Что такое низкая околоземная орбита и почему спутники не падают нам на головы

Простыми словами низкая околоземная орбита (НОО) именно тем, чем она и называется – низкой орбитой вокруг нашей планеты, которая пролегает на нижней границе диапазона возможных орбит. Это примерно 2000 км над Землей и даже чуть ниже.

Не упустите Могли бы люди дышать воздухом на Марсе и что произойдет с астронавтом, который снимет скафандр

Большинство спутников находятся именно на низкой орбите, как и МКС. Чтобы остаться на этой орбите, спутник должен двигаться на скорости около 7,8 километра в секунду. При этом ему нужно примерно 90 минут, чтобы завершить оборот вокруг планеты.

Низкая околоземная орбита / Фото ESA

Как работает орбита

Орбиты возможны благодаря силе тяготения – той же силе, которая удерживает нас на поверхности планеты. Подобно тому, как мы полетели бы в космос, если бы не существовало гравитации, так и спутник улетел бы по касательной.

Это происходит в случае космического корабля, путешествующего на второй космической скорости – 11,2 км/с. При достижении объектом такой скорости он может покинуть окрестности Земли и стать спутником Солнца. Если объект движется гораздо медленнее, например, суборбитальная ракета New Shepard Blue Origin, то он упадет на Землю так же уверенно, как и вы, когда подпрыгиваете в воздух.

Орбитальная скорость – 7,8 км/с – это скорость, при которой сила тяжести не дает объекту улететь по касательной. В результате движущийся с такой скоростью объект будет просто вращаться вокруг Земли – станет ее спутником. Это горизонтальная скорость, параллельная поверхности планеты. Когда спутник достигает орбитальной скорости, он официально находится на орбите.

Движение спутника по орбите / Фото ESA

Почему спутники выводят на низкую околоземную орбиту

Орбитальная скорость 7,8 км/с позволяет вывести объект на НОО прямо над атмосферой Земли. На больших высотах скорость, необходимая для удержания спутника на орбите, изменяется (по мере увеличения высоты необходимая скорость падает).

Однако это не означает, что ракета должна тратить меньше энергии, чтобы вывести спутник на более высокую орбиту. Это объясняется тем, что требуется огромное количество энергии, чтобы просто добиться такой высоты. Эти дополнительные усилия, направленные на подъем на большую высоту, являются одной из причин, по которым большинство спутников размещают на низкой орбите. Другими причинами является то, что, например, спутники для слежения за поверхностью Земли могут фотографировать ее с большим разрешением именно с самой низкой точки орбиты.

Однако есть одна особая высотная орбита, для достижения которой следует приложить дополнительные усилия, и это геосинхронная околоземная орбита (ГОО).

Интересно Насколько холодно в космосе: какие процессы влияют на температуру Вселенной

Для чего нужна геосинхронная орбита

Спутник на НОО совершает около 16 оборотов каждый день или за каждый полный оборот самой Земли. Однако ГОО находится на высоте около 36 тысяч километров, после чего орбитальная скорость замедляется, поэтому одна орбита соответствует ровно одному обороту Земли вокруг себя.

Это означает, что спутник на такой высоте фактически зависает над одной точкой на поверхности Земли (движется синхронно с планетой), что делает его особенно полезным для спутникового телевидения и других систем связи.

Геосинхронная орбита / Фото ESA

Орбиты спутников обычно имеют траекторию овального типа, которая называется эллипсом, длина и ширина которого известны как большая и малая оси.

Когда эти две оси равны по размеру, орбита является идеальным кругом, являющимся лишь частным случаем эллипса. Большинство спутников имеют почти круговые орбиты, но в некоторых случаях эллипс может быть гораздо более вытянутым, с большой осью гораздо длиннее малой оси.

Почему спутники не падают нам на головы

На самом деле все наоборот – все спутники на орбите Земли и даже Международная космическая станция падают на нас, однако делают они это очень и очень медленно. Этому способствует сила тяготения, притягивающая объекты к Земле. Гравитация тем сильнее, чем ближе объект к Земле, и вращающиеся вокруг Земли спутники должны двигаться на очень высоких скоростях, чтобы оставаться на орбите. Об этом мы писали выше.

В то же время они продолжают немного замедляться и фактически очень медленно падают на поверхность планеты. Именно поэтому периодически происходит корректировка орбиты некоторых сателлитов и МКС. Другие спутники со временем сходят с орбиты, входят в плотные слои атмосферы и сгорают там не достигая поверхности планеты.

Читайте на сайте Солнечные языки: что такое выбросы корональной массы Солнца, как они образуются и почему опасны

Другие типы орбит

Кроме низкой околоземной и геостационарной орбит, есть еще несколько траекторий, на которые выводят разнообразные космические аппараты в зависимости от цели.

• Средняя околоземная орбита (СОВ) включает широкий диапазон орбит между НОО и ГОО. Она похожа на НОО тем, что ей тоже не нужно проходить определенные пути вокруг Земли, и ее используют разные спутники, например те, которые используются для навигационных систем.
• Полярную орбиту (ПО) обычно используют спутники, путешествующие мимо Земли с севера на юг, а не с запада на восток, проходя примерно над полюсами Земли.
• Солнечно-синхронная орбита (ССО) представляет собой особый вид полярной орбиты. Спутники на ССО, путешествуя над полярными областями, синхронны с Солнцем. Это означает, что они синхронизированы, чтобы всегда находиться в одном "фиксированном" положении по отношению к Солнцу. Таким образом спутник всегда посещает одно и то же место в одно и то же местное время, например, пролетая мимо конкретного города каждый день ровно в полдень.
• Трансферные орбиты – это особый вид орбит, используемый для перехода с одной орбиты на другую. Когда спутники запускаются с Земли и переносятся в космос с помощью ракет-носителей, спутники не всегда размещаются непосредственно на конечной орбите. Сателлиты часто размещаются на переходной орбите: орбите, на которой, используя сравнительно небольшое количество энергии от встроенных двигателей, спутник или космический корабль могут переходить с одной орбиты на другую.

Существуют также точки Лагранжа (L-точки), являющиеся орбитами, которые находятся гораздо дальше (более миллиона километров) от нашей планеты и не вращаются вокруг Земли напрямую. Это определенные точки далеко в космосе, где гравитационные поля Земли и Солнца сочетаются таким образом, что вращающиеся вокруг них космические корабли остаются стабильными и, таким образом, могут быть "закреплены" относительно Земли. В одной из таких точек, например, сейчас находится самый мощный в истории человечества космический телескоп James Webb.