Ilmakehä on laajempi kuin luulitkaan

Olet varmaan joskus pohtinut kysymystä mihin ilmakehä päättyy ja avaruus alkaa. Todellisuudessa ne eivät ole aivan sama asia, sillä ilmakehän tiedetään jatkuvan aina vain ohuempana kauas avaruuteen, revontuliakin on havaittu lähes tuhannen kilometrin korkeudella.

Ilmakehän ohenee ylöspäin noustessa, mutta mihin se päättyy? Kuva NASA Earth Observatory.

FAI Internationale (engl. World Air Sports Federation) on määritellyt avaruuden alarajaksi 100 km (330 000 jalkaa) merenpinnasta perustuen fyysikko Theodore von Kàrmàn’in (1881–1963) tutkimukseen. Hänen mukaansa lentokoneen tulisi lentää ratanopeutta suuremmalla nopeudella, jotta se voisi kehittää siivillänsä tarvittavan aerodynaamisen nostovoiman. Kàmànnin mukaan tämä vastaa noin 52 mailin [1] lentokorkeutta. FAI on ottanut asian varman päälle ja käyttää määritelmässään 62 mailin korkeutta, sillä tarkka raja vaihtelee ilmakehän laajenemisen ja supistumisen myötä mm. Auringon aktiivisuussyklin mukaan.

Koska avaruuden rajalla ei ole mitään kansainvälistä sopimusta, muut organisaatiot voivat käyttää omia määritelmiään. Esimerkiksi NASA pitää avaruuden rajana 50 mailia, noin 80 km, ja myöntää tämän rajan ylittäneille ”Ulkoavaruuden rintamerkin”.

SOHO-luotaimen SWAN-instrumentti mittasi maapallon geokoronan Lagrangen pisteen L1 halo-radalta. Kuva ESA.

Avaruuden raja on siis suhteellisen lähellä maapallon pintaa ja ilmakehä jatkuu siis paljon kauemmaksi. Yksi raja on noin 200 000 km korkeudella, jolloin aurinkotuulen aiheuttama paine tulee suuremmaksi kuin maapallon gravitaatiovoima. Mutta tämäkään korkeus ei vielä taida olla ilmakehän ulkoraja! Euroopan avaruusjärjestön SOHO-luotaimessa oleva SWAN-laitteisto havaitsee vetykaasun aiheuttamaa Lyman alfa -sätelyä Auringosta poispäin. SWAN-laitteistolla on havaittu lukuisia komeettoja mutta myös maapallon ympärillä olevaa vetyä. Se muodostaa maapallolle aurinkotuulen paineesta johtuvan komeettamaisen pyrstön. Tätä kaasupilveä kutsutaan geokoronaksi.

Apollo 16 astronautit saivat kuvaan tallennettua maapallon geokoronan. Kuva NASA.

Geokoronan tiheys maapallon päiväpuolella eksosfäärissä (690 km korkeudella) on aurinkotuulen kompressiovaikutuksesta johtuen noin 70 atomia kuutiosenttimetrissä [2]. Kuun radan etäisyydellä (384 400 km) hiukkastiheys on jo pudonnut 0,2 atomiytimeen kuutiosenttimetrissä, mutta se ei vieläkään ole kaasun raja. SWAN-laitteisto on havainnut geokoronan ulottuvan noin 630 000 km etäisyydell3 maapallosta, eli yli 1,5× Kuun etäisyydelle. Olisiko tämä ilmakehän yläraja, kenties!

Huomautukset

[1] Kàrmàn ei ottanut laskelmissaan huomioon Keplerin voimana tunnettua keskipakoisvoimaa, joka tulee sitä merkittävämmäksi tekijäksi mitä ylempänä ja nopeammin lennetään. Ratanopeudella Keplerin voima on yhtä suuri kuin lentolaitteen massa (ja siivet olisivat tarpeetonta massaa). Ottamalla Keplerin voima huomioon, lentokorkeus voisi olla 57 mailia.

[2] Eksosfäärin tiheys vaihtelee huomattavasti, jopa kertoimella 5 johtuen Auringon säteilyvoimakkuudesta, lähiavaruuden avaruussäästä ja vuoden ajasta.