¿Cuáles son las características de la atmósfera terrestre cerca de la línea de Karman y por qué?

Me pregunto: ¿cuál es la naturaleza de la atmósfera en y alrededor de la transición al espacio en la línea Karman?

No es difícil encontrar referencias usando términos como "en la atmósfera" y "fuera de la atmósfera" como si hubiera una frontera bastante clara. Por ejemplo, este artículo de spaceflight101.com sobre el problema de bajo rendimiento del propulsor para el lanzamiento Atlas V de la nave espacial Cygnus para OA-6 dice: "...Centaur mantuvo una actitud exaltada durante mucho más tiempo en la misión del martes solo para mantenerse fuera de la atmósfera." Esto dibuja la imagen en mi mente de una frontera bastante clara.

Obviamente, la atmósfera es gaseosa, por lo que no hay tensión superficial ni superficie; por lo tanto, el límite no puede ser tan nítido como estar "en el océano" y "fuera del océano", pero ¿es realmente una analogía bastante razonable? ¿Todos los gases más pesados ​​de la atmósfera tienden a acumularse de tal manera que existe un punto de corte bastante definido, por encima del cual la densidad cae precipitadamente? Por ejemplo, por debajo de la altitud X, la densidad atmosférica se aproxima mediante la función 1, mientras que por encima de la altitud X, la densidad se aproxima mediante la función 2.

Por otro lado, el artículo de Wikipedia sobre la línea de Karman establece claramente: "Una atmósfera no termina abruptamente a una altura determinada, sino que se vuelve progresivamente más delgada con la altitud". Nuevamente, obviamente, dado que es un gas y no hay tensión superficial, no hay una verdadera "superficie", pero para los propósitos de los vuelos espaciales, ¿hay algo relativamente parecido a esto? (¿Y es la línea de Karman una aproximación bastante cercana a donde sucedería esto?)

Respuestas (2)

No hay borde en absoluto, solo aire progresivamente más delgado. La línea de Kármán es un punto de referencia arbitrario, en el que un avión no puede producir suficiente sustentación para permanecer en el aire a menos de la velocidad orbital.

Hay diferentes capas de atmósfera con características emergentes algo diferentes, pero esas no cambian mucho el adelgazamiento progresivo general del aire con la altitud, y no tienen un gran efecto en el rendimiento de los cohetes que pasan.

A partir de esta imagen, puede ver que hay un pequeño codo en la curva de densidad a 80-90 km, pero tenga en cuenta la escala logarítmica a la izquierda: la densidad es prácticamente cero allí de todos modos.

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El uso de la distinción binaria de "en la atmósfera" y "fuera de la atmósfera" en la discusión de los lanzadores es informal. En un lanzador típico de dos etapas a la órbita, la primera etapa lo llevará desde el nivel del mar hasta una gran altura; esto tiene efectos significativos, por lo que decimos que el escenario debe estar "diseñado para volar en la atmósfera". Es posible que el diseño del escenario superior no pueda ignorar la atmósfera por completo, pero hará la mayor parte de su trabajo con una presión de microbares o menos, por lo que decimos que está "diseñado para volar fuera de la atmósfera". El cohete en su conjunto pasará solo unos minutos en la transición.

¡Gracias! Entonces, parece que hasta el rango de 80-90 km, la densidad de masa está disminuyendo exponencialmente y, en ese punto, cambia a otra cosa. Mirando más hacia arriba, parece estar cerca de la mesopausia (el límite entre la mesosfera y la termosfera) y la turbopausa (el punto por debajo del cual la turbulencia mezcla continuamente la atmósfera, lo que da como resultado una mezcla relativamente constante de N2 y O2).
Diría que todavía está disminuyendo exponencialmente, pero con un exponente diferente. ;)
@orulz: Si bien se pueden observar algunas propiedades cambiantes de la atmósfera, el concepto de Karman Line se deriva de la aviación, según el primer párrafo de Russel, ya que el peso del avión en vuelo se compensa con la sustentación aerodinámica + la fuerza centrífuga, ambas proporcionales a la velocidad (pero solo levante a la densidad del aire), a esa altitud, la densidad del aire cae hasta el punto en que la fuerza centrífuga comenzaría a representar el 100% de la fuerza que contrarresta el peso.

Contrariamente a la respuesta de Russell Borogove, hay algo muy significativo en la línea Kármán. Esto es más o menos donde el mínimo superior (y más significativo) que separa aproximadamente la mesosfera de la termosfera (la mesopausa), y no sin coincidencia, la superficie que distingue si la mezcla turbulenta o la difusión molecular es el proceso atmosférico dominante (la turbopausa) , y también no sin coincidencia, donde la temperatura una vez más comienza a aumentar con el aumento de la altitud.

Si bien la marca de 100 km es un poco arbitraria, ese límite quizás borroso no lo es. Ciertamente puedes ver ese límite en el gráfico de temperatura en la respuesta de Russell Borogove. Su gráfico muestra un marcado cambio de temperatura a una altitud de 90 km. (El lugar donde esto ocurre varía según la época del año, la latitud y el autor del artículo).

Los cambios en el gradiente de temperatura y en el comportamiento atmosférico tienen un marcado impacto en los vehículos de órbita baja. Básicamente, un vehículo orbita por encima de esta línea. (Tal vez no por mucho tiempo, pero está en órbita). Debajo, está entrando en la atmósfera. El aumento exponencial de la presión significa que la resistencia domina repentinamente sobre la gravitación en algún lugar cerca de este punto.

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