خط كارمان

يُعدّ خط كارمان ⁽ أو خط فون كارمان / vɒnˈkɑːrmɑːn / ) [ ^{2 ]} تعريفًا تقليديًا لحافة الفضاء ؛ وهو مقبول على نطاق واسع ، وإن لم يكن عالميًا . ويُعرّف الاتحاد الدولي للملاحة الجوية ( FAI ) خط كارمان على ارتفاع 100 كيلومتر (54 ميلًا بحريًا؛ 62 ميلًا؛ 328,084 قدمًا) فوق مستوى سطح البحر .

على الرغم من أن خط كارمان سُمّي نسبةً إلى ثيودور فون كارمان ، الذي حسب الحد النظري لارتفاع تحليق الطائرات عند 83.8 كيلومترًا (52.1 ميلًا) فوق سطح الأرض، إلا أن هذا الخط، الذي تم تحديده لاحقًا، أكثر عموميةً ولا يحمل دلالةً فيزيائيةً واضحة، إذ يوجد فرق تدريجي بين خصائص الغلاف الجوي عند هذا الخط، ويختلف الخبراء حول تعريف حد فاصل دقيق بين نهاية الغلاف الجوي وبداية الفضاء. يقع هذا الخط أعلى بكثير من الارتفاع الذي يمكن أن تصل إليه الطائرات التقليدية أو المناطيد عالية الارتفاع ، وهو تقريبًا المكان الذي ستتلاشى عنده الأقمار الصناعية، حتى في مساراتها شديدة الانحراف، قبل إكمال دورة واحدة.  

يُستخدم خط كارمان بشكل أساسي لأغراض قانونية وتنظيمية للتمييز بين الطائرات والمركبات الفضائية ، والتي تخضع بدورها لاختصاصات وتشريعات مختلفة. وبينما لا يُحدد القانون الدولي حدود الفضاء، أو حدود المجال الجوي الوطني، ^{[ 3 ] [ 4 ]} فإن معظم المنظمات الدولية والهيئات التنظيمية (بما في ذلك الأمم المتحدة) تقبل تعريف الاتحاد الدولي للطيران لخط كارمان أو تعريفًا قريبًا منه. ^{[ 5 ]} وقد تم تحديد خط كارمان، وفقًا لتعريف الاتحاد الدولي للطيران، في ستينيات القرن الماضي. ^{[ 6 ]} وتُعرّف دول وكيانات مختلفة حدود الفضاء بشكل مختلف لأغراض متنوعة. ^{[ 7 ] [ 3 ] [ 8 ]}

يستخدم الاتحاد الدولي للطيران خط كارمان لتحديد حدود رسمية بين مجالي الطيران والفضاء . ووفقًا لتعريفاتهم، يُصنف أي نشاط جوي أو رياضة جوية تُمارس على بُعد 100 كيلومتر من سطح الأرض ضمن مجال الطيران، بينما يُعتبر أي نشاط يُمارس على بُعد  يزيد عن هذا الحد (100 كيلومتر) ضمن مجال الفضاء. ^{[ 6 ]}

كثيرًا ما تُستخدم عبارات " حافة الفضاء " أو " قريب من الفضاء " (على سبيل المثال، من قِبل الاتحاد الدولي للطيران في بعض منشوراته) ^{[ 10 ]} للإشارة إلى منطقة تقع أسفل حدود الفضاء الخارجي، والتي غالبًا ما تشمل مناطق أدنى بكثير. وبالتالي، قد تُوصف بعض رحلات المناطيد أو الطائرات بأنها "تصل إلى حافة الفضاء". في مثل هذه العبارات، يشير مصطلح "الوصول إلى حافة الفضاء" ببساطة إلى التحليق على ارتفاع أعلى مما تصل إليه المركبات الجوية عادةً. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

لا يزال التعريف القانوني الدولي للحدود الفاصلة بين المجال الجوي للدولة والفضاء الخارجي غير موجود. ^{[ 13 ]} في عام 1963، ناقش أندرو ج. هالي خط كارمان في كتابه " قانون الفضاء والحكومة" . ^{[ 14 ]} وفي فصلٍ عن حدود السيادة الوطنية ، استعرض آراء كبار الكتّاب. ^{[ 14 ] : 82-96} وأشار إلى عدم دقة هذا الخط.

باختصار، يُمثل هذا الخط قياسًا متوسطًا أو وسيطًا . وهو يُشابه المقاييس المُستخدمة في القانون مثل " متوسط ​​مستوى سطح البحر " و" خط التعرج " و"خط المد والجزر "، ولكنه أكثر تعقيدًا منها. عند تحديد خط فون كارمان القضائي، يجب مراعاة عوامل عديدة، بالإضافة إلى عامل الرفع الديناميكي الهوائي. وقد نُوقشت هذه العوامل في كمٍّ هائل من المؤلفات ومن قِبل عشرات المُعلقين. وتشمل هذه العوامل التركيب الفيزيائي للهواء ، والجدوى البيولوجية والفسيولوجية، وعوامل أخرى تتضافر منطقيًا لتحديد النقطة التي ينعدم عندها الهواء وينتهي عندها المجال الجوي . ^{[ 14 ] : 78-79}

في الفصل الأخير من سيرته الذاتية، يتناول كارمان مسألة حافة الفضاء الخارجي :

يمكن تحديد بداية الفضاء من خلال سرعة المركبة الفضائية وارتفاعها فوق سطح الأرض. لنأخذ على سبيل المثال رحلة الكابتن إيفن كارل كينشلو جونيور القياسية على متن طائرة صاروخية من طراز X-2 . حلق كينشلو بسرعة 3200 كيلومتر في الساعة (2000  ميل في الساعة) على ارتفاع 38500 متر (126000  قدم)، أي ما يعادل 24 ميلاً. عند هذا الارتفاع وهذه السرعة، لا تزال قوة الرفع الديناميكية الهوائية تُشكّل 98% من وزن الطائرة، بينما لا تتجاوز نسبة الرفع بفعل القصور الذاتي، أو قوة كبلر كما يسميها علماء الفضاء، 2%. ولكن عند  ارتفاع 91440 مترًا (300000 قدم)، أي ما يعادل 57 ميلاً (57 ميلاً)، ينعكس هذا الوضع تمامًا، إذ ينعدم الهواء الذي يُساهم في الرفع، ويبقى القصور الذاتي هو العامل المهيمن. هذا بالتأكيد حدٌّ فيزيائي، حيث تتوقف الديناميكا الهوائية وتبدأ علوم الفضاء ، ولذا تساءلتُ: لماذا لا يكون هذا الحدّ أيضًا حدًّا فاصلاً بين الاختصاصات؟ أطلق أندرو جي. هالي على هذا الخط اسم خط كارمان القضائي. أسفل هذا الخط، تكون المساحة ملكاً لكل دولة. أما فوق هذا المستوى، فتكون المساحة حرة. ^{[ 15 ]}

لا ينتهي الغلاف الجوي فجأة، بل تتناقص كثافته تدريجيًا مع الارتفاع. وبحسب تعريف الطبقات المختلفة التي تُشكّل الفضاء المحيط بالأرض ( وما إذا كانت هذه الطبقات تُعتبر جزءًا من الغلاف الجوي)، قد يختلف تعريف حافة الفضاء اختلافًا كبيرًا: فإذا اعتبرنا الغلاف الحراري والغلاف الخارجي جزءًا من الغلاف الجوي وليس من الفضاء، فقد نضطر إلى تمديد حدود الفضاء إلى 10,000 كيلومتر (6,200 ميل) على الأقل فوق مستوى سطح البحر. لذا، يُعدّ خط كارمان تعريفًا اعتباطيًا إلى حد كبير، قائمًا على بعض الاعتبارات التقنية. 

لا تستطيع الطائرة البقاء محلقة إلا بالتحرك المستمر للأمام بالنسبة للهواء (وليس الأرض)، مما يسمح للأجنحة بتوليد قوة الرفع الديناميكية الهوائية. وكلما قلّت كثافة الهواء، زادت سرعة الطائرة اللازمة لتوليد قوة رفع كافية للبقاء في الجو. ^{[ 16 ]} عند السرعات العالية جدًا، تساهم قوة الطرد المركزي (قوة كبلر) في الحفاظ على الارتفاع. وهذه هي القوة الافتراضية التي تُبقي الأقمار الصناعية في مدار دائري دون أي قوة رفع ديناميكية هوائية.

مع ازدياد الارتفاع وانخفاض كثافة الهواء، تزداد السرعة اللازمة لتوليد قوة رفع ديناميكية هوائية كافية لدعم وزن الطائرة، حتى تصل السرعة إلى مستوى عالٍ يصبح فيه تأثير قوة الطرد المركزي كبيرًا. عند ارتفاع كافٍ، ستتغلب قوة الطرد المركزي على قوة الرفع، وستتحول الطائرة فعليًا إلى مركبة فضائية تدور في مدار حول الأرض بدلًا من طائرة مدعومة بقوة الرفع الديناميكية الهوائية.

في عام 1956، قدّم فون كارمان ورقة بحثية ناقش فيها الحدود الحرارية الهوائية للطيران. فكلما زادت سرعة الطائرات، زادت الحرارة التي تولدها نتيجة التسخين الديناميكي الهوائي الناتج عن الاحتكاك بالغلاف الجوي والعمليات الأديباتية . واستنادًا إلى أحدث ما توصل إليه العلم آنذاك ، حسب السرعات والارتفاعات التي تسمح بالتحليق المستمر - بسرعة كافية لتوليد قوة رفع كافية، وبسرعة منخفضة بما يكفي لتجنب ارتفاع درجة حرارة المركبة. ^{[ 17 ]} تضمن الرسم البياني نقطة انعطاف عند حوالي 275,000 قدم (52.08 ميل؛ 83.82 كيلومترًا) ، والتي عندها تضع السرعة الدنيا المركبة في مدار حول الأرض . ^{[ 18 ] [ 19 ]}  

ابتكر أندرو جي. هالي مصطلح "خط كارمان" في ورقة بحثية عام 1959، ^{[ 20 ]} استنادًا إلى الرسم البياني في ورقة فون كارمان البحثية لعام 1956. وأقر هالي بأن حد 275,000 قدم (52.08 ميل؛ 83.82 كم) كان نظريًا وسيتغير مع تطور التكنولوجيا، إذ استندت حسابات فون كارمان للسرعة الدنيا إلى نسبة السرعة إلى الوزن للطائرات الموجودة آنذاك، وتحديدًا طائرة بيل إكس-2 ، بينما استندت السرعة القصوى إلى تقنيات التبريد والمواد المقاومة للحرارة. ^{[ 18 ]} كما أشار هالي إلى اعتبارات فنية أخرى لهذا الارتفاع، كونه يُمثل تقريبًا الحد الأقصى لارتفاع محرك نفاث يعمل بالهواء بناءً على التكنولوجيا المتاحة. وفي الورقة البحثية نفسها عام 1959، أشار هالي أيضًا إلى 295,000 قدم (55.9 ميل؛ 90 كم) باعتباره "خط فون كارمان"، وهو أدنى ارتفاع تتواجد عنده ذرات الأكسجين الحرة . ^{[ 18 ]}    

يُعرّف سلاح الجو الأمريكي رائد الفضاء بأنه الشخص الذي حلّق على ارتفاع يزيد عن 80 كيلومترًا (50 ميلًا) فوق مستوى سطح البحر ، أي ما يقارب الخط الفاصل بين طبقتي الميزوسفير والثيرموسفير . وكانت وكالة ناسا تستخدم سابقًا معيار الاتحاد الدولي للطيران (FAI) البالغ 100 كيلومتر (62 ميلًا) ، إلا أنه تم تغييره عام 2005 لتجنب أي تضارب بين الأفراد العسكريين والمدنيين الذين يطيرون على متن المركبة نفسها. ^{[ 21 ]} وقد مُنح ثلاثة طيارين مخضرمين من طياري ناسا على متن طائرات X-15 ( جون بي. مكاي ، وويليام إتش. دانا ، وجوزيف ألبرت ووكر ) أجنحة رواد الفضاء بأثر رجعي (اثنان منهم بعد وفاتهم ) ، نظرًا لتحليقهم على ارتفاع يتراوح بين 90 كيلومترًا (56 ميلًا) و 108 كيلومترات (67 ميلًا) خلال ستينيات القرن الماضي، ولكنهم لم يكونوا معترفًا بهم كرواد فضاء في ذلك الوقت. ^{[ 11 ]} ويتجاوز الارتفاع الأخير، الذي حققه ووكر مرتين، التعريف الدولي الحديث لحدود الفضاء.   

كما تعترف إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية بهذا الخط كحدود فضائية: ^{[ 22 ]}

الرحلة شبه المدارية: تحدث الرحلة الفضائية شبه المدارية عندما تصل مركبة فضائية إلى الفضاء، لكن سرعتها لا تسمح لها بالوصول إلى مدار. ويعتقد الكثيرون أنه لتحقيق رحلة فضائية، يجب أن تصل المركبة الفضائية إلى ارتفاع يزيد عن 100 كيلومتر (62 ميلاً) فوق مستوى سطح البحر.

تُؤيد دراسات جوناثان ماكدويل (مركز هارفارد-سميثسونيان للفيزياء الفلكية) ^{[ 23 ]} وتوماس جانجال (جامعة نبراسكا-لينكولن) في عام 2018 ^{[ 18 ] [ 24 ]} أن يكون الحد الفاصل للفضاء عند 80 كيلومترًا (50 ميلًا؛ 260,000 قدم) ، مستشهدةً كدليل على ذلك بملاحظات وحسابات فون كارمان الأصلية (التي افترضت أنه على ارتفاع 275,000 قدم، ستحتاج الطائرة إلى الطيران بسرعة كبيرة لدرجة أن التسخين الاحتكاكي سيؤدي إلى انهيار هيكلي للمواد المعروفة آنذاك؛ وقد تم تجاوز افتراضاته بالتطورات التكنولوجية اللاحقة)، وتأكيد قدرة الأجسام المدارية على البقاء لعدة نقاط حضيض على ارتفاعات تتراوح بين 80 و90 كيلومترًا، بالإضافة إلى عوامل وظيفية وثقافية وفيزيائية وتكنولوجية ورياضية وتاريخية. ^{[ 3 ] [ 25 ]} وبشكل أكثر تحديدًا، تُلخص الورقة البحثية ما يلي:  

باختصار، تقع أدنى المدارات الدائرية المستدامة الممكنة على ارتفاع 125 كيلومترًا تقريبًا، بينما يمكن للمدارات الإهليلجية ذات الحضيض عند 100 كيلومتر أن تستمر لفترات طويلة. في المقابل، من غير المرجح أن تُكمل الأقمار الصناعية التي يقل حضيضها عن 80 كيلومترًا مدارها التالي. ومن الجدير بالذكر أن النيازك (التي تتحرك بسرعة أكبر بكثير) تتفكك عادةً في نطاق ارتفاع يتراوح بين 70 و100 كيلومتر، مما يُعزز الأدلة على أن هذه المنطقة هي التي يصبح فيها الغلاف الجوي ذا أهمية بالغة.

دفعت هذه النتائج الاتحاد الدولي للرياضات الفضائية (FAI) إلى اقتراح عقد مؤتمر مشترك مع الاتحاد الدولي للملاحة الفضائية (IAF) في عام 2019 "لاستكشاف" هذه المسألة بشكل كامل. ^{[ 10 ]}

يُعرّف تعريف آخر مُقترح في مناقشات القانون الدولي الحد الأدنى للفضاء بأنه أدنى نقطة حضيض يمكن أن تصل إليها مركبة فضائية تدور في مدار، ولكنه لا يُحدد ارتفاعًا. ^{[ 26 ]} وهذا هو التعريف الذي اعتمده الجيش الأمريكي. ^{[ 27 ] : 13} نظرًا لمقاومة الغلاف الجوي، فإن أدنى ارتفاع يمكن لجسم في مدار دائري أن يُكمل عنده دورة كاملة واحدة على الأقل دون دفع هو حوالي 150 كيلومترًا (93 ميلًا) . ^{[ 28 ]} تُقاوم الحكومة الأمريكية الجهود المبذولة لتحديد حد تنظيمي دقيق. ^{[ 29 ] [ 30 ]} 

على الرغم من أن خط كارمان مُحدد للأرض فقط، فقد قدّر العديد من العلماء الأرقام المقابلة له على المريخ والزهرة . وصل إيسيدورو مارتينيز إلى ارتفاع 80 كم (50 ميلاً) و 250 كم (160 ميلاً) على التوالي، ^{[ 31 ]} بينما وصل نيكولاس بيريند إلى ارتفاع 113 كم (70 ميلاً) و 303 كم (188 ميلاً) . ^{[ 32 ]}    

في عام 2014، أخرج أوسكار شارب فيلم "خط كارمان" ، وهو فيلم درامي بريطاني قصير من بطولة أوليفيا كولمان في دور سارة، وهي زوجة وأم تبدأ فجأة في التحليق حتى تعبر ببطء وفي النهاية خط كارمان الذي يحمل نفس الاسم وتذهب إلى الفضاء الخارجي. ^{[ 33 ]}

• حد أرمسترونغ – الارتفاع الذي يغلي عنده الماء عند درجة حرارة الجسم 
• الغلاف الجوي غير المتجانس – منطقة الغلاف الجوي العلوي حيث يهيمن الانتشار الجزيئي 

• مقالة عن خط كارمان على موقع FAI
• طبقات الغلاف الجوي – أرشيف الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) بتاريخ 19 ديسمبر 2005 على موقع Wayback Machine
• فيديو موسيقي بعنوان "The Kármán Line" يعرض لقطات لوكالة ناسا
• حاسبة خط Kármán أرشفة 2018-07-11 في آلة Wayback.