有时，非常简单的问题可能非常有趣。 例如，外太空从哪里开始？
这似乎是一个直接的问题。我们生活在地球表面，被一层空气屏蔽，免受太空真空的影响。 但我们知道，我们星球的大气层随着高度的增加而变得越来越稀薄，密度越来越小。 因此，在某个高度，空气变得非常稀薄，以至于你基本上处于太空中，这是有道理的。 那个高度有多高？
问题是，这取决于你所说的“太空”是什么意思，这是一个出奇地难以定义的术语。 目前，普遍接受的分界线是地球表面以上 100 公里，但该值尚未经过严格的数学或物理定义。 此外，当应用严谨性时，80 公里的“太空从这里开始”分界线可以说是更好的使用高度。
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为了理解原因，让我们从一些基础知识开始。 空气在技术上是一种流体——可以流动的物质。 气体中的分子可以自由地相互滑过，因此它们可以移动以填充任何容器。 然而，对于像地球这样的行星来说，它周围没有物理容器，也没有像罐子或盒子那样的盖子。 相反，重力和压力发挥着容纳大气层的作用。
将地球大气层视为明确定义的气体层。 地表上一小体积的气体——例如，一立方厘米——感受到其上方所有立方厘米气体的压力（总共接近一公斤），这会压缩它并使其密度更高。 你走得越高，从上方向下推的覆盖气体就越少，从而降低你周围的环境气压。
这就是为什么山顶的空气密度低于海平面，例如。 对于足够高的山，例如珠穆朗玛峰，登山者需要携带加压空气，因为周围的空气几乎太稀薄而无法呼吸。
稀薄的空气对于飞机来说也是一个问题。 它们之所以能飞行，是因为升力，这是一种通过在机翼上方产生低压区域而产生的力。 机翼下方的较高压力向上推，将飞机抬升到空中。 升力的大小取决于许多因素，包括机翼的形状、飞机的速度，以及至关重要的周围空气的密度。 在足够高的高度，根本没有足够的空气来提供保持飞机在空中所需的力，这就是飞机可以飞行的最高高度。
在 1950 年代后期，匈牙利博学家西奥多·冯·卡门计算了在当时的工程技术限制下，空气产生的升力与高度和飞机速度的关系。 飞机产生更多升力的一种方法是移动得更快，但冯·卡门发现，在约 84 公里的高度，达到了一个奇怪的极限：为了在该高度以上产生足够的升力，飞机必须以如此快的速度移动，以至于会被烧毁。 压缩气体会使其升温，在那些速度下，产生的高温会将飞机变成火流星。 由于历史原因，这个极限现在被称为卡门线。
请注意，冯·卡门并没有试图确定太空的边缘是什么；他正在调查飞机可以飞多高。 在冯·卡门的工作之后不久，天文学家罗伯特·贾斯特罗采用了（字面上的）自上而下的方法，并建议接受 160 公里作为地球和太空之间的过渡线，因为那是卫星轨道高度的近似下限。 尽管几十年来许多其他研究都提出了不同的高度，但在世界航空运动联合会采用 100 公里限制（高于冯·卡门最初的计算，低于贾斯特罗的提议）之后，它现在已尽可能接近官方地位，该联合会认证航空和航天旅行的记录。
这种方法是有道理的。 在这个假想的空域分界区以下，飞行器必须以接近轨道速度的速度飞行才能产生任何升力。 当重力向下拉的力与曲线路径产生的向外的离心力平衡时，物体就处于稳定的轨道上，对于地球而言，约为每秒八公里。 如果卫星太低，速度快到足以产生剧烈甚至破坏性的加热。 但是有多低呢？
天体物理学家和太空历史学家乔纳森·麦克道尔长期以来一直研究这个问题，他已在Acta Astronautica上发表了他的结论。 （完全披露：麦克道尔也是我的朋友。）
鉴于航天飞行是分界线最相关的常见活动，麦克道尔通过研究各种卫星轨道的生存能力来确定其价值。 例如，在地球周围的极低圆形轨道上，卫星将始终处于大气层的上层边缘。 这样的卫星需要保持在一定高度以上——麦克道尔计算约为 125 公里——以最大限度地减少它持续感受到的阻力并保持稳定的轨道。
但是一些卫星在椭圆轨道上运行，在近地点（最接近点）时，它们可以向地球方向下降得更低。 由于轨道力学，这是卫星移动速度最快的时候，因此它不会在这些较低的区域停留。 尽管如此，重复的低空下降产生的累积阻力可能会导致卫星从天空中坠落并烧毁。
通过检查 40,000 多颗卫星，麦克道尔发现有 50 颗近地点低于 100 公里的卫星在我们的星球周围至少完整地旋转了两圈。 这表明流行的 100 公里分界线可能太高了。 他对升力、阻力和轨道的物理学进行了数学分析，并得出结论，80 公里的高度更适合所有数据。
麦克道尔计算出的 80 公里极限也对应于大气层中称为中间层的顶端，中间层通常被认为是地球“适当”大气层的边缘。 但是热层和外逸层远远超过中间层，卫星一直在这些层中愉快地运行。 那里的空气比鬼魂的耳语还稀薄，但它仍然存在并且可以测量，因此尽管有许多航天器驻留，但这些区域可以被认为是地球的扩展大气层。
我们为什么要担心所有这些？ 有一些实际的担忧。 一个国家的领空在哪里停止？ 你无法轻易阻止卫星飞越地球表面的给定区域，这可能会产生法律后果。 此外，管理航空飞行的法律与管理航天飞行的法律不同。 在什么时候应该过渡到另一个？ 此外，不同的管理机构，例如民用和军事当局，会向达到不同高度的旅行者颁发宇航员“翅膀”。 这可能会造成混淆，尤其是在军事人员和平民在同一航班上时，一组人获得了翅膀，而另一组人没有获得。 标准化规定太空边界的规则将有助于防止混淆。
在某种程度上，这种论点是语义上的，因为不可能对字面意义上的模糊边界进行普遍、严格的定义。 值得注意的是，麦克道尔认为，没有一个普遍的定义适用于所有情况；太空开始的法律定义可能与历史学家或工程师使用的定义不同。 在我看来，这非常实用，并且与科学中的许多概念（行星、颜色、生物性别）都无法用一个简单的定义来概括这一事实相符。
最终，最好认为地球大气层和“太空”是重叠的，而你在空气中划线的地点取决于具体情况。 自然界很少（如果有的话）为区分一个概念与另一个概念提供清晰的界限。 具体情况很重要，这是我们应该应用于许多人类努力的科学课程。