Theo quy ước phổ biến nhất, vũ trụ bắt đầu ở độ cao 100 km so với mực nước biển, gọi là đường Kármán, do Liên đoàn Hàng không Quốc tế (FAI) dùng để công nhận kỷ lục bay. Nhưng đây không phải con số duy nhất: Không quân Mỹ và NASA trao danh hiệu phi hành gia cho người bay quá 50 dặm, khoảng 80 km, và một số nhà khoa học như Jonathan McDowell (2018) lập luận rằng ranh giới hợp lý về vật lý nằm gần 80 km. Khí quyển không có mép, nên mọi ranh giới đều là quy ước, và cuộc tranh luận vẫn còn.
Vì sao không có ranh giới tự nhiên
Áp suất không khí giảm dần theo hàm mũ khi lên cao, không có chỗ nào đột ngột về không. Ở 100 km, áp suất chỉ còn chưa tới một phần triệu so với mặt đất, nhưng vẫn còn khí. Trên nữa, nhiệt quyển kéo tới vài trăm km, ngoại quyển còn xa hơn. Trạm Vũ trụ Quốc tế ở khoảng 400 km vẫn chịu lực cản không khí đủ để phải định kỳ nâng quỹ đạo.
Vì vậy câu hỏi "vũ trụ bắt đầu ở đâu" thực chất là câu hỏi: ta muốn dùng ranh giới ấy làm gì? Hàng không cần một mốc để công nhận kỷ lục. Pháp luật cần một mốc để phân định không phận. Các kỹ sư cần biết từ đâu không khí thôi giúp được cánh máy bay và bắt đầu cản trở vệ tinh. Mỗi nhu cầu cho một con số khác nhau.
Theodore von Kármán đã tính gì
Theodore von Kármán (1881–1963) là nhà khí động học gốc Hungary, một trong những người đặt nền móng cho ngành hàng không và tên lửa ở Mỹ. Ý tưởng gắn với tên ông khá đơn giản:
- Máy bay bay được nhờ lực nâng từ không khí; không khí càng loãng thì phải bay càng nhanh mới đủ lực nâng.
- Vệ tinh không cần lực nâng; nó "rơi vòng quanh" Trái Đất nhờ vận tốc quỹ đạo, khoảng 7,8 km/giây ở quỹ đạo thấp.
- Đến một độ cao nào đó, vận tốc cần để có đủ lực nâng sẽ bằng vận tốc quỹ đạo. Trên độ cao ấy, cánh không còn ý nghĩa, mọi vật bay phải là tàu vũ trụ.
Tính toán của von Kármán vào cuối thập niên 1950 cho ra một độ cao trên dưới 80 km, tuỳ giả định về máy bay và khí quyển. Con số tròn 100 km sau đó được FAI chọn vì dễ nhớ và thuận tiện cho việc công nhận kỷ lục, chứ không phải kết quả trực tiếp của phép tính.
Ba con số đang được dùng
| Mốc | Ai dùng | Mục đích |
|---|---|---|
| 100 km | Liên đoàn Hàng không Quốc tế (FAI), nhiều tổ chức quốc tế và truyền thông | Công nhận kỷ lục hàng không và du hành vũ trụ |
| 50 dặm (~80 km) | Không quân Mỹ, NASA, Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) | Trao danh hiệu phi hành gia |
| ~80 km (đề xuất) | Jonathan McDowell (Trung tâm Vật lý Thiên văn Harvard–Smithsonian), bài trên Acta Astronautica năm 2018 | Ranh giới có cơ sở vật lý từ quỹ đạo vệ tinh thật |
| ~120 km | Kỹ sư điều khiển bay (ví dụ thời tàu con thoi) | "Điểm vào khí quyển" khi tàu quay về bắt đầu cảm nhận lực cản đáng kể |
Lập luận của McDowell năm 2018
Jonathan McDowell, một nhà thiên văn nổi tiếng vì theo dõi tỉ mỉ mọi vật thể nhân tạo trên quỹ đạo, phân tích dữ liệu của hàng chục nghìn quỹ đạo vệ tinh. Ông nhận thấy nhiều vệ tinh có quỹ đạo elip đã đi qua điểm thấp nhất dưới 100 km, khoảng 80–90 km, nhiều lần mà vẫn sống sót và tiếp tục bay vòng. Nếu một vật đi qua độ cao ấy rồi vẫn quay lại được, thì về vật lý nó đang hành xử như vật thể trong vũ trụ.
Ông cũng tính lại "độ cao Kármán" theo đúng tinh thần của von Kármán với khí quyển thật và vệ tinh thật, ra kết quả trong khoảng 66–88 km, gần 80 km. Sau bài báo, FAI ra thông báo năm 2018 cho biết sẽ cân nhắc mở hội thảo xem xét lại mốc 100 km, nhưng tính tới nay mốc 100 km vẫn là chuẩn FAI dùng. Nhiều nhà khoa học khác cũng chỉ ra rằng độ cao thực tế còn phụ thuộc hoạt động Mặt Trời, vì nhiệt quyển phồng xẹp theo chu kỳ.
Khi con số thành chuyện danh hiệu
Sự khác biệt 80 hay 100 km có hệ quả rất cụ thể với người bay:
- Máy bay tên lửa X-15 của Mỹ thập niên 1960 có 13 chuyến vượt 50 dặm, phi công được trao danh hiệu phi hành gia Mỹ. Chỉ hai chuyến, đều do Joseph Walker lái năm 1963, vượt 100 km (cao nhất khoảng 107,8 km), nên chỉ hai chuyến ấy đạt chuẩn FAI.
- Du hành dưới quỹ đạo thương mại: tàu của Blue Origin thiết kế để vượt mốc 100 km; tàu của Virgin Galactic bay lên khoảng 80–90 km, vượt mốc của Mỹ nhưng dưới mốc FAI. Báo chí năm 2021 tranh cãi khá nhiều về việc ai "thực sự" lên vũ trụ.
Cần phân biệt bay dưới quỹ đạo với bay lên quỹ đạo. Vượt qua 100 km chỉ cần lực đẩy đủ để đi thẳng lên rồi rơi xuống, vài phút không trọng lượng. Ở lại quỹ đạo cần vận tốc ngang khoảng 7,8 km/giây, tốn năng lượng hơn rất nhiều lần.
Pháp luật quốc tế nói gì
Đến nay chưa có điều ước quốc tế nào định nghĩa chính thức ranh giới giữa không phận và vũ trụ. Công ước Chicago năm 1944 về hàng không dân dụng khẳng định mỗi quốc gia có chủ quyền đầy đủ với vùng trời trên lãnh thổ mình nhưng không nói vùng trời cao tới đâu. Hiệp ước Ngoài không gian năm 1967 nói vũ trụ không thuộc chủ quyền quốc gia nào nhưng cũng không nói vũ trụ bắt đầu từ đâu.
Ủy ban Liên Hợp Quốc về sử dụng vũ trụ vì mục đích hoà bình (COPUOS) đã bàn câu hỏi này qua nhiều thập kỷ mà chưa có kết luận chung. Trên thực tế, mốc 100 km thường được viện dẫn như một chuẩn mực mặc nhiên.
Khí quyển ở độ cao ranh giới trông thế nào
| Độ cao | Áp suất so với mặt biển | Điều gì xảy ra |
|---|---|---|
| ~80 km | ~1/100.000 | Đỉnh tầng trung lưu, lạnh nhất; mây dạ quang |
| ~100 km | dưới 1/1.000.000 | Khí ngừng trộn đều; cực quang bắt đầu sáng; sao băng cháy |
| ~120 km | nhỏ hơn nữa | Tàu quay về bắt đầu chịu lực cản rõ rệt |
| ~160–200 km | cực nhỏ | Quỹ đạo thấp nhất có thể duy trì vài ngày tới vài tuần |
| ~400 km | cực nhỏ | Trạm Vũ trụ Quốc tế, vẫn cần nâng quỹ đạo định kỳ |
Nhìn bảng này dễ thấy vì sao 80 và 100 km đều có lý: 80 km là nơi khí quyển có cấu trúc nhiệt rõ rệt (đỉnh tầng trung lưu), 100 km là nơi khí ngừng trộn đều và là con số tròn dễ dùng.
Góc nhìn hôm nay
Lần tới đọc tin "du khách lên vũ trụ", hãy xem họ bay tới độ cao bao nhiêu và có vào quỹ đạo không. Đó là hai câu hỏi tách biệt. Bài báo của McDowell trên Acta Astronautica (2018) đọc được bản miễn phí trên kho arXiv, viết rõ ràng, có cả đồ thị quỹ đạo vệ tinh. Trang web của FAI có lịch sử các kỷ lục độ cao, còn NASA có trang về chương trình X-15 với số liệu từng chuyến bay.
Câu hỏi thường gặp
Đường Kármán là gì?
Là ranh giới quy ước giữa khí quyển và vũ trụ ở độ cao 100 km so với mực nước biển, được Liên đoàn Hàng không Quốc tế (FAI) dùng để công nhận kỷ lục. Tên gọi lấy theo nhà khí động học Theodore von Kármán.
Vũ trụ bắt đầu từ độ cao bao nhiêu?
Không có ranh giới tự nhiên vì khí quyển loãng dần mà không có mép. Quy ước phổ biến là 100 km (FAI); Mỹ dùng 50 dặm, khoảng 80 km; một số nhà khoa học đề xuất khoảng 80 km dựa trên quỹ đạo vệ tinh thật.
Vì sao Mỹ dùng mốc 80 km?
Không quân Mỹ từ thập niên 1960 trao danh hiệu phi hành gia cho người bay quá 50 dặm, tức khoảng 80,5 km. NASA và Cục Hàng không Liên bang Mỹ cũng dùng mốc này cho danh hiệu phi hành gia.
Có luật quốc tế nào quy định ranh giới vũ trụ không?
Chưa có. Công ước Chicago 1944 và Hiệp ước Ngoài không gian 1967 đều không định nghĩa độ cao bắt đầu vũ trụ. Mốc 100 km thường được dùng như chuẩn mực mặc nhiên.
Vượt qua 100 km có phải là vào quỹ đạo không?
Không. Vượt 100 km chỉ cần bay thẳng lên rồi rơi xuống, gọi là bay dưới quỹ đạo. Muốn ở lại quỹ đạo phải đạt vận tốc ngang khoảng 7,8 km/giây, cần năng lượng lớn hơn nhiều lần.
