что такое орбита в космосе
Орбита – это путь космического тела в пространстве. Этим понятием можно назвать путь любого объекта, но обычно под ним принято понимать траекторию движения тел, взаимодействующих друг с другом. Примером могут служить орбиты планет, спутников, звезд в системах.
Виды орбит
Орбиты делят на относительные и абсолютные.
Абсолютная орбита – это путь тела в установленной отсчетной системе, которую считают универсальной. Примером такой системы является Вселенная, взятая как единое целое.
Относительная орбита – это траектория тела в системе отсчета, которая движется по искривленной траектории с переменной скоростью. Например, при описании траектории искусственного спутника указывается его движение относительно планеты. В первом приближении – это эллиптическая траектория, в фокусе которой находится Земля, сама плоскость движения относительно звезд считается неподвижной. При таком варианте измерений, очевидно, что траектория движения – это орбита относительного типа, поскольку она определяется по отношению к Голубой планете, которая сама вращается вокруг Солнца. Если же посмотреть на траекторию движения относительно звезд, то наблюдается винтовая траектория – это абсолютная орбита искусственного спутника.
В чем различие
Зная, что такое орбита абсолютная и относительная, возникает вопрос об их различии. Знание этого помогает провести подсчеты траекторий по законам Ньютона. Они применимы только для подсчета абсолютных орбит, но нам привычнее наблюдать относительное движение.
Движение Солнца
Орбита Земли
Орбита нашей планеты представляет собой эллипс, в одном краю которого находится Солнце. Путь до Земли от Солнца на протяжении года изменяется, начиная от 147 млн км до 152 млн км. Орбита длинная, около 930 млн км. Наша планета двигается с запада на восток со скоростью примерно 30 км/с. Все расстояние она преодолевает за 365 дней 6 ч. 9 мин. и 9 с. Это время получило название звездного года.
Еще есть понятие тропического года, которое предполагает временное расстояние между определенными последовательными перемещениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Этот временный промежуток равен 365 дням 5 ч. 48 мин. и 46 с.
Календарь
Для отсчета времени люди используют Григорианский календарь, подстроенный под длительность тропического года с небольшим отклонением. Поэтому даже через пятьдесят тысяч лет зима будет приходиться на зимние месяцы, а лето – на летние.
Сейчас земная ось располагается под углом 66.5 градусов к плоскости орбиты. Планета совершает движение на протяжении 365 дней параллельно самой себе в космическом пространстве. Следствием движения Земли вокруг светила является смена времен года и разная длина дня и ночи.
Наклон оси
Из-за наклона земной оси к орбитальной плоскости сохраняется расположение планеты в космическом пространстве. Это же влияет на разные углы падения солнечных лучей на поверхность Земли.
В день летнего солнцестояния ось планеты направлена северной частью к нашему светилу. В день зимнего солнцестояния она направлена к Солнцу южной областью.
Эллиптическая орбита
Учитывая продолжительность дня и ночи, моменты расположения Солнца в разных точках, ученые пришли к выводу, что наша планета движется не по кругу, а по эллиптической орбите. Впервые это описал Кеплер. Он же подсчитал, что Марс и Земля периодически ускоряются и замедляются. В результате проведенных наблюдений, подсчетов, он пришел к выводу, что движение планеты осуществляется не по круговой орбите, а по эллипсу.
Движение тел в космосе
Зная, что это – орбита, а также какой она может быть, ученые смогли описать траектории движения самых разных небесных тел. Кометы, спутники, планеты, звезды – большая часть их имеет вытянутую траекторию движения. К примеру, есть кометы, траектория движения у которых сильно вытянута, но может пересекать орбиту планеты. Если в определенный момент планета и комета будут на одной линии движения, то произойдет столкновение, или же гравитационная сила изменит орбиту кометы, сделав ее «пленницей» своей. По мнению ученых, так появились кольца из комет вокруг некоторых планет, а также спутники.
Орбита Солнца
Движение Солнца во Вселенной происходит по Галактической орбите. По отношению к звездам наше светило летит со скоростью 19 км/с в направлении к созвездию Геркулеса. Считается, что вокруг центра Галактики Солнце совершает полный круг за 230 млн лет. Движение звезды по орбите сложное, на траекторию постоянно воздействуют возмущения со стороны массивных космических тел, других звезд, межзвездный газ.
Что такое околоземная орбита и в чем ее польза для человечества — Max Polyakov
Вокруг Земли вращается более трех тысяч спутников, которые помогают человечеству. Они дают продвинутую связь, системы навигации, а также собирают точные данные о проблемах планеты — от уровня загрязнения до вероятности стихийных бедствий, чтобы достигать целей “устойчивого развития” ООН.
Редакция сайта MaxPolyakov.Space объясняет, что такое околоземная орбита и какую пользу принесло ее исследование человечеству.
Ночью без телескопа можно увидеть относительно небольшой участок вселенной. Самый дальний объект, который способны уловить глаза человека— это блеклое пятно, Туманность Андромеды, галактики на расстоянии около 2,5 млн световых лет от Земли.
Намного ближе, всего в нескольких сотнях километров от поверхности Земли находится околоземная орбита.
Благодаря ее исследованию стали доступными спутниковое телевидение, беспроводной интернет, точные прогнозы погоды, GPS — спутниковая система навигации, которая определяет местоположение человека со смартфоном практически в любой точке Земли с точностью до 6-8 метров.
Наука и технологии активно осваивают околоземное пространство, но, к сожалению, для многих людей эта сфера остается крайне недооцененной. К примеру, в США лишь 5% граждан могут назвать себя хорошо проинформированными об исследовании космоса, а в Евросоюзе чуть больше трети опрошенных способны объяснить, чем занимается аэрокосмическое агентство.
Многие люди даже не догадываются, насколько часто используют космические технологии для самых рутинных задач.
К примеру, в среднем люди проводят со смартфоном в руках более двух часов в день, в том числе, используя навигатор, работа которого была бы невозможна без спутниковой поддержки. Еще 10 лет назад без такого устройства в смартфонах было легко заблудиться в новом городе.
Все эти возможности обслуживают искусственные спутники, коих насчитывается более трех тысяч, наибольшая группировка спутников принадлежит США — 1,8 тыс. аппаратов.
Что такое околоземная орбита
Орбита — это траектория вращения одного небесного тела вокруг другого, обладающего значительно большей массой. Например, Земли вокруг Солнца или Луны вокруг Земли.
Орбита вокруг Земли называется низкой околоземной орбитой. Это условная сфера вокруг планеты от поверхности до высоты 2 тыс. км над уровнем моря. Чаще всего используется для обозначения орбиты космического аппарата вокруг Земли, имеет высоту в пределах 160 км (с орбитальным периодом около 88 минут) до 2 тыс. км (примерно 127 минут).
Для сравнения, максимальная высота, на которую способен подняться гражданский самолет, не достигает и 20 км. Пассажирский самолет Boeing 737 из Киева в Берлин, у которого высота полета в среднем 7 км, для выхода на орбиту должен был бы подняться более чем в 20 раз. На низкой околоземной орбите находятся искусственные спутники и Международная космическая станция, там же осуществлялись все пилотируемые космические полеты (за исключением программы полетов на Луну).
Современное представление об орбите прозвучало из уст польского астронома Николая Коперника в XVI веке, который отметил, что Земля — такая же планета, как и Венера или Сатурн, и все они по орбитам вращаются вокруг Солнца. В последующий век ученые активно развивали эту теорию, вычисляли периоды вращения планет и находили спутники на орбитах некоторых из них, пока наконец античная идея о Земле как центре Вселенной не отошла в историю.
Наука объяснила, что небесные тела держатся вместе, создавая устойчивую систему из звезды в центре и планет, которые вращаются вокруг нее. А в конце XVII века англичанин Исаак Ньютон дал имя силе, что движет материей, открыв гравитацию.
Если ученые тех времен только стремились к познанию природы, то в веке XIX исследователи желали попасть за пределы привычного мира. Тогда знаменитый писатель-фантаст Жюль Верн впервые научно описал полет с Земли на Луну. В то же время ученые выдвигали теории ракетных полетов для выхода в космос, и после Второй мировой войны США, СССР и другие страны мира начали активно развивать эту технологию, в частности для военных целей.
К примеру, первый искусственный спутник Земли — советский “Спутник-1” в 1957 году — был доставлен на орбиту именно межконтитальной баллистической ракетой. Этот аппарат имел прорывное научное значение: благодаря устройству стало возможным изучение верхних слоев атмосферы, что было невозможным раньше. Последующие спутники продолжили приносить пользу науке — так, благодаря американскому “Эксплорер-1”, запущенному уже в 1958 году, был открыт радиационный пояс.
Как устроена орбита
Орбита вокруг Земли — явление неоднородное, и астрономия разделяет ее по высоте.
На расстоянии 35 тыс. км находится геостационарная орбита, на которой аппараты вращаются одновременно с Землей, “зависая” на одной долготе.
Эта орбита критически важна для мониторинга погоды, поскольку спутники на ней способны с большой высоты всегда следить за одним и тем же участком планеты.
Как это работает? Пользователь заходит на сайт, чтобы проверить прогноз погоды и смотрит на спутниковые изображения своего населенного пункта. На сайт снимки попали с геостационарной орбиты, на которой находятся специальные спутники. Они каждые пару минут обновляют и отправляют информацию об облаках, водяном паре, ветре, чтобы спрогнозировать погоду в населенном пункте.
Существуют еще несколько видов орбит. Например, “Молния”, имеющая вытянутую эллиптическую форму, где один конец ближе к Земле, чем другой. Вся совокупность орбит хорошо изложена в каталоге NASA.
Наиболее близкая к поверхности — низкая околоземная орбита, расположенная на высоте от 160 до 2 тыс. км. На ней находились все космические станции, а также большая часть спутников — почти 2000.
На этой орбите человек не может выжить без системы жизнеобеспечения, которую используют космонавты для выхода в открытый космос.
Пространство на низкой околоземной орбите не пустое — туда проникают атмосферные газы, которые оказывают на орбитальные объекты хоть и небольшое, но все же влияние, примерно как поток воздуха на пулю, выпущенную из винтовки, разве что в разы слабее. Температура в этом пространстве в среднем составляет около 10 градусов Цельсия. Низкая околоземная орбита — это в принципе не очень далеко от поверхности планеты, так что некоторая схожесть условий не должна вызывать удивления.
На орбитах находятся спутники, работающие во благо человечества. Некоторые спутники работают в течение 15 лет.
Неработающие объекты — это космический мусор. Его устранением занимаются космические компании по всему миру, потому что они представляют опасность для работающих спутников: могут наносить повреждения, которые потом необходимо устранять, либо влиять на точность данных со спутников.
В чем польза орбиты для человечества
Сейчас, когда вокруг Земли уже вращаются тысячи рукотворных объектов, освоение космоса идет рука об руку с экономическим развитием человечества. По данным NASA, освоение космоса приносит не только технологическую и культурную пользу, но и регулярно дает новые взгляды на решение старых земных проблем. Улучшенные солнечные панели, которые превращают энергию солнца в электричество, многие медицинские технологии, сверхлегкие сплавы металлов, системы очистки воды, продвинутая электроника и многое другое. Без всего этого невозможно представить современную жизнь, которую человечество получило благодаря выходу цивилизации в космос.
Перечислим основные достижения выхода на орбиту:
Использование околоземной орбиты раскрывает новые возможности и для бизнеса — например, в NASA считают, что коммерческие программы могут в перспективе создать самостоятельную, устойчивую и быстро развивающуюся орбитальную экономику, где ведущая роль отведена частным предприятиям.
Тем временем уже сегодня затраты на вывод одного спутника на орбиту сократились почти вчетверо. Несложно представить, сколько возможностей для экономики и науки в обозримом будущем даст нам околоземная орбита. Компании начнут соревноваться за право отправить в космос ракету. У человечества есть все необходимое, чтобы реализовать этот потенциал. Главное — продолжать идти по намеченному пути и достигать новых целей, чтобы улучшать жизнь на Земле.
Какие бывают околоземные орбиты?
Во время наших прямых трансляций (а транслируем мы космические запуски) у людей часто возникают вопросы вида: «А что такое геостационарная орбита?», «А на какой высоте находится МКС?», «Орбита «Молния»? Это как!?». Мы решили перевести для вас замечательный каталог орбит NASA, а начнём как раз с околоземных орбит!
Когда спутник достигает высоты ровно в 42164 километров от центра Земли (около 36 000 километров от поверхности Земли), он попадает в своеобразное орбитально «яблочко», место, где скорость его вращения вокруг Земли совпадает со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Поскольку эти скорости одинаковы, аппарат «зависает» вдоль одной долготы, хотя и может дрейфовать с севера на юг. Такая высокая орбита называется геосинхронной.
Спутник на круговой геосинхронной орбите непосредственно над экватором (эксцентриситет и наклонение равны нулю) будет иметь геостационарную орбиту, которая не перемещается относительно Земли вообще. Он всегда находится прямо над одним и тем же местом на поверхности Земли.
Геостационарная орбита чрезвычайно важна для мониторинга погоды, поскольку спутники на этой орбите обеспечивают постоянное наблюдение одной и той же области планеты. Когда вы заходите на любимый сайт проверить погоду и смотрите на спутниковые снимки своего родного города, изображение, которое вы видите, пришло от спутника на геостационарной орбите. Каждые несколько минут геостационарные спутники, такие как аппараты Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), отправляют информацию об облаках, водяном паре и ветре, и этот почти постоянный поток информации служит основой для большинства метеорологических наблюдений и прогнозирования.
Спутники на геостационарной орбите вращаются непосредственно над экватором, постоянно находясь над одной и той же областью. Это положение позволяет спутникам наблюдать за погодой и другими явлениями, которые часто меняются. Credit: NASA/Marit Jentoft-Nilsen and Robert Simmon.
Поскольку геостационарные спутники всегда находятся в одном месте, они также могут быть полезны для телефонной, теле- и радиосвязи. Созданные и запущенные NASA и управляемые Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), спутники GOES обеспечивают связь с поисково-спасательными маяками, которые помогают находить суда и самолеты, терпящие крушение.
Наконец, многие спутники на высокой орбите контролируют солнечную активность. Спутники GOES несут на себе большой набор инструментов для исследования «космической погоды»: они получают изображения Солнца и отслеживают магнитные и радиационные уровни в космосе вокруг аппаратов.
Есть и другие орбитальные «яблочки», расположенные непосредственно за пределами высокой околоземной орбиты — это точки Лагранжа. В точках Лагранжа земное притяжение компенсирует притяжение Солнца. Все, что находится в этих точках, притягивается к Земле и к Солнцу с одинаковой силой. Это такой баланс, в котором нам не нужно тратить топливо, чтобы удерживать орбиту аппарата постоянной.
Из пяти точек Лагранжа в системе Солнце-Земля только последние две, называемые L4 и L5, являются стабильными. Спутник в трех других точках подобен шару, оставленному на вершине крутого холма: любое небольшое возмущение выталкивает спутник из точки Лагранжа, словно мяч, который при малейшем взаимодействии скатится по холму вниз. Спутники в этих трех точках нуждаются в постоянной корректировке, чтобы оставаться сбалансированными. Аппараты в последних двух точках Лагранжа больше похожи на шар в глубокой тарелке: даже если их немного подтолкнуть, они вернутся в точку Лагранжа (в центр тарелки в нашей аналогии).
Точки Лагранжа — это специальные места, где спутник останется неподвижным относительно Земли, пока и спутник и Земля вращаются вокруг Солнца. L1 и L2 расположены выше дневных и ночных сторон Земли соответственно. L3 находится по обратную сторону Солнца, напротив Земли. L4 и L5 — в 60° впереди и позади Земли на одной орбите. Credit: NASA/Robert Simmon.
Ближайшие к Земле точки Лагранжа находятся примерно в 5 раз дальше, чем Луна. L1 находится между Солнцем и Землей и всегда обращена к дневной стороне Земли. L2 находится напротив солнца, всегда на ночной стороне. Credit: NASA/Robert Simmon.
Первая точка Лагранжа расположена между Землей и Солнцем, что позволяет спутникам в этой точке постоянного наблюдать за нашей звездой. Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO), спутник НАСА и Европейского космического агентства, которому поручено контролировать Солнце, обращается вокруг первой точки Лагранжа примерно в 1,5 миллионах километров от Земли.
Вторая точка Лагранжа находится примерно на том же расстоянии от Земли, но расположена за Землей относительно Солнца — Земля всегда находится между второй точкой Лагранжа и звездой. Поскольку Солнце и Земля находятся на одной линии, спутники в этом месте нуждаются только в одном тепловом щите, который будет блокировать тепло и свет, исходящие от Солнца и Земли. Это хорошее место для космических телескопов, в том числе для будущего космического телескопа им. Джеймса Уэбба (запуск ожидается в 2021 году). В этой же точке, например, работал зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), исследовавший реликтовое излучение Вселенной с 2001 по 2009 год — именно его наблюдения помогли значительно продвинуться в теории тёмной материи и тёмной энергии.
Третья точка Лагранжа находится по другую сторону Солнца от Земли, так что Солнце всегда находится между ней и Землей. Без специальных ретрансляторов спутник в таком положении не сможет общаться с Землей — Солнце заблокирует прямые сигналы.
Крайне стабильные четвертая и пятая точки Лагранжа находятся на орбите Земли вокруг Солнца, на 60 градусов впереди и позади нашей планеты. Двойная солнечная обсерватория (STEREO) на своём пути к противоположным сторонам Солнца проходили именно четвертую и пятую точки Лагранжа — это позволяет создавать стереоскопические изображения звезды.
5 июля 2009 года два аппарата Двойной солнечной обсерватории (STEREO) на пути к точкам L4 и L5 сделали эти снимки солнечного пятна 1024. Виды Солнца в 60 градусов позади (на изображении — слева) и впереди (справа) от орбиты Земли показывают области поверхности Солнца, которые иначе были бы скрыты от зрения. Credit: NASA/STEREO.
Ближе к Земле спутники начинают вращаться быстрее. Стоит отметить две средние околоземные орбиты: полусинхронная орбита и Молния.
Полусинхронная орбита представляет собой околокруговую орбиту (с низким эксцентриситетом) на высоте 26 560 километров от центра Земли (около 20 200 км над поверхностью). Один полный оборот вокруг планеты на такой орбите происходит за 12 часов. Однако пока полусинхронный спутник вращается, Земля под ним тоже движется вокруг своей оси. Ежедневно такой аппарат пролетает над одними и теми же двумя точками на экваторе. Эта орбита является постоянной и очень предсказуемой. Именно она используется спутниками глобальной системы позиционирования (GPS).
Вторая известная средняя орбита Земли — орбита Молнии. Впервые она была использована Советским Союзом, а её особенность помогает наблюдать за высокими широтами. Геостационарная орбита полезна и удобна для постоянного наблюдения, но спутники на геостационарной орбите «подвешены» над экватором, поэтому они плохо работают в отдаленных северных или южных районах, которые всегда находятся на краю обзора геостационарных аппаратов. Орбита Молния является удобной альтернативой.
Орбита Молния сочетает в себе высокое наклонение (63,4°) с высоким эксцентриситетом (0,722), чтобы максимизировать время наблюдений в высоких широтах. Каждый оборот длится 12 часов, поэтому медленная, высотная часть орбиты повторяется в одном и том же месте каждую день и ночь. В настоящее время этот тип орбиты используют российские спутники связи и аппараты Sirius (Адаптированное цитирование книги «Основы космических систем» Винсента Л. Писакана, 2005 г.)
У Молнии высокий эксцентриситет: спутник движется по очень вытянутому эллипсу, ближе к одному из краёв которого находится Земля. Поскольку такой аппарат ускоряется силой притяжения нашей планеты, спутник движется очень быстро, когда он приближается к Земле. Когда он отдаляется, его скорость замедляется, поэтому он проводит больше времени на вершине своей орбиты, наиболее удаленной от Земли. Один полный оборот на такой орбите занимает 12 часов, но две трети этого времени аппарат видит лишь одно полушарие. Как и в случае полусинхронной орбиты, аппарат на Молнии проходит один и тот же путь каждые 12 часов. Это может быть полезно для связи на крайнем севере или юге.
Низкая околоземная орбита
Большинство научных спутников и множество метеорологических спутников находятся на почти круговой низкой околоземной орбите. Наклонение спутника зависит от того, с какой целью он запускается. Спутник TRMM, например, был запущен в 1997 году для мониторинга осадков в тропиках. Поэтому он имел относительно низкое наклонение (35 градусов) и оставался вблизи экватора, исправно выполняя свою миссию вплоть до 2015 года.
Низкое наклонение орбиты TRMM (всего 35° от экватора) позволяло его инструментам концентрироваться на тропиках. На этом изображении показана половина наблюдений, которые TRMM производил за один день. Credit: NASA/TRMM.
Многие спутники программы NASA по наблюдению за Землёй имеют почти полярную орбиту. На этой сильно наклоненной орбите спутник перемещается вокруг Земли от полюса к полюсу, совершая один оборот примерно за 99 минут. На одной половине орбиты спутник наблюдает дневную сторону Земли. На полюсе он пересекает ночную сторону.
Пока спутники летят наверху, Земля под ними тоже поворачивается. К тому времени, когда спутник снова перейдет в «дневную» область, он уже будет находиться над районом, прилегающим к той области, которую он наблюдал во время прошлого оборота. В течение суток полярные орбитальные спутники успевают рассмотреть большую часть Земли дважды: один раз при дневном свете и один раз в темноте.
Аппараты на солнечной синхронной орбите пересекают экватор примерно в одно и то же местное время каждый день (и ночь). Эта орбита позволяет проводить последовательные научные наблюдения, при этом угол между Солнцем и поверхностью Земли остается относительно постоянным. На этих иллюстрациях показаны 3 последовательные оборота солнечно-синхронного спутника с экваториальным временем пересечения 13:30. Последняя орбита спутника обозначена темно-красной линией, а предыдущие — более светлыми. Credit: NASA/Robert Simmon.
В то время как «яблочко» геосинхронных спутников находится над экватором (это место позволяет им оставаться в одной и той же позиции над Землёй), у полярно-орбитальных спутников есть своё «яблочко», которое позволяет наблюдать одну и ту же область. Эта орбита синхронизирована по Солнцу, что означает, что всякий раз, когда спутник пересекает экватор, локальное солнечное время на земле всегда одно и то же. Например, для спутника Terra это всегда около 10:30 утра, в это время спутник пересекает экватор в Бразилии. Когда спутник сделает полный оборот вокруг Земли через 99 минут, он пересечёт экватор в Эквадоре или Колумбии, примерно в те же 10:30 по местному времени.
Солнечно-синхронная орбита крайне важна для науки, потому что она удерживает угол падения солнечного света на поверхность Земли более-менее постоянным, хотя угол и будет меняться вместе со сменой времён года. Это постоянство означает, что ученые в течение нескольких лет могут сравнивать изображения одной и той же области в одно и то же время года, не беспокоясь слишком сильно об изменениях углов теней и освещения, которые могли бы создавать иллюзии изменений. Без солнечно-синхронной орбиты было бы очень сложно отслеживать изменения с течением времени. Было бы просто невозможно собрать информацию, необходимую для изучения изменений климата.