El espacio exterior es comprendido como aquellas zonas que están vacías del universo, lejos de la atmosfera de los cuerpos celestes pero, ¿Dónde comienza el espacio exterior? El artículo de hoy está dedicado a responder esta pregunta, así como otras que rondan alrededor de este tema.
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¿Qué es el espacio exterior?
El espacio exterior o también denominado comúnmente como espacio, es comprendido como las regiones que se encuentran vacías del universo a las afueras de las atmósferas de los cuerpos celestes. Este concepto se emplea principalmente para hacer una distinción entre el espacio aéreo y las zonas terrestres. Asimismo, en realidad el espacio exterior no está del todo vacío, sino que contiene una baja densidad de partículas en donde hay una mayor concentración de gas hidrógeno, así como radiación electromagnética.
A pesar de la suposición que el espacio exterior ocupa casi todo el volumen del universo y que durante muchos años se consideraba que estaba relativamente vacío junto con la sustancia del éter, actualmente que sabe que en realidad en él está la mayor parte de la materia del universo. Dicha materia está constituida por radiación electromagnética, partículas cósmicas, neutrinos sin masa e incluso formas de materia que no son del todo conocidas como la materia oscura y la energía oscura.
A decir verdad, cada uno de los elementos del espacio exterior conformar el total de la materia, según estimaciones, estas son las proporciones estimadas: elementos pesados (0.03 %), materia estelar (0.5 %), neutrinos (0.3 %), estrellas (0.5 %) hidrógeno y helio libres (4 %) materia oscura (aprox. 25 %) y energía oscura (aprox. 70 %) lo que da un total de 100.33 % sobrando un 0.33 % sin estimar.
Ese último punto hasta loa días actuales no se ha comprendido en su totalidad, por lo que no se conoce del todo su naturaleza física. Solo se sabe algunas de sus propiedades por los efectos gravitatorios que tienen lugar en el período de revolución de las galaxias, por un lado, y en la expansión acelerada del Universo o inflación cósmica.
Formación
Siguiendo lo estipulado por la teoría del Big Bang, hace aproximadamente 13.8 billones de años el universo recién creado era un lugar en donde había un extremo calor y densidad que en poco tiempo se fue expandiendo a gran velocidad. Luego de 380 mil años el mismo pasó a ser lo suficientemente frío para permitir a los protones y electrones unirse, a esta fase se le conoce como recombinación.
Una vez que tanto la energía como la materia se separaron permitieron a los fotones el poder viajar libremente por el universo en expansión. La materia que quedó luego de dicha expansión inicial sufrió un colapso gravitacional lo que trajo la creación de las estrellas, galaxias y objetos astronómicos, dejando un vacío conocido como espacio exterior.
La forma actual que posee el universo se ha podido determinar a partir de las mediciones de la radiación de fondo de microondas utilizando satélites como la sonda WMAP. Dichas observaciones lo que indican es que la geometría espacial del universo observable es ”plana”, lo que significa que los fotones en trayectos paralelos en un punto se quedan paralelos mientras se trasladan por el espacio hasta el límite del universo observable, a excepción de la gravedad local.
En líneas generales, el Universo se considera plano, al unirse con la densidad de masa medida del Universo y la expansión acelerada del Universo, da a entender que el espacio posee una energía de vacío distinta de cero, a la que se le denomina como energía oscura. Las estimaciones de la densidad de energía promedio del Universo hoy en día se encuentran en 5,9 protones por metro cúbico, a este número se le integra la energía oscura, la materia oscura y la materia bariónica.
¿Dónde comienza el espacio?
Ante la interrogante de donde comienza el espacio, la realidad es que solo un país ha sido capaz de brindar una respuesta. En el año 2002, Australia adoptó los 100 km de altitud como el punto más próximo de referencia en donde inicial el espacio exterior.
A pesar de que la exploración espacial tuvo sus inicios hace más de 40 años gracias a los primeros astronautas, la realidad es que no existe un consenso para definir el límite espacial. Por lo general, el espacio exterior se suele definir como aquel territorio que queda fuera de la atmósfera terrestre, pero el límite superior de la atmósfera es tan difuso que se han tenido que definir los límites de manera más o menos arbitraria.
Desde hace algunos años, la NASA posee la tradición de otorgar el título de astronauta a toda persona que sea capaz de alcanzar las 50 millas de altura (80,47 km), dado que ese el punto que indican en donde comienza el espacio.
Alrededor de los años 1970, ocho pilotos de prueba de aviones cohete X-15 se sumaron a los astronautas de los programas Mercurio, Géminis y Apolo que habían obtenido este galardón, el piloto Joe Walker logró obtener una altura de 100 km en dos vuelos que realizó en el año 1963.
Gran parte de los expertos aseguran que todo viaje que pueda ir más allá de esta altura es considerado como un viaje espacial. Esto se debe a que se guían por la línea de Karman, la misma estipula que el espacio exterior comienza a 100 km sobre el nivel del mar. Además, esta es la distancia aceptada por la Federación Aeronáutica Internacional (FAI) para definir el límite del espacio.
A partir de los 100 km de altura la atmosfera comienza a ser lo suficientemente delgada como para no poder proporcionar una fuerza sustentadora que la mantenga. En líneas generales, la distancia exacta no fue la de 100 km pero, dado que los cálculos realizados estaban cercanos a esta cifra se aceptó.
No obstante, hoy en día se piensa que se puede obtener una línea espacial más precisa por medio del instrumento Supra-Ion de imágenes térmicas, que fue llevado por el cohete JOULE II el 19 de enero del 2007. El mismo logró hacer un vuelo alcanzando una altura de 200 kilómetros sobre el nivel del mar, pudo además recolectar una serie de datos durante los cinco minutos que estuvo rondando por el “borde del espacio”.
Esta información proporcionada por el instrumento elaborado por la Universidad de Calgary constató el límite entre la atmósfera de la Tierra y el espacio ultraterrestre, por lo que comienza a 118 km por encima de la superficie de la Tierra.
Primeras definiciones
La mayoría de los expertos en el espacio alegan que el comienzo del espacio exterior ocurre en el punto en el que las fuerzas de la dinámica orbital son más importantes que las fuerzas aerodinámicas, o bien en donde la atmósfera por sí sola o tiene la capacidad para soportar una nave voladora a velocidades suborbitales.
A lo largo de la historia ha sido muy difícil el poder definir el punto en donde separa la atmosfera de la Tierra y donde comienza el espacio exterior. A principios del siglo XX, el físico húngaro Theodore von Karman pudo determinar que este punto inicial estaba a 80 km sobre el nivel del mar. Sin embargo, en la actualidad la línea Karman se encuentra en lo que la NOAA denomina ”una frontera imaginaria” que se encuentra a casi 100 kilómetros sobre el nivel del mar.
La Federación Aeronáutica Internacional (FAI) que es la responsable de llevar un registro de los datos espaciales, postula también que el inicio del espacio exterior ocurre a 100 km del nivel mar. Esto ha sido aceptado principalmente por un ser dato redondo y preciso que
En un mismo sentido, no existe una definición simple en términos de ”espacio y ”no espacio” esto se debe principalmente a que la atmosfera de nuestro planeta no se disipa dé repente, si no que poco a poco se va volviendo cada vez más delgada cuando alcanza la altura de 965 kilómetros, aproximadamente. En teoría, la Estación Espacial Internacional no podría encontrarse en el espacio sin que antes se definiera como la ausencia de atmósfera.
Adicional a esto, tampoco existe una única altitud en donde un satélite pueda permanecer en órbita de forma estable. El físico McDowell alega que todo esto varía de acuerdo al tipo de satélite y de su trayectoria orbital.
Igualmente, este mismo científico hace una recopilación de información sobre los cohetes, astronautas y otros objetos espaciales, por lo que empezó a buscar una manera de conocer la frontera internacional aceptada que lo ayudará a que sus registros fueran lo más exactos posibles. Al darse cuenta de que no existía comenzó a evaluar los cálculos realizados por von Karman.
Gracias a los mismo pudo obtener los datos de 43.000 satélites y los clasificó de acuerdo a los puntos más bajos de sus órbitas (o perigeo) durante su desmantelamiento y reentrada atmosférica. A partir de esta base pudo argumentar que los satélites podían orbitar el planeta muchas veces bajo una altitud de 100 kilómetros, pero que aquellos que se encontraban por debajo de los 80 kilómetros solían sufrir una muerte rápida y ardiente.
A fin de cuentas regresó a los cálculos que había realizado von Karman y descubrió que las contribuciones atmosféricas de las naves en órbita se vuelven insignificantes sobre los 80 kilómetros de altura.
Línea Karman
Como se ha comentado anteriormente, se sabe que la atmosfera de la Tierra no termina de manera abrupta en una altura determinada. Al contrario, se ha podido comprobar que la misma a medida que la altura es mayor se va volviendo cada vez más fina. Por otro lado, para algunos científicos, la atmósfera terrestre termina en la zona donde se extienden las capas más externas de la tierra.
Esto quiere decir que las capas de la atmósfera más externas se les conoce con el nombre de termosfera y exosfera. En el dado caso de que este concepto fuera cierto, significaría que la atmosfera de nuestro planeta se extendería hasta alcanzar los 10.000 kilómetros sobre el nivel del mar.
La densidad del aire se va reduciendo conforme se va incrementando la altura. De esta manera, en el punto en donde ocurra esta disminución de la densidad del aire ya se puede considerar como el inicio del espacio exterior. Existe también otra definición acerca del límite de la atmósfera en donde se considera que la misma termina donde la densidad de la atmósfera se vuelve más baja.
Esta última suposición se basa en que la velocidad que puede adquirir una aeronave para conseguir sustentación aerodinámica a través de alas y hélices debe ser similar a la velocidad orbital para esa misma altura. A partir de estos cálculos se puede conocer entonces la altura por estos medios para las alas y ya no son válidas para mantener la nave. En consecuencia, este es el punto en donde termina atmósfera y comenzaría el espacio exterior.
¿Qué es?
La línea de Karman se le considera como una definición arbitraria sobre las bases de las consideraciones de tipo aeronáutico. En otras palabras, se puede decir que es la separación entre la atmósfera y el espacio exterior a efectos de aviación y astronáutico. A pesar que de manera natural no exista un límite como tal, si no que este se va haciendo cada vez más difuso conforme la altura se va incrementando. En la actualidad existen diferentes interesen desde el punto de vista de aviación y astronáutico para establecer la línea de Karman.
En un mismo sentido, esta definición ha sido aceptada por la Federación Aeronáutica Internacional. Esta institución es la encargada de establecer todos los estándares internacionales y reconocer los récords en aeronáutica y astronáutica. La altitud que establece la línea de Karman es de 100 kilómetros, no obstante, se emplean los 122 kilómetros para tener una referencia.
¿Por qué es importante esta definición?
Para poner en contexto la importancia que tiene la definición de la línea de Karman primero se conocer su posición con respecto al resto de capas de la atmósfera. Como bien ya se ha indicado, la altura base de la atmósfera de es 100 kilómetros con respecto a nivel del mar.
Este calculo se puede realizar al verificar cual es el punto en donde la densidad del aire se va haciendo más baja por medio de la velocidad de una aeronave para conseguir sustentación aeronáutica mediante alas y hélices.
Todo lo mencionado significaría que al llegar a este punto se establecería la línea de Karman, las alas ya no serían válidas para mantener la nave puesto que la densidad del aire se ha reducido. Asimismo, se sabe que un avión sólo se sustenta si se encuentra moviéndose en el aire continuamente. Es por esta razón que las alas generan sustentación, dada la velocidad de desplazamiento en el aire. Si por otra parte, dicho avión se mantuviera estático en el aire no podría soportarlo debido a la poca densidad.
A medida que el aire se va haciendo tenue, el avión debe irse desplazando a una velocidad mayor para poder producir la sustentación suficiente para no caer. Es por este motivo, que es tan importante el poder conocer el coeficiente de sustentación de un ala de un avión, ya que por este número se puede determinar el ángulo de ataque. Un objeto únicamente se puede mantener en su órbita siempre y cuando el componente centrífugo de su aceleración sea lo suficientemente alto como para poder compensar la fuerza de la gravedad.
Del mismo modo, se sabe que la gravedad es empujada en la dirección de la superficie terrestre, por lo que el objeto requiere de una velocidad de desplazamiento horizontal más intensa. Si dicha velocidad llegara a disminuirse entonces el componente centrífugo lo hará también en consecuencia, y la gravedad hará que su altitud vaya disminuyendo hasta caer.
Conocimientos físicos
La velocidad necesaria para que exista un equilibrio se le conoce como velocidad orbital la cual va variando con la altura de la órbita. Para que un transbordador espacial este en equilibrio dentro de la órbita terrestre es necesario que tenga una velocidad orbital de al menos 27.000 kilómetros por hora. Mientras que en el caso de un avión que está tratando de volar más alto, el aire se va haciendo menos denso por lo que el mismo se ve en la obligación de incrementar su velocidad para crear sustentación en el aire.
De esta manera, se debe tener presente que la definición de la línea de Karman es un concepto muy relativo a la altura. Puesto a que el verdadero interés de esta teoría es la aerodinámica no posee el suficiente rigor científico. En líneas generales lo que estable es que el aire se vuelve denso y acaba teniendo la resistencia mucho menor y alcanzando el espacio exterior.
Esta definición se utiliza como un concepto relativo a la altitud y hace pensar en el incrementar la velocidad de desplazamiento a fin de obtener la sustentación aerodinámica o una compensación del tirón de la fuerza de la gravedad. Si llevamos este argumento a la práctica se puede observar como dichas consideraciones van en aumento según la órbita en la que se encuentren.
Igualmente, se sabe que según el radio de la órbita existe un menor tirón gravitatorio. Asimismo, entiéndase como tirón gravitatorio como la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto en dirección a la superficie terrestre. No obstante, también se tiene conocimiento de que existe una mayor aceleración centrífuga para una misma velocidad lineal.
A partir de estos alegatos es que se extrae que la línea de Karman no presta atención a este efecto debido a la velocidad orbital, por que sería suficiente para poder mantener cualquier actitud sin tomar en consideración la densidad de la atmósfera.
Theodore von Karman
Theodore von Karman nació dentro de una familia judía en Budapest, Imperio austrohúngaro, recibiendo el nombre de Karman Tódor. En su línea familiar, fue un descendiente del rabino Judah Loew ben Bezalel. Comenzó sus estudios de ingeniería en la Universidad Técnica Real Joseph. Luego de graduarse en el año 1902 pasó a formar parte del grupo de Ludwig Prandtl en la Universidad de Göttingen, en donde recibió su doctorado en el año 1908.
Luego de esto, pasó los siguientes cuatro años dictando cursos en Göttingen. Cuando llegó el año 1912 aceptó un cargo en el Instituto Aeronáutico de RWTH Aachen, una de las universidades más importantes de Alemania. Sin embargo, su estadía en la RWTH Aquisgrán fue interrumpida durante el periodo de 1915 a 1918 para servir en el ejército Austro-húngaro, allí desarrollo un diseño de un helicóptero primitivo. Posteriormente, se retiró de la RWTH Aquisgrán en el año 1930.
Al no estar conforme con la serie de acontecimientos que sucedían en Europa, en 1930 aceptó el puesta en la jefatura del Guggenheim Aeronautical Laboratory en el Instituto Tecnológico de California (GALCIT) por lo que se muda a los Estados Unidos. Seis años más tarde en compañía de Frank Malina y Jack Parsons, creó la empresa Aerojet que se dedicaba a la construcción de motores de cohete JATO. Con el paso de los años decide naturalizarse y permanece en los Estados Unidos.
Las actividades alemanas mientras sucedía la Segunda Guerra Mundial promovieron el interés del ejército norteamericano por las tareas de investigación de cohetes. A inicios del año 1943, la división de Ingeniería Experimental del Comando de Material de las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos le envió a Karman informes de fuentes de inteligencia británicas en donde se hace la descripción de los cohetes alemanes que poseen la capacidad de desplazarse a 160 km. En una carta fechada el 2 de agosto de 1943 von Karman les envió al ejército su análisis y comentarios del programa alemán.
Un año después, von Karman en conjunto con otros que trabajaban en el GALCIT fundaron el Jet Propulsion Laboratory (JPL), el cual en la actualidad es una centro de investigación y desarrollo financiado con fondos federales y administrado y operado por Caltech mediante un contrato con la NASA.
Para el año 1946, von Karman pasó a ser el primer director del Scientific Advisory Group que se dedicaba al estudio de las tecnologías aeronáuticas para las Fuerzas Armadas de los Estados Unidos. En un mismo sentido, también contribuyó a la fundación de: AGARD, el Grupo Consultivo de Investigación y Desarrollo Aeronáutico de la OTAN en el año 1951, el International Council of the Aeronautical Sciences en 1956, la Academia Internacional de Astronáutica en 1960, y el Instituto Von Karman de dinámica de los fluidos en Bruselas en 1956.
Su trabajo en el campo de la aeronáutica y astronáutica realizó grandes contribuciones en la mecánica de fluidos, la teoría de turbulencia, el vuelo supersónico, las matemáticas en ingeniería y la estructura de aviones. Su despegue asistido por reactores (JATO/RATO),un sistema que también fue empleado en Alemania al final de la IIGM (Arado Ar-234) funcionó como el prototipo para los motores de proyectiles de largo alcance que se emplean en la actualidad.
Otra de sus contribuciones también la creación de la aeronave asistida por reactores de Estados Unidos en donde incluyó cohetes de combustible líquido y sólido, así como el despegue de aeronaves con propulsión a gran velocidad singular y el desarrollo de combustible líquido de ignición espontánea (que más tarde se utilizaría en los módulos del Apolo). Finalmente, en el año 1963, fue condecorado con la primera Medalla Nacional de Ciencia.
Problemas legales en la actualidad
Durante la historia de la humanidad, la observación del espacio se ha llevado a cabo desde tiempos inmemorables a simple vista, con el paso de los años se empezaron a utilizar telescopios y antes de la llegada de los cohetes, los humanos llegaron a relativa gran altura con globos tripulados. Durante el año 1935 el globo Explorer II de Estados Unidos logró alcanzar una altitud de 22 km.
Para el año 1942, el cohete alemán A-4 llegó a los 80 km de altitud y en 1957 el cohete ruso R-7 llegó a una altitud de entre 215 y 939 km. El primer vuelo al espacio tripulado se llevo a cabo en el año 1961, con el cosmonauta Yuri Gagarin a bordo del Vostok, mientras que las primeras personas en poder dejar la órbita terrestre fueron Frank Borman, Jim Lovell y William Anders en el año 1968 a bordo del Apolo 8.
Desde la perspectiva legal, el tratado del uso de espacio cubre el uso del mismo por los estados, e incluye en su definición la Luna y otros cuerpos celestes. Igualmente, este tratado estable que su uso es gratuito para que todas las naciones lo exploren y no está sujeto a reclamos de soberanía nacional.
No obstante, el acuerdo legal prohíbe el que se despliegue cualquier tipo de armas nucleares. Este documento fue aprobado por la Asamblea General de las Naciones Unidas en el año 1963 y firmado en 1967 por la Unión Soviética, Estados Unidos y el Reino Unido. Desde el año 2017, 105 países han ratificado o se han adherido al tratado.
A inicios del año 1958, el espacio exterior ha sido el objeto de diversas resoluciones por parte de las Naciones Unidas. Las mismas se inclinan hacia la cooperación internacional en los usos pacíficos del espacio exterior y la prevención de uso militar. Sin embargo, se encuentra permitido el despliegue de armas convencionales en el espacio, como armas contra satélites que han sido probadas con éxito por los Estados Unidos, Rusia y China.
Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información proporcionada haya sido de gran ayuda. Le hacemos la invitación a leer también: Cultivos en el espacio y Oscurecimiento global
