Was sind die Eigenschaften der Erdatmosphäre in der Nähe der Karman-Linie und warum?

Ich frage mich - was ist die Natur der Atmosphäre in und um den Übergang zum Weltraum an der Karman-Linie?

Es ist nicht schwierig, mit Begriffen wie „in der Atmosphäre“ und „außerhalb der Atmosphäre“ Referenzen zu finden, als gäbe es eine ziemlich klare Grenze. Zum Beispiel heißt es in diesem Artikel von spaceflight101.com über das Problem der Booster-Minderleistung für den Atlas-V-Start des Cygnus-Raumschiffs für OA-6: „…Centaur hatte bei der Mission am Dienstag viel länger eine aufgerichtete Haltung, nur um sich rauszuhalten Atmosphäre." Das zeichnet für mich das Bild einer ziemlich klaren Grenze.

Offensichtlich ist die Atmosphäre gasförmig, also gibt es keine Oberflächenspannung und keine Oberfläche – daher kann die Grenze nicht so scharf sein wie „im Ozean“ und „außerhalb des Ozeans“ – aber ist das tatsächlich eine ziemlich vernünftige Analogie? Neigen alle schwereren Gase in der Atmosphäre dazu, sich so zu sammeln, dass es einen ziemlich scharfen Grenzwert gibt, über dem die Dichte steil abfällt? Beispielsweise wird unterhalb der Höhe X die atmosphärische Dichte durch Funktion 1 angenähert, während oberhalb der Höhe X die Dichte durch Funktion 2 angenähert wird.

Andererseits heißt es in dem Wikipedia-Artikel über die Karman-Linie eindeutig: "Eine Atmosphäre endet nicht abrupt in einer bestimmten Höhe, sondern wird mit zunehmender Höhe immer dünner." Da es sich offensichtlich um ein Gas handelt und es keine Oberflächenspannung gibt, gibt es keine echte "Oberfläche" - aber gibt es für die Zwecke der Raumfahrt etwas, das dem relativ nahe kommt? (Und ist die Karman-Linie eine ziemlich genaue Annäherung an den Ort, an dem dies passieren würde?)

Antworten (2)

Es gibt überhaupt keine Grenze, nur immer dünner werdende Luft. Die Kármán-Linie ist ein willkürlicher Referenzpunkt, an dem ein Flugzeug nicht genug Auftrieb erzeugen kann, um mit weniger als Umlaufgeschwindigkeit in der Luft zu bleiben.

Es gibt verschiedene Atmosphärenschichten mit etwas unterschiedlichen Austrittseigenschaften, aber diese ändern die allgemeine fortschreitende Verdünnung der Luft mit der Höhe nicht wesentlich und haben keinen großen Einfluss auf die Leistung der vorbeifliegenden Raketen.

Auf diesem Bild können Sie sehen, dass die Dichtekurve bei 80-90 km ein kleines Knie hat, aber beachten Sie die logarithmische Skala auf der linken Seite: Die Dichte ist dort sowieso praktisch null.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Verwendung der binären Unterscheidung von "in der Atmosphäre" und "außerhalb der Atmosphäre" in der Diskussion über Trägerraketen ist informell. In einer typischen zweistufigen Trägerrakete zum Orbit bringt Sie die erste Stufe von Meereshöhe in große Höhe; Dies hat erhebliche Auswirkungen, daher sagen wir, dass die Bühne "für den Flug in der Atmosphäre ausgelegt" sein muss. Das Design der oberen Stufe ist möglicherweise nicht in der Lage, die Atmosphäre vollständig zu ignorieren, aber es wird den größten Teil seiner Arbeit bei Mikrobardruck oder weniger erledigen, also sagen wir, es ist "für den Flug aus der Atmosphäre ausgelegt". Die Rakete als Ganzes wird nur wenige Minuten im Übergang verbringen.

Vielen Dank! Es scheint also, dass die Massendichte bis zum Bereich von 80-90 km exponentiell abnimmt und sich an diesem Punkt zu etwas anderem ändert. Wenn man weiter nach oben schaut, scheint dies in der Nähe der Mesopause (der Grenze zwischen der Mesosphäre und der Thermosphäre) und der Turbopause (dem Punkt, unterhalb dessen Turbulenzen die Atmosphäre kontinuierlich durchmischen, was zu einer relativ konstanten Mischung von N2 und O2 führt) zu sein.
Ich würde sagen, es nimmt immer noch exponentiell ab, aber mit einem anderen Exponenten. ;)
@orulz: Während einige sich ändernde Eigenschaften der Atmosphäre beobachtet werden können, leitet sich das Konzept der Karman-Linie gemäß Russels erstem Absatz aus der Luftfahrt ab - da das Gewicht des Flugzeugs im Flug durch aerodynamischen Auftrieb + Zentrifugalkraft ausgeglichen wird, beide proportional zur Geschwindigkeit (aber nur Auftrieb auf Luftdichte), in dieser Höhe fällt die Luftdichte bis zu dem Punkt ab, an dem die Zentrifugalkraft 100% des der Kraft entgegenwirkenden Gewichts ausmachen würde.

Im Gegensatz zu Russell Borogoves Antwort hat die Kármán-Linie etwas sehr Bedeutsames. Dies ist mehr oder weniger das obere (und bedeutendere) Minimum, das die Mesosphäre grob von der Thermosphäre trennt (die Mesopause), und nicht zufällig die Oberfläche, die unterscheidet, ob turbulente Mischung oder molekulare Diffusion der dominierende atmosphärische Prozess ist (die Turbopause). , und auch nicht zufällig, wo die Temperatur mit zunehmender Höhe wieder ansteigt.

Während die 100-km-Marke etwas willkürlich ist, ist es nicht so, dass eine vielleicht unscharfe Grenze existiert. Sie können diese Grenze sicherlich in der Temperaturkurve in Russell Borogoves Antwort sehen. Sein Diagramm zeigt zufällig eine deutliche Temperaturänderung in einer Höhe von 90 km. (Wo dies auftritt, variiert je nach Jahreszeit, Breitengrad und Autor des Artikels.)

Die Änderungen des Temperaturgradienten und des atmosphärischen Verhaltens haben beide einen deutlichen Einfluss auf Fahrzeuge mit niedriger Umlaufbahn. Ein Fahrzeug kreist im Wesentlichen über dieser Linie. (Vielleicht nicht lange, aber es kreist.) Darunter dringt es in die Atmosphäre ein. Der exponentielle Anstieg des Drucks bedeutet, dass der Luftwiderstand irgendwo in der Nähe dieses Punktes ziemlich plötzlich die Gravitation dominiert.

Was sind die Eigenschaften der Erdatmosphäre in der Nähe der Karman-Linie und warum?
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