太空從哪裡開始？
― 正上方只有100公里。縮成地球儀，空氣層只有2.4毫米厚
我們總覺得太空非常遙遠。但一般認定的太空分界，其實就在正上方100公里處，只相當於在高速公路上開一小時車的距離。包覆著我們的空氣，是一層比想像中薄得多的薄膜。
抬頭看夜空，星星顯得非常遙遠。太空似乎遠在伸手不及的彼方。
那麼，如果車子可以直接往正上方開呢？以時速100公里一直開，一小時後你就已經在「太空」了。這和從東京開到箱根附近的距離差不多。
既然這麼近，為什麼天空看起來深不見底？而分界又為什麼訂在100公里呢？
分界訂在「100公里」的兩個理由
空氣隨著高度上升，會以固定的比例減少。在接近地面處，每上升約5.5公里，空氣就減半。到了100公里，剩下的連地面的一百萬分之一都不到。
飛機是靠機翼推動空氣才浮起來的。空氣太稀薄時，浮起所需的速度會越來越快。到了100公里上下，這個速度就追上了「繞地球飛行的速度」。
也就是說，100公里並不是天空中看得見的一條線，而是一個參考標準：「從這裡往上，就不是按空氣世界的方式，而是按太空的方式運動」。接下來依序來看。
空氣一次減半，再減半
空氣也有重量。上方空氣的重量，壓著下方的空氣。所以越靠近地面，空氣越擠得緊，越往上就越稀疏。
減少的方式有固定的模式：每上升一定的高度，就以相同的比例減少。在接近地面處，上升約5.5公里就減半，再上升5.5公里，又剩下那一半的一半。
請用圖1的滑桿改變高度看看。富士山山頂（約3.8公里）的空氣約為地面的六成。客機飛行的高度（約10公里）則減到約四分之一。高度50公里以上，只剩全部空氣的0.1%。
100公里以上，靠「繞行不停」而不是機翼來浮著
飛機用機翼把空氣往下推，靠反作用力浮起來。浮力與空氣的濃度、以及速度的平方成正比。空氣變成四分之一薄時，速度得變成2倍，才能產生同樣的力。
那如果空氣薄到只剩一百萬分之一呢？速度得提高到1000倍，這是一般飛機絕對辦不到的速度。
不過，還有另一種浮著的方式。以每秒約7.9公里（時速約2萬8000公里）橫向前進時，往下掉的距離，剛好被地面圓弧彎曲而遠離的距離抵消。雖然一直在下墜，卻不會撞上地球。人造衛星和太空站，就是用這個方式待在天上。
一般認為，在80～100公里高度附近，靠機翼浮起所需的速度，會超過這個「繞行速度」。從那裡往上，機翼就派不上用場了。最先提出這個想法的學者名叫卡門，因此100公里這條線被稱為「卡門線」。
縮成地球儀，空氣有多厚？
聽到100公里，覺得很高。但地球的直徑約1萬2700公里，相比之下，100公里只有直徑的127分之1。
請看圖2。縮成直徑30公分的地球儀，太空的分界離表面只有2.4毫米。有雲和雨的層是0.26毫米，只有大約3張影印紙的厚度。就連太空站，也只在離表面約1公分處繞行。
許多太空人從太空看地球後都說：「空氣層薄得驚人，看起來像一條藍色的線。」我們呼吸的空氣，是薄薄覆蓋在地球上、像紙一樣薄的一層膜。
即使在分界之上，空氣也不會變成零。在約400公里高度繞行的太空站，也會碰到極稀薄的空氣，高度會一點一點下降。因此聽說會不時啟動引擎，把高度推回去。另外，美國有時會以80公里（50英里）作為太空人的認定標準。分界並不是大自然畫出來的，而是人類訂下的約定。
總結
與太空的分界，就在正上方僅僅100公里處。空氣每上升約5.5公里就減半，到了100公里，連地面的一百萬分之一都不到。再往上，機翼已經飛不動，只有不停繞著地球轉，才能待在天上。
太空不在遠方，而是在「正上方不遠處」。
我們生活在地球儀上只有2.4毫米厚的空氣薄膜底部。
為什麼在高山上會呼吸困難，請看高山症的文章；在100公里上下發光的流星是什麼，請看流星的文章。至於空氣本身的重量，也歡迎閱讀房間裡的空氣有幾公斤？
- 如果智慧型手機有氣壓計功能，就打開顯示氣壓的應用程式。在1樓讀取數字，再搭電梯或走樓梯到上面的樓層，重新讀一次。每上升10公尺，應該會下降約1.2百帕。
- 準備一個地球儀或球，量出直徑。把直徑除以127，得到的長度就是這個球的「太空分界」。用尺把這個厚度貼在表面上比比看。
- 把3張影印紙疊起來，用手指捏捏看厚度。對直徑30公分的地球儀來說，產生雲和雨的層差不多就是這個厚度。
氣壓的數字會隨天氣而變。比較時，請在短時間內連續測量上面和下面。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的連結明確標示這是從國中理化到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「地球科學基礎」「物理基礎」學到的範圍
- 高中＋高中進階內容，或課本專欄裡的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（大氣物理學、太空工程）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者仍在探討的話題
國中術語：這個現象有名字
- 大氣壓（氣壓）：上方空氣的重量對表面施加的力。在地面上，相當於每平方公分約1公斤重的重量。
- 大氣層：包覆地球的空氣層。由下往上依序稱為對流層、平流層、中氣層、增溫層。
- 卡門線：畫在100公里高度、大氣層與太空的分界。是國際航空聯合會訂定的參考標準。
國中高中用算式確認：100公里處剩下多少空氣？縮成地球儀是幾毫米？
氣壓就是「該高度以上空氣的重量」，所以氣壓的比例，就直接等於上方剩餘空氣的比例。接下來計算這個比例，以及縮成地球儀後的厚度。
| 用符號寫 | p ＝ p₀ × e^( −h ÷ H ) 地球儀上的厚度 d ＝ h × D ÷ L |
| 用文字寫 | 高度 h 處的氣壓 ＝ 地面氣壓 × （每上升高度 H 就乘以約0.37，重複相乘後的比例）。地球儀上的厚度 ＝ 實際高度 × 地球儀直徑 ÷ 地球直徑 |
| 算式的來源 | 一薄層空氣所受的重力，與其上下的氣壓差達成平衡（流體靜力平衡）。再結合「氣體濃度與氣壓成正比」的性質（理想氣體方程式），就會得到每隔固定高度以相同比例減少的形式。後半只是單純的縮尺（比例）算式。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| p | 高度 h 處的氣壓（以地面的幾倍來想） |
| p₀ | 地面氣壓（約1013百帕） |
| H | 標高（scale height）。氣壓變成約0.37倍的高度（單位為km） |
| D・L | 地球儀的直徑（mm），與地球的直徑（km） |
| 標高 H（0～100km的平均概略值） | 約7km（地面附近約8km，寒冷的高空約6km） |
| 太空分界的高度 h | 100km |
| 地球的直徑 L | 約1萬2700km |
| 地球儀的直徑 D | 300mm（30cm） |
| 1張影印紙的厚度 | 約0.09mm |
| 指數的內容（h ÷ H） | 100 ÷ 7 ≒ 14.3 |
| 以 e 為底，縮小那麼多後的比例 | 約 0.0000006（約160萬分之1） |
| 地球儀上的厚度：先算 h × D | 100 × 300 ＝ 30000 |
| 再除以地球的直徑 | 30000 ÷ 12700 ≒ 2.36 |
| 雲・雨的層（約11km）：11 × D | 11 × 300 ＝ 3300 |
| 再除以地球的直徑 | 3300 ÷ 12700 ≒ 0.26 |
| 相當於幾張紙 | 0.26 ÷ 0.09 ≒ 2.9 |
100公里以上剩餘的空氣，約占全部的160萬分之1（依實際觀測的標準值，更少，約300萬分之1）。縮成地球儀後，太空的分界離表面約2.4mm，雲和雨的層大約是3張紙的厚度。
高中高中＋空氣層的結構，以及為什麼減少的方式是「指數」
高中地球科學基礎依溫度的變化方式，把大氣分成4層。從下到約11公里是對流層，雲和雨等天氣現象幾乎都發生在這裡。其上的平流層有臭氧層，從約50公里起是中氣層，從約80～90公里起是增溫層。流星和極光發光的位置，在中氣層上部到增溫層之間。
高中＋「每隔固定高度就以相同比例減少」這種減少方式，來自「量越多，減少的量也越多」的關係。上方空氣越多的地方，往上爬時失去的重量也越大。這和放射性物質的半衰期是同一形式的算式。
大學氣壓的測高公式，以及國際標準大氣與卡門線
把流體靜力平衡式和理想氣體方程式合起來，就得到表示氣壓隨高度分布的「測高公式」。這裡的標高，由氣體常數、溫度、平均分子量和重力加速度決定。由於溫度會隨高度改變，實際上使用的是分層堆疊而成的模型，稱為「國際標準大氣」。100公里的分界，則是依據卡門的估算：以空氣動力升力支撐機體所需的速度，超過第一宇宙速度（圓軌道速度）的高度。
📖 算式的推導與更進階的內容：標高（維基百科） ／ 國際標準大氣（維基百科）
研究目前還不太清楚的事
- 大氣到底在哪裡真正結束？ 地球周圍有一層氫發出微光的區域。有研究重新檢視太陽觀測衛星的舊資料，報告指出這一層延伸到比月球軌道更遠的地方。
- 高空空氣濃度的預測。 數百公里高度的空氣濃度，會因太陽活動和磁暴而大幅改變。曾有剛發射的大量小型衛星，在磁暴後因空氣阻力而墜落，因此提高預測的精確度是個課題。
- 觀測的空白地帶。 50～150公里高度附近，氣球到不了，人造衛星繞行又太低。能直接測量的手段有限，被認為是仍有許多現象尚不清楚的層。
也就是說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。太空的分界本身，也可能隨科學的進展和使用目的而被重新檢討。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化二年級「天氣及其變化」（大氣壓） | 空氣的重量壓著下方空氣的說明 |
| 高中 | 地球科學基礎「大氣的構造」、物理基礎「壓力」 | 對流層、平流層、中氣層、增溫層，圖1的色帶 |
| 高中＋ | 數學「指數函數」 | 每隔固定高度就以相同比例減少的減少方式 |
| 大學 | 大氣物理學・太空工程 | 測高公式、國際標準大氣、與第一宇宙速度的比較 |
| 研究 | 高層大氣物理・太空天氣 | 大氣的盡頭、高空濃度的預測、觀測的空白地帶 |
| ― | 與生活的連結 | 在高山或飛機上覺得呼吸困難、耳朵不舒服的原因，智慧型手機的氣壓計 |
- 維基百科「卡門線」（カーマン・ライン）
- 維基百科「國際標準大氣」（国際標準大気）
- NOAA・NASA・美國空軍「U.S. Standard Atmosphere, 1976」
- 國際航空聯合會（FAI）關於太空邊界的聲明（2018年）
- JAXA 有人太空技術部門「國際太空站」（国際宇宙ステーション）
※本文是給一般讀者的科學解說。所列數值是為了理解原理的參考值與概算。高空的空氣量會隨溫度和太陽活動而改變，分界的高度也可能因機構或目的而不同。