有時，非常簡單的問題可能非常有趣。 例如，外太空從哪裡開始？
這似乎是一個直接的問題。我們生活在地球表面，被一層空氣遮蔽，免受太空真空的影響。 但我們知道，我們星球的大氣層隨著高度的增加而變得越來越稀薄，密度越來越小。 因此，在某個高度，空氣變得非常稀薄，以至於你基本上處於太空中，這是有道理的。 那個高度有多高？
問題是，這取決於你所說的“太空”是什麼意思，這是一個出奇地難以定義的術語。 目前，普遍接受的分界線是地球表面以上 100 公里，但該值尚未經過嚴格的數學或物理定義。 此外，當應用嚴謹性時，80 公里的“太空從這裡開始”分界線可以說是更好的使用高度。
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為了理解原因，讓我們從一些基礎知識開始。 空氣在技術上是一種流體——可以流動的物質。 氣體中的分子可以自由地相互滑過，因此它們可以移動以填充任何容器。 然而，對於像地球這樣的行星來說，它周圍沒有物理容器，也沒有像罐子或盒子那樣的蓋子。 相反，重力和壓力發揮著容納大氣層的作用。
將地球大氣層視為明確定義的氣體層。 地表上一小體積的氣體——例如，一立方厘米——感受到其上方所有立方厘米氣體的壓力（總共接近一公斤），這會壓縮它並使其密度更高。 你走得越高，從上方向下推的覆蓋氣體就越少，從而降低你周圍的環境氣壓。
這就是為什麼山頂的空氣密度低於海平面，例如。 對於足夠高的山，例如珠穆朗瑪峰，登山者需要攜帶加壓空氣，因為周圍的空氣幾乎太稀薄而無法呼吸。
稀薄的空氣對於飛機來說也是一個問題。 它們之所以能飛行，是因為升力，這是一種透過在機翼上方產生低壓區域而產生的力。 機翼下方的較高壓力向上推，將飛機抬升到空中。 升力的大小取決於許多因素，包括機翼的形狀、飛機的速度，以及至關重要的周圍空氣的密度。 在足夠高的高度，根本沒有足夠的空氣來提供保持飛機在空中所需的力，這就是飛機可以飛行的最高高度。
在 1950 年代後期，匈牙利博學家西奧多·馮·卡門計算了在當時的工程技術限制下，空氣產生的升力與高度和飛機速度的關係。 飛機產生更多升力的一種方法是移動得更快，但馮·卡門發現，在約 84 公里的高度，達到了一個奇怪的極限：為了在該高度以上產生足夠的升力，飛機必須以如此快的速度移動，以至於會被燒燬。 壓縮氣體會使其升溫，在那些速度下，產生的高溫會將飛機變成火流星。 由於歷史原因，這個極限現在被稱為卡門線。
請注意，馮·卡門並沒有試圖確定太空的邊緣是什麼；他正在調查飛機可以飛多高。 在馮·卡門的工作之後不久，天文學家羅伯特·賈斯特羅採用了（字面上的）自上而下的方法，並建議接受 160 公里作為地球和太空之間的過渡線，因為那是衛星軌道高度的近似下限。 儘管幾十年來許多其他研究都提出了不同的高度，但在世界航空運動聯合會採用 100 公里限制（高於馮·卡門最初的計算，低於賈斯特羅的提議）之後，它現在已儘可能接近官方地位，該聯合會認證航空和航天旅行的記錄。
這種方法是有道理的。 在這個假想的空域分界區以下，飛行器必須以接近軌道速度的速度飛行才能產生任何升力。 當重力向下拉的力與曲線路徑產生的向外的離心力平衡時，物體就處於穩定的軌道上，對於地球而言，約為每秒八公里。 如果衛星太低，速度快到足以產生劇烈甚至破壞性的加熱。 但是有多低呢？
天體物理學家和太空歷史學家喬納森·麥克道爾長期以來一直研究這個問題，他已在Acta Astronautica上發表了他的結論。 （完全披露：麥克道爾也是我的朋友。）
鑑於航天飛行是分界線最相關的常見活動，麥克道爾透過研究各種衛星軌道的生存能力來確定其價值。 例如，在地球周圍的極低圓形軌道上，衛星將始終處於大氣層的上層邊緣。 這樣的衛星需要保持在一定高度以上——麥克道爾計算約為 125 公里——以最大限度地減少它持續感受到的阻力並保持穩定的軌道。
但是一些衛星在橢圓軌道上執行，在近地點（最接近點）時，它們可以向地球方向下降得更低。 由於軌道力學，這是衛星移動速度最快的時候，因此它不會在這些較低的區域停留。 儘管如此，重複的低空下降產生的累積阻力可能會導致衛星從天空中墜落並燒燬。
透過檢查 40,000 多顆衛星，麥克道爾發現有 50 顆近地點低於 100 公里的衛星在我們的星球周圍至少完整地旋轉了兩圈。 這表明流行的 100 公里分界線可能太高了。 他對升力、阻力和軌道的物理學進行了數學分析，並得出結論，80 公里的高度更適合所有資料。
麥克道爾計算出的 80 公里極限也對應於大氣層中稱為中間層的頂端，中間層通常被認為是地球“適當”大氣層的邊緣。 但是熱層和外逸層遠遠超過中間層，衛星一直在這些層中愉快地執行。 那裡的空氣比鬼魂的耳語還稀薄，但它仍然存在並且可以測量，因此儘管有許多航天器駐留，但這些區域可以被認為是地球的擴充套件大氣層。
我們為什麼要擔心所有這些？ 有一些實際的擔憂。 一個國家的領空在哪裡停止？ 你無法輕易阻止衛星飛越地球表面的給定區域，這可能會產生法律後果。 此外，管理航空飛行的法律與管理航天飛行的法律不同。 在什麼時候應該過渡到另一個？ 此外，不同的管理機構，例如民用和軍事當局，會向達到不同高度的旅行者頒發宇航員“翅膀”。 這可能會造成混淆，尤其是在軍事人員和平民在同一航班上時，一組人獲得了翅膀，而另一組人沒有獲得。 標準化規定太空邊界的規則將有助於防止混淆。
在某種程度上，這種論點是語義上的，因為不可能對字面意義上的模糊邊界進行普遍、嚴格的定義。 值得注意的是，麥克道爾認為，沒有一個普遍的定義適用於所有情況；太空開始的法律定義可能與歷史學家或工程師使用的定義不同。 在我看來，這非常實用，並且與科學中的許多概念（行星、顏色、生物性別）都無法用一個簡單的定義來概括這一事實相符。
最終，最好認為地球大氣層和“太空”是重疊的，而你在空氣中劃線的地點取決於具體情況。 自然界很少（如果有的話）為區分一個概念與另一個概念提供清晰的界限。 具體情況很重要，這是我們應該應用於許多人類努力的科學課程。