Umetni sateliti so postali del našega vsakdana. Brez navigacijskih sistemov bi bili povsem izgubljeni, medtem ko bi komunikacija z oddaljenim delom sveta potekala izjemno počasi. Natančna napoved vremena in razumevanje klimatskih sprememb sta odvisni od meteoroloških satelitov. In nato so tu še znanstveni sateliti, ki nam razkrivajo lastnosti vesolja. Ste se kdaj vprašali, kje se vsi ti sateliti nahajajo? Kako se gibljejo? Odgovore najdete v tem članku.
Piše: Jure Japelj
Delno povzeto po: Catalog of Earth Satellite Orbits
Sveta trojica: višina, ekscentričnost in inklinacija
Prostor okoli Zemlje običajno razdelimo na tri dele, v katerih se nahajajo trije različni tipi orbit umetnih satelitov: nizke, srednje in visoke Zemljine orbite. Funkcija satelita določa njegovo orbito okoli Zemlje. Mreže navigacijskih satelitov se tako nahajajo v srednji Zemljini orbiti, medtem ko imajo komunikacijski sateliti tipično nizke orbite.
Orbita satelita je določena z višino, ekscentričnostjo in inklinacijo. Višina orbite je razdalja med Zemljinim površjem in satelitom. Višina določa, kako hitro se satelit giblje okoli Zemlje. Višje ko je satelit, počasneje se giblje okoli Zemlje. Mednarodna vesoljska postaja potrebuje malo več kot 92 minut, da obkroži Zemljo na višini 410 kilometrov. GPS sateliti, ki se nahajajo na višini 20200 kilometrov, pa za obhod Zemlje potrebujejo dvanajst ur. Tukaj je animacija, ki ilustrira povezavo med višino in hitrostjo.
Orbite satelitov niso popolne krožnice, temveč elipse. Ploščatost elipse opišemo z ekscentričnostjo. Orbita z ekscentričnostjo 0 je krožnica (zgornja slika). Bolj ko se približamo ekscentričnosti 1, bolj je orbita sploščena. Ekscentričnost 1 ali več pomeni, da satelit ne bi bil več vezan na Zemljo, temveč bi ga po paraboli ali hiperboli izstrelilo v vesolje.
Zadnji parameter je inklinacija orbite, to je naklon orbite glede na ekvator. Satelit, ki kroži nad ekvatorjem, ima inklinacijo 0 stopinj. Če satelit kroži na orbiti preko severnega in južnega pola, ima inklinacijo 90 stopinj.
Nizko nad oblaki
Večina satelitov se okoli Zemlje giblje v nizki Zemljini orbiti. Vpliv Zemljine atmosfere je čutiti vse do 1000 km nad površjem. Kljub temu, da je atmosfera na takšnih višinah izjemno redka, molekule trkajo s sateliti in jim sčasoma znižajo orbito. Satelitom na teh višinah je zato vsake toliko časa potrebno popraviti orbito. Mednarodna vesoljska postaja pri tem ni izjema. Priloženi graf lepo pokaže, kako je bila orbita postaje v zadnjem letu večkrat popravljena. Po vsakem popravku postaja počasi izgublja višino.
Spreminjanje višine orbite Mednarodne vesoljske postaje v zadnjem letu. Vir
Zakaj satelite enostavno ne pošljemo v višje orbite, in se tako izognemo trenju atmosfere? Nizke orbite imajo kar nekaj prednosti. Manj energije potrebujemo, da dostavimo satelit s površja v nizko orbito, kot v visoko. Ker je satelit bližje površju, poteka komunikacija s satelitom z manjšo časovno zakasnitvijo. Poleg tega ne potrebujemo tako močnih oddajnikov. Nizka orbita je zato popularna za telekomunikacijske storitve. SpaceX bo v naslednjih letih v nizko orbito (do višine 600 km) vtiril približno 30000 satelitov, katerih namen je zagotoviti hitro internetno povezavo po svetu. OneWeb bo v nekoliko višjo orbito (na višini 1200 km) postavil floto 50000 satelitov. Po napovedih bomo v tem desetletju v nizki orbiti dobili kar 100000 novih satelitov zgolj za potrebe telekomunikacije. Za občutek, trenutno je v nizki orbiti okoli 6000 satelitov, pri čemer več kot polovica ni več delujočih.
Poleg telekomunikacijskih satelitov se v nizki orbiti nahajajo tudi številni znanstveni sateliti, ki opazujejo tako Zemljo kot vesolje. Dva najslavnejša prebivalca nizkih orbit sta že omenjena Mednarodna vesoljska postaja in Vesoljski teleskop Hubble.
Posebne srednje orbite
Med orbitami srednjih višin izstopata dve posebni orbiti: polsinhrona orbita in orbita molnija. Prva je orbita majhne ekscentričnosti 20200 km nad površjem. Satelit na tej višini Zemljo obide v dvanajstih urah, torej v štiriindvajsetih urah prečka isto točko nad površjem. Takšno orbito imajo sateliti sistema GPS.
Orbita molnija je uporabna predvsem za opazovanje (ali doseg) visokih in nizkih geografskih širin. Gre za zelo ekscentrično orbito z visoko inklinacijo (63 stopinj; glej sliko). Satelit hitro švigne mimo Zemlje, ko ji je najbližje, in nato večino časa preživi na oddaljeni strani. En obhod traja dvanajst ur, a satelit porabi dve tretjini časa nad eno samo hemisfero. Ime je orbita dobila po komunikacijskih satelitih Molniya, ki jih je uporabljala Sovjetska zveza v šestdesetih letih.
Visoke in geosinhrone orbite
Satelit, ki kroži okoli Zemlje na višini okoli 36000 km, se giblje z enako kotno hitrostjo kot Zemlja. Gledano z Zemlje tak satelit vedno ostaja nad isto zemljepisno dolžino, pomika se le severno in južno od ekvatorja. Takšni orbiti pravimo geosinhrona orbita. Satelit je vedno nad isto točko nad Zemljo, če njegova orbita leži v isti ravnini kot ekvator. Ekscentričnost mora v tem primeru biti enaka nič. Takšnemu satelitu rečemo geostacionarni satelit.
Geostacionarni sateliti so pomembni za spremljanje vremena na Zemlji. Vsakih nekaj minut na Zemljo pošljejo podatke o oblakih, vodni pari in vetru. Te neprecenljive informacije uporabljamo za napovedovanje vremena in za razumevanje podnebnih sprememb. Ker se geostacionarni sateliti vedno nahajajo nad istim delom Zemlje, se uporabljajo tudi za telekomunikacije (kjer časovna zakasnitev ni tako pomembna). Sateliti, ki se nahajajo na višjih orbitah, za obhod Zemlje potrebujejo več kot en dan, zato se na nebu navidezno gibljejo v nasprotno smer. Ti sateliti so tipično znanstveni, uporabljajo pa se za raziskave Zemeljske magnetosfere in vesoljskega vremena.
Gremo še malo dlje: Lagrangeeve točke
V Sončnem sistemu je nekaj posebnih točk, kamor prav tako pošiljamo satelite. Postavimo se v sistem Zemlje in Sonca. Zemlja in Sonce se gibljeta okoli skupnega težišča. Sedaj postavimo satelit v ta rotirajoč se sistem. Matematika Leonhard Euler in Joseph-Louis Lagrange sta v osemnajstem stoletju pokazala, da v takem sistemu obstaja pet točk, v katerih je vsota vseh sil na satelit enaka nič. Te točke imenujemo Lagrangeeve točke.
Pet Lagrangeevih točk v sistemu Sonce-Zemlja. Vir
Prve tri točke (L1, L2 in L3) so nestabilne. Satelit, ki ga postavimo v katerokoli izmed teh treh točk, bo ob najmanjši motnji ušel stran. Po drugi strani pa sta točki L4 in L5 stabilni; tudi če bi satelit postavili v ti dve točki in ga frcnili, se ta ne bi bistveno oddaljil od njiju. Poudariti velja, da Sonce z vsakim planetom Osončja tvori svoj niz petih točk. Zaenkrat imamo satelite le v točkah L1 in L2. V vseh primerih gre za raziskovalne, znanstvene satelite. Ker sta obe nestabilni, je potrebno orbite satelitov okoli teh dveh točk neprestano popravljati.
Točka L1 leži med Zemljo in Soncem (od Zemlje je oddaljena 1.5 milijona kilometrov), zato je primerna za raziskovanje Sonca. Slavni satelit SOHO v tej točki že 24 let opazuje Sonce. Poleg novih spoznanj o Soncu je ta satelit odkril tudi številne asteroide, ki jih lahko vidimo le s tega edinstvenega položaja. Dolgo brado ima tudi ACE, ki v L1 raziskuje vesoljsko vreme (delce, ki pridejo do Zemlje s Sonca).
Točka L2 je prav tako od Zemlje oddaljena približno 1.5 milijona kilometrov, a leži na drugi strani Zemlje. Zaradi svoje lege L2 služi kot pripraven prostor za številne satelite. Tam že skoraj pet let satelit Gaia izvaja najbolj natančne meritve položaja zvezd v Galaksiji. K L2 bomo kmalu poslali Vesoljski teleskop James Webb, ki bo vesolje opazoval v infrardečem, in Vesoljski teleskop Euclid, ki nam bo pomagal razvozlati skrivnosti temne snovi in temne energije. Celoten spisek satelitov, ki so bili in še bodo vtirjeni v L1 in L2, si lahko ogledate tukaj.
Pestra prihodnost
Predvsem v nizki Zemljini orbiti se bo število satelitov v naslednjih letih dramatično povečalo. Izstrelitev satelita je v zadnjih letih postala precej cenejša. Tako imamo na eni strani megalomanske projekte telekomunikacijskih projektov, na drugi pa vse več manjših podjetij s svojimi lastnimi mikro in nanosateliti. Med slednjimi sta tudi nedavno izstreljena slovenska satelita Trisat in NEMO-HD. Z nestrpnostjo pričakujemo tudi izstrelitve naslednje generacije znanstvenih satelitov kot sta James Webb in Euclid.
Povečanje števila satelitov in komercializacija vesolja pa prinaša tudi številne izzive. Problem vesoljskih smeti postaja vedno bolj pereč. Zagotoviti je potrebno tudi mednarodno regulacijo vesolja. Kdo si lahko lasti površje Lune, Marsa, ali z rudninami bogatega asteroida? Kaj narediti z nedelujočimi sateliti? Kako bodo nove vesoljske težnje vplivale na prihodnje politične odnose?
Vsekakor nas v naslednjih letih čaka pestro vesoljsko dogajanje.
{youtube}PZAkiXNJIqc|500|305{/youtube}
Prikaz in razlaga različnih orbit okoli Zemlje.