alla [[velocità orbitale]] per potersi sostenere in volo.<ref name=OLeary>{{Cita libro

Nel capitolo finale della sua autobiografia, Kármán scrive un commento riguardo alla questione sul confine tra atmosfera e spazio, dall'originale:

| nome=Beth Laura | cognome=O'Leary | anno=2009

| titolo=Handbook of space engineering, archaeology, and heritage

{{citazione|Dove comincia lo spazio può essere determinato dalla velocità di un veicolo spaziale e la sua altitudine sopra la Terra. Considerate, per esempio, il volo da record del capitano [[Iven Carl Kincheloe Jr.]] a bordo di un aereo sperimentale [[Bell X-2|X-2]]. Kincheloe volò a 2&nbsp;000 miglia all'ora (3&nbsp;200 km/h) a un'altezza di {{M|126000|u=ft}} ({{M|38500|u=m}}) o 24 miglia. A questa altitudine e velocità, la portanza aerodinamica supporta ancora il 98 per cento del [[Forza peso|peso]] dell'aereo, e solo il due per cento è supportato dalla [[forza centrifuga]], detta anche forza di [[Giovanni Keplero|Keplero]], come gli scienziati dello spazio la chiamano. Ma a 300&nbsp;000 ft (91&nbsp;440 m) o 57 miglia di altitudine, questa relazione è invertita in quanto non c'è più aria a generare portanza: prevale solo la forza centrifuga. Questo è certamente un confine fisico, dove l'aerodinamica si ferma e l'astronautica comincia, e quindi ho pensato perché non potesse diventare un confine giuridico? Haley l'ha gentilmente chiamato la Linea Giurisdizionale di Kármán. Sotto questa linea lo spazio appartiene a ciascuna nazione. Sopra questo livello ci sarà solo spazio libero.|<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|nome=Theodore|cognome=von Kármán|data=1967|titolo=The Wind and Beyond|p=343|nome2=Lee|cognome2=Edison}}</ref>|Where space begins can actually be determined by the speed of the space vehicle and its altitude above the earth. Consider, for instance, the record flight of Captain Iven Carl Kincheloe Jr. in an X-2 rocket plane. Kincheloe flew 2000 miles per hour (3,200 km/h) at 126,000 feet (38,500 m), or 24 miles up. At this altitude and speed, aerodynamic lift still carries 98 per cent of the weight of the plane, and only two per cent is carried by centrifugal force, or Kepler Force, as space scientists call it. But at 300,000 feet (91,440 m) or 57 miles up, this relationship is reversed because there is no longer any air to contribute lift: only centrifugal force prevails. This is certainly a physical boundary, where aerodynamics stops and astronautics begins, and so I thought why should it not also be a jurisdictional boundary? Haley has kindly called it the Kármán Jurisdictional Line. Below this line space belongs to each country. Above this level there would be free space.|lingua=en}}

|serie=Advances in engineering | pagine=84

|curatori=Ann Garrison Darrin

| editore=CRC Press | url=http://books.google.com/books?id=dTwIDun4MroC&pg=PA84 | isbn=1-4200-8431-3}}</ref> Inoltre a tale quota la radiazione solare provoca un improvviso aumento della temperatura e altre modifiche sostanziali alla composizione dell'atmosfera.

==Definizione==

L'atmosfera di un pianeta non finisce bruscamente a una certa altezza, bensì diventa progressivamente sempre più rarefatta e dispersa allontanandosi dalla superficie del corpo celeste. Inoltre, in base a come i vari strati che formano lo spazio intorno alla Terra sono definiti, e al fatto se questi strati vengano considerati parte o meno dell'atmosfera stessa, la definizione di confine tra atmosfera e spazio può variare considerevolmente: se si vogliono considerare, ad esempio, la [[termosfera]] e l'[[esosfera]] come parte dell'atmosfera e non dello spazio, allora il confine deve essere spostato a un'altezza di almeno {{M|10000|u=km}} sopra il livello del mare. La linea di Kármán è quindi una definizione arbitraria basata su una serie di considerazioni fisiche e pratiche (queste ultime dal punto di vista della tecnologia utilizzata).

Nel corso dei suoi studi di [[aeronautica]] e [[astronautica]] negli [[anni 1950]], Kármán calcolò che al di sopra di un'altitudine di circa 100 km un veicolo dovrebbe volare più velocemente della [[velocità orbitale]] per sviluppare una [[portanza]] sufficiente a sostenerlo.<ref name=OLeary/> A questa quota la pressione atmosferica media è di {{nowrap|3,2 × 10⁻² }}[[Pascal (unità di misura)|Pa]] e la densità di {{nowrap|5,6 × 10⁻⁷ kg m⁻³}}.<ref name=squire2000>{{Cita pubblicazione

| nome=Tom | cognome=Squire | data=27 settembre 2000

| titolo=U.S. Standard Atmosphere, 1976 | editore=NASA

| work=Thermal Protection Systems Expert and Material Properties Database

| url=http://tpsx.arc.nasa.gov/cgi-perl/alt.pl | accesso=23 ottobre 2011 }}</ref>

=== Portanza ===

Pur non essendo l'altezza calcolata da von Kármán esattamente di 100 km, egli propose tale valore arrotondato sia perché più facilmente memorizzabile, sia perché il valore esatto dipende da diversi parametri e varia leggermente in funzione di questi. Un comitato internazionale raccomandò al FAI l'adozione del limite dei 100 km, e dopo la sua formale approvazione, esso divenne un limite ampiamente accettato per definire il confine dello spazio in molte applicazioni.<ref>{{Cita web|titolo=Schneider walks the Walk [A word about the definition of space]|data=21 ottobre 2005|url=http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/X-Press/stories/2005/102105_Schneider.html|editore=''[[NASA]]''|accesso=29 aprile 2008}}</ref>

Un [[Aeroplano|aereo]] riesce a rimanere in volo a mezz'aria solamente se viaggia costantemente in avanti relativamente all'aria che lo circonda (la [[Velocità reale|velocità in aria]] non dipende infatti dalla [[Velocità al suolo|velocità rispetto al suolo]]), in maniera tale che le [[Ala (aeronautica)|ali]] possano generare [[portanza]]. Man mano che l'aria diventa più rarefatta, l'aereo deve compensare ciò aumentando la propria velocità al fine di mantenere la portanza necessaria a rimanere in volo.

La quantità di portanza necessaria al sostentamento dell'aereo, in ogni istante, può essere calcolata tramite l'equazione seguente:<ref>{{Cita web|url = https://www.wolframalpha.com/input/?i=lift+force+equation|titolo = Lift Coefficient|accesso= 10 luglio 2018|sito= Wolfram Alpha Computational Knowledge Engine|editore= Wolfram Alpha LLC}}</ref><ref>{{Cita web|url = https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/lifteq.html|titolo=The Lift Equation|data=12 giugno 2014|accesso=10 luglio 2018|sito=Glenn Research Center|editore=[[NASA|National Aeronautics and Space Administration]]|curatore=Benson}}</ref>

Tuttavia non c'è ancora una definizione legale internazionalmente accettata per la demarcazione tra lo spazio aereo di un paese e lo spazio esterno.<ref>[http://books.google.com/books?id=NR7mFXCB-wgC&pg=PA239&lpg=PA239&dq=legal+boundary+of+space&source=web&ots=Q56qiINocX&sig=bP5Ye5YBYytJpikkfp-lUznLJUk&hl=en ''International Law: A Dictionary''], by Boleslaw Adam Boczek; Scarecrow Press, 2005; page 239: ''<<The issue whether it is possible or useful to establish a legal boundary between airspace and outer space has been debated in the doctrine for quite a long time. . . . no agreement exists on a fixed airspace - outer space boundary . . .>>''.</ref>

<math>L=\frac{1}{2}c_L\rho\upsilon^2S</math>

dove

* L è la portanza

* ρ è la [[densità dell'aria]]

* ν è la velocità relativa all'aria

* S è la [[superficie alare]]

* c_L è il [[Portanza|coefficiente di portanza]]<ref>{{Cita web|url=https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/liftco.html|titolo=The Lift Coefficient|autore=[[Glenn Research Center]]|accesso=10 luglio 2018}}</ref>

Come si può vedere, la portanza L è direttamente proporzionale alla densità dell'aria ρ e alla velocità relativa all'aria ν; tutti gli altri fattori sono costanti (S e c_L). All'aumentare dell'altitudine la densità diminuisce e quindi è necessario aumentare la velocità dell'aereo al fine di mantenere costante la portanza.

=== Velocità orbitale ===

Un [[veicolo spaziale]] può rimanere in [[orbita]] nello spazio solo se la sua [[Forza centrifuga|componente centrifuga]] del movimento intorno alla Terra è sufficiente a bilanciare la [[Interazione gravitazionale|forza gravità]] che la attira verso il basso. Se questa rallenta, l'attrazione gravitazionale farà gradualmente abbassare la sua [[altitudine]]. La velocità che permette alla navicella di rimanere in orbita viene detta [[velocità orbitale]], e varia al variare dell'altezza dell'orbita. La [[Stazione spaziale internazionale]], in [[Orbita terrestre bassa|orbita bassa]] attorno alla Terra, possiede una velocità orbitale di circa {{M|27000|u=km/h}}, ovvero {{M|7,5|u=km/s}}.

=== L'inizio dello spazio esterno ===

Per un aereo che vola sempre più in alto, la rarefazione sempre maggiore dell'aria produce sempre meno portanza, richiedendo quindi sempre maggiore velocità per generare sufficiente spinta aerodinamica per mantenere il velivolo in aria. Proseguendo nella salita, l'aereo raggiungerà a un certo momento un'altitudine tale che dovrà volare talmente veloce da raggiungere la velocità orbitale. La linea di Kármán è proprio l'altitudine dove la velocità necessaria per supportare aerodinamicamente il peso dell'aereo equivale alla velocità orbitale. In pratica, non è più necessario supportare l'intero peso dell'aereo tramite la portanza (e quindi una spinta aerodinamica generata dall'aria) per mantenere l'altitudine in quanto la curvatura stessa della Terra (che diventa significativa a quelle altezze) aggiunge una spinta centrifuga quando l'aereo raggiunge la velocità orbitale.<ref>{{cita pubblicazione|url=https://books.google.it/books?id=dTwIDun4MroC&pg=PA84&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false|titolo=Handbook of Space Engineering, Archaeology, and Heritage|autore=Ann Darrin, Beth L. O'Leary|anno=2009|p=84|editore=CRC Press|isbn= 1-4200-8431-3|accesso=10 luglio 2018}}</ref>

Sopra i {{M|100|u=km}}, la densità dell'aria è circa 1/{{M|2200000}} la densità della superficie.<ref>{{cita web|url=https://tpsx.arc.nasa.gov/cgi-perl/alt.pl|titolo=Thermal Protection Systems Expert and

Material Properties Database|accesso=10 luglio 2018|dataarchivio=22 marzo 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20190322195145/https://tpsx.arc.nasa.gov/cgi-perl/alt.pl|urlmorto=sì}}</ref> All'altezza della linea di Kármán, la densità dell'aria ρ è talmente piccola che, per mantenere la portanza:

<math>L=\frac{1}{2}c_L\rho\upsilon_0^2S=mg</math>

dove

* ν₀ è la velocità orbitale alla medesima altitudine nel [[Vuoto (fisica)|vuoto]]

* m è la massa dell'aereo

* g è l'[[Accelerazione di gravità|accelerazione gravitazionale]] a quell'altezza (in base alla [[legge di gravitazione universale]])

Nonostante il valore calcolato per la linea non sia esattamente 100&nbsp;km, Kármán propose di designare proprio un'altezza di {{M|100|u=km}} come confine con lo spazio perché il numero intero è più semplice da ricordare; inoltre bisogna tenere in considerazione che l'altezza varia leggermente in base alla variazione di certi parametri. Un comitato internazionale raccomandò la linea dei {{M|100|u=km}} alla [[Fédération Aéronautique Internationale|FAI]] e, dopo l'adozione, divenne largamente accettata come confine tra l'atmosfera e lo spazio esterno per molti scopi. Tuttavia, non c'è ancora nessuna definizione legale internazionale che definisce in maniera univoca e incontrovertibile la demarcazione tra lo [[spazio aereo]] di una nazione e lo spazio esterno (regolato dal [[trattato sullo spazio extra-atmosferico]] dell'[[Organizzazione delle Nazioni Unite|ONU]]).<ref>{{Cita pubblicazione|url=http://www.unoosa.org/documents/pdf/copuos/stsc/2016/tech-06E.pdf|titolo=International Space Governance|autore=Tommaso Sgobba – IAASS Executive Director|editore=[[International Association for Advanced Space Safety]]|p=3|data=16 febbraio 2016|accesso=10 luglio 2018}}</ref><ref>{{Cita libro|autore=Boleslaw Adam Boczek|titolo=International Law: A Dictionary|url=https://archive.org/details/internationallib00stue|annooriginale=2005|editore=Scarecrow Press|p=[https://archive.org/details/internationallib00stue/page/239 239]|citazione=The issue whether it is possible or useful to establish a legal boundary between airspace and outer space has been debated in the doctrine for quite a long time. . . No agreement exists on a fixed airspace – outer space boundary . . .}}</ref>

Un altro problema nell'identificare con precisione l'inizio dello spazio è la natura dinamica dell'atmosfera terrestre. Ad esempio, a un'altitudine di 1&nbsp;000&nbsp;km, la densità dell'atmosfera può variare di cinque volte in base al periodo della giornata e dell'anno, all'attività della [[ionosfera]] e al [[vento solare]].

La FAI utilizza la linea di Kármán per definire la separazione tra aeronautica e astronautica:<ref>{{Cita pubblicazione|url=https://www.fai.org/sites/default/files/documents/fai_sporting_code_gs_2018_final.pdf|titolo=FAI Sporting Code - General Section|p=15|data=1º gennaio 2018|accesso=10 luglio 2018}}</ref>

* [[Aeronautica]] - per gli scopi della FAI, ovvero le attività aeree, inclusi tutti gli sport aerei, entro i 100 chilometri dalla superficie della Terra.

* [[Astronautica]] - per gli scopi della FAI, tutte quelle attività effettuate oltre i 100 chilometri sopra la superficie terrestre.

== Alternative alla definizione ==

La [[United States Air Force|U.S. Air Force]] definisce [[astronauta]] una persona che ha volato più di 50 miglia (circa 80&nbsp;km) [[Livello del mare|sopra il livello del mare]], approssimativamente quindi all'altezza della linea di separazione tra [[Mesosfera (atmosfera)|mesosfera]] e [[termosfera]]. La [[NASA]] utilizza il confine dei 100&nbsp;km definito dalla FAI. Gli [[Stati Uniti d'America|Stati Uniti]] non definiscono ufficialmente un confine dello spazio.

Nel 2005, tre piloti veterani di [[North American X-15|X-15]] della NASA ([[John B. McKay]], [[William H. Dana]] e [[Joseph Albert Walker]]) sono stati retroattivamente (due postumi) riconosciuti come astronauti e premiati con le ''astronaut wings'', in quanto hanno volato tra i 90 e i 108 chilometri negli anni 1960; all'epoca non furono riconosciuti come tali.<ref>{{Cita web|url=https://www.nasa.gov/centers/dryden/news/X-Press/stories/2005/102105_Schneider.html|titolo=A word about the definition of space|cognome=Jenkins|nome=Dennis|data=21 ottobre 2005|accesso=7 novembre 2018|dataarchivio=30 giugno 2017|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20170630075330/https://www.nasa.gov/centers/dryden/news/X-Press/stories/2005/102105_Schneider.html|urlmorto=sì}}</ref>

Un'altra definizione proposta nelle discussioni di legge internazionale definisce il confine tra l'atmosfera e lo spazio come il più basso [[Apside#Apsidi della Terra|perigeo]] ottenibile da un veicolo spaziale orbitante la Terra, senza però specificare alcuna altitudine. A causa dell'[[Resistenza fluidodinamica|attrito atmosferico]], la più bassa altitudine alla quale un oggetto in [[orbita circolare]] può completare almeno una [[Moto di rivoluzione|rivoluzione]] completa senza propulsione è di circa 150&nbsp;km, mentre lo stesso oggetto può mantenere un'[[orbita ellittica]] con un perigeo basso fino a circa 130&nbsp;km senza propulsione.<ref>{{Cita libro|autore=Boleslaw Adam Boczek|titolo=International Law: A Dictionary|url=https://archive.org/details/internationallib00stue|annooriginale=2005|editore=Scarecrow Press|p=[https://archive.org/details/internationallib00stue/page/239 239]|citazione=Proposal concerning the upper limit of national airspace are base on various scientific and technological criteria. . .the lowest safe altitude for orbiting artificial satellites (about 100km).}}</ref> Si tenga conto che ad altitudini superiori approssimativamente a 160&nbsp;km il cielo è completamente nero.

[[File:Top of Atmosphere.jpg|thumb|center|upright=2.6|I gas atmosferici diffondono le [[Lunghezza d'onda|lunghezze d'onda]] corrispondenti alla luce blu nel [[Spettro visibile|campo del visibile]] molto più delle lunghezze corrispondenti agli altri colori, dando quindi al bordo visibile della Terra un alone blu. La [[Luna]] si vede dietro questo alone. Ad altitudini sempre più elevate, l'atmosfera diventa così rarefatta che essenzialmente cessa di esistere; gradualmente, poi, l'alone atmosferico svanisce nell'oscurità dello spazio.]]

==Note==

<references/>

==Voci correlate==

[[Categoria:Geofisica]]

*[[Categoria:Atmosfera]]

*[[Atmosfera terrestre]]

[[Categoria:Aerospazio]]

**[[Mesosfera (atmosfera)]]

**[[Termosfera]]

**[[Ionosfera]]

**[[Esosfera]]

*[[Spazio (astronomia)|Spazio]]

==Collegamenti esterni==

*[http://www.fxsolver.com/browse/formulas/Karman+line+%28lift+force%29 Kármán line calculator] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180711093719/https://www.fxsolver.com/browse/formulas/Karman+line+%28lift+force%29 |data=11 luglio 2018 }}

*[https://www.nesdis.noaa.gov/content/where-space Where is space? - NOAA]

*[https://www.nesdis.noaa.gov/content/peeling-back-layers-atmosphere The layers of the atmosphere - NOAA]

{{Virgin Galactic}}

{{Portale|astronautica|aviazione|fisica}}

[[Categoria:Scienza dell'atmosfera]]

[[Categoria:AerospazioAstronautica]]

[[Categoria:GeofisicaAviazione]]