Kāpēc satelīts nenokrīt uz Zemi?
Šo jautājumu var dzirdēt bieži. Kvalitatīvu atbildi uz to var iegūt, izmantojot šādu domu eksperimentu. Pieņemsim, ka uz Zemes ir 200 km augsts kalns un jūs uzkāpjat virsotnē. Mest akmeni no kalna virsotnes. Jo vairāk šūposies, jo tālāk akmens lidos. Pirmkārt, tas nokritīs kalna malā, tad tā pakājē, un, visbeidzot, tā krituma punkts pazudīs kaut kur aiz horizonta. Protams, mēs pieņemam, ka jums ir patiesi Herkules spēks (ko, protams, ievērojami veicināja tīrais kalnu gaiss). Tu vari mest akmeni tā, lai tas nokrīt Zemes pretējā pusē un pat kalna pakājē, bet otrā pusē, riņķojot ap Zemi.Vēl neliela piepūle un akmens, riņķojot ap Zemi, svilpos pār tavu galvu, pārvēršoties par sava veida bumerangu.Un tā Tagad savienojiet akmens lidojumu ar jautājumu - kāpēc satelīts nenokrīt uz Zemi.
Iepriekš minētais eksperiments parāda, ka satelīts nepārtraukti krīt uz Zemi. Nebrīnieties, tas krīt un mēģina saskarties ar Zemes virsmu. Kas noticis? Pieņemsim, ka Zeme ir sfēriska, tās lauks ir centrālais, un satelītu lidojums notiek tieši virs tās virsmas, teiksim, viena metra augstumā. Teorētiski to var pieļaut. Attēlā 21 līdz OA norāda satelīta apļveida orbītas rādiusu. Lai kādā brīdī satelīts atrastos punktā A un tā lidojuma ātrums būtu vērsts pa līniju AB, kas ir perpendikulāra rādiusam OA.
Ja nebūtu Zemes gravitācijas, tad pēc kāda īsa laika pavadonis nonāktu punktā B, guļot uz ātruma vektora turpinājuma, un attālinātos no punkta A līdz attālumam AB. Taču Zemes gravitācijas dēļ tās lidojuma trajektorija būs saliekta un līdz ar to satelīts nonāks kādā punktā C. Tas nozīmē, ka, ņemot vērā satelīta lidojumu nemainīgā ātrumā ar vienlaicīgu “krišanu” uz Zemi, līdz tās smagumam mēs nesaņemam neko vairāk kā Roundabout Circulation. Tagad kļūst skaidrs, kāpēc satelīts nesasniedz Zemes virsmu: par cik satelīts novirzās no taisnvirziena kustības Zemes gravitācijas spēku ietekmes dēļ, Zemes virsma “novirzīs” no taisnes tās sfēriskuma dēļ. Tēlaini izsakoties, šķiet, ka satelīts nepārtraukti cenšas sasniegt Zemes virsmu, un Zemes virsma, izliekusies, no tās bēg. Un šis process turpinās visu lidojuma laiku, kā rezultātā satelīts nevar sasniegt Zemes virsmu. Tomēr šīs parādības paradoksālais raksturs nav pārsteidzošs, tai var atrast pienācīgu "zemes" analoģiju. Atcerieties eksperimentu, kad domājāt pagriezt svaru uz izstieptas auklas. Rotācijas procesā jūs ar auklas palīdzību nemitīgi velciet svaru sev pretī, bet tomēr tas nekad nesasniedz jūsu roku un tas jūs nemaz nepārsteidz. Kaut kas līdzīgs notiek kosmiskā mērogā: Zemes gravitācijas spēks ir tieši tā virve, kas notur satelītu un liek tam griezties ap Zemi.
Šodien mēs varam agrā rītā vai vakarā izkāpt ārpus mājas un redzēt virs galvas lidojam gaišu kosmosa staciju. Lai gan kosmosa ceļojumi ir kļuvuši par ierastu mūsdienu pasaules sastāvdaļu, daudziem cilvēkiem kosmoss un ar to saistītie jautājumi joprojām ir noslēpums. Tā, piemēram, daudzi nesaprot, kāpēc satelīti nenokrīt uz Zemes un nelido kosmosā?
Elementāra fizika
Ja mēs iemetīsim bumbu gaisā, tā drīz atgriezīsies uz Zemes, tāpat kā jebkurš cits objekts, piemēram, lidmašīna, lode vai pat balons.
Lai saprastu, kāpēc kosmosa kuģis spēj riņķot ap Zemi, nekrītot, vismaz normālos apstākļos, mums ir jāveic domu eksperiments. Iedomājieties, ka atrodaties tajā, bet tajā nav gaisa vai atmosfēras. Mums ir jāatbrīvojas no gaisa, lai mēs varētu padarīt savu modeli pēc iespējas vienkāršāku. Tagad jums būs garīgi jāuzkāpj augsta kalna virsotnē ar ieroci, lai saprastu, kāpēc satelīti nenokrīt uz Zemi.
Veiksim eksperimentu
Nomērķējam lielgabala stobru precīzi horizontāli un šaujam uz rietumu horizontu. Lādiņš lielā ātrumā izlidos no purna un virzīsies uz rietumiem. Tiklīdz šāviņš pametīs stobru, tas sāks tuvoties planētas virsmai.
Lielgabala lodei strauji virzoties uz rietumiem, tā trāpīs zemē kādu attālumu no kalna virsotnes. Ja turpināsim palielināt lielgabala jaudu, šāviņš nokritīs zemē daudz tālāk no šaušanas vietas. Tā kā mūsu planēta ir veidota kā bumbiņa, katru reizi, kad lode atstāj purnu, tā kritīs tālāk, jo planēta arī turpina griezties ap savu asi. Tāpēc satelīti gravitācijas dēļ nenokrīt uz Zemi.
Tā kā šis ir domu eksperiments, mēs varam padarīt ieroci jaudīgāku. Galu galā mēs varam iedomāties situāciju, kurā šāviņš pārvietojas ar tādu pašu ātrumu kā planēta.
Šādā ātrumā, bez gaisa pretestības, lai to palēninātu, šāviņš turpinās riņķot ap Zemi mūžīgi, nepārtraukti krītot pretī planētai, taču arī Zeme turpinās krist ar tādu pašu ātrumu, it kā "aizbēgtu" no šāviņa. Šo nosacījumu sauc par brīvo kritienu.
Par praksi
Reālajā dzīvē viss nav tik vienkārši kā mūsu domu eksperimentā. Tagad mums ir jātiek galā ar gaisa pretestību, kas liek šāviņam palēnināt, galu galā laupot tam nepieciešamo ātrumu, lai paliktu orbītā un izvairītos no nokrišanas uz Zemi.
Pat vairāku simtu kilometru attālumā no Zemes virsmas joprojām ir zināma gaisa pretestība, kas iedarbojas uz satelītiem un kosmosa stacijām un liek tiem palēnināt. Šī pretestība galu galā liek kosmosa kuģim vai satelītam iekļūt atmosfērā, kur tas parasti izdeg berzes dēļ ar gaisu.
Ja kosmosa stacijām un citiem satelītiem nebūtu tāda paātrinājuma, lai tos paceltu augstāk orbītā, tie visi neveiksmīgi nokristu uz Zemi. Tādējādi satelīta ātrums tiek noregulēts tā, lai tas nokristu pret planētu ar tādu pašu ātrumu, kādā planēta izliekas prom no satelīta. Tāpēc satelīti nenokrīt uz Zemi.
Planētu mijiedarbība
Tas pats process attiecas uz mūsu Mēnesi, kas pārvietojas brīvā kritiena orbītā ap Zemi. Katru sekundi Mēness pietuvojas Zemei par aptuveni 0,125 cm, bet tajā pašā laikā mūsu sfēriskās planētas virsma nobīdās par tādu pašu attālumu, izvairoties no Mēness, tāpēc tie paliek savās orbītās viens pret otru.
Orbītās vai brīvajā kritienā nav nekā maģiska; tie tikai izskaidro, kāpēc satelīti nenokrīt uz Zemi. Tas ir tikai gravitācija un ātrums. Bet tas ir neticami interesanti, tāpat kā viss pārējais, kas saistīts ar kosmosu.
Šobrīd Zemes orbītā atrodas vairāk nekā 1000 mākslīgo pavadoņu. Tie veic visdažādākos uzdevumus, un tiem ir atšķirīgs dizains. Taču viņiem ir viena kopīga iezīme – pavadoņi griežas ap planētu un nekrīt.
Ātrs skaidrojums
Faktiski satelīti gravitācijas dēļ visu laiku krīt uz Zemi. Bet tie vienmēr garām, jo tiem ir sānu ātrums, ko nosaka inerce palaišanas laikā.
Satelīta rotācija ap Zemi ir tā pastāvīgā krītošā pagātne.
Paskaidrojums
Ja tu met bumbu gaisā, bumba nokrīt atpakaļ. Tas ir tāpēc, ka smagums- tas pats spēks, kas notur mūs uz Zemes un neļauj mums izlidot kosmosā.
Satelītus orbītā palaiž ar raķetēm. Raķetei jāpaātrina līdz 29 000 km/h! Tas ir pietiekami ātri, lai pārvarētu spēcīgo gravitāciju un izkļūtu no Zemes atmosfēras. Kad raķete sasniedz vēlamo punktu virs Zemes, tā atbrīvo satelītu.
Satelīts izmanto enerģiju, kas saņemta no raķetes, lai paliktu kustībā. Šo kustību sauc impulss.
Bet kā satelīts paliek orbītā? Vai viņš nelidotu tieši kosmosā?
Ne īsti. Pat tad, kad satelīts atrodas tūkstošiem kilometru attālumā, Zemes gravitācija joprojām to velk. Zemes gravitācija apvienojumā ar raķetes impulsu liek satelītam sekot apļveida ceļam ap Zemi - orbītā.
Kad satelīts atrodas orbītā, tam ir ideāls līdzsvars starp impulsu un Zemes gravitācijas spēku. Bet atrast šo līdzsvaru ir diezgan grūti.
Gravitācija ir spēcīgāka, jo tuvāk Zemei atrodas objekts. Un satelītiem, kas riņķo ap Zemi, ir jāpārvietojas ar ļoti lielu ātrumu, lai paliktu orbītā.
Piemēram, satelīts NOAA-20 riņķo tikai dažus simtus kilometru virs Zemes. Lai paliktu orbītā, tam jābrauc ar ātrumu 27 300 km/h.
No otras puses, NOAA satelīts GOES-East riņķo ap Zemi 35 405 km augstumā. Lai pārvarētu gravitāciju un paliktu orbītā, tam nepieciešams ātrums aptuveni 10 780 km/h.
SKS atrodas 400 km augstumā, tātad tā ātrums ir 27 720 km/h
Satelīti var palikt orbītā simtiem gadu, tāpēc mums nav jāuztraucas par to nokrišanu uz Zemi.
Ilustrācijas autortiesības Getty Images
Kosmosa atkritumu daudzums zemās Zemes orbītā nepārtraukti pieaug. Kolonnists nolēma noskaidrot, kas notiek, kad izlietotie satelīti nokrīt uz Zemi. Vācu zinātnieki pēta šo problēmu.
Ēka, kurā Vilemss man rādīs “interesantākās lietas”, pieder Vācijas Aviācijas un kosmosa centra (DLR) aerodinamiskās izpētes institūtam, kas atrodas Ķelnē.
Kā “ne interesantāko” Vilemss uzskaita arī vēja tuneļa vadības centru ar milzīgu veco tālvadības pulti, kurā ir daudz sensoru, slēdžu un pogu.
Paejot garām masīvām sprādziendrošām durvīm, mēs ieejam telpā bez logiem. Sienas klāj sodrēji, un gaisā skaidri jūtama šaujampulvera smarža.
Šeit tiek veikti raķešu dzinēju aerodinamiskie testi.
Bet tas, kā izrādās, nav tas interesantākais.
Vilems savus “interesantākos” eksperimentus veic vienā no Ķelnes centra vēja tuneļiem. Tas simulē satelīta aiziešanu no Zemes orbītas.
"Pašlaik ap Zemi riņķo milzīgs skaits mākslīgo pavadoņu, un visi no tiem agrāk vai vēlāk pametīs orbītu," skaidro Vilemss.
Vai satelītu atkritumi, kas nesadega atmosfērā, varētu uzkrist uz kaut kā vai kādam?
"Kad kosmosa kuģi nonāk atmosfērā, tie tiek iznīcināti. Mūs interesē, kāda ir iespējamība, ka to fragmenti izdzīvos."
Citiem vārdiem sakot, vai atkritumi no izlietotajiem satelītiem, kas nesadega atmosfērā, varētu nokrist uz kaut ko vai kādu uz Zemes?
Uz betona grīdas uzstādītais vēja tunelis, kas bija atvēlēts Vilemsa eksperimentiem, atgādina milzīgu, līdz pusei izjauktu putekļu sūcēju, kas savienots ar tvaikoni.
Spīdīgā iekārta ir pārklāta ar cauruļu un elektrisko vadu tīklu. Parasti šī caurule tiek izmantota, lai izpūstu cauri virsskaņas un hiperskaņas lidmašīnu modeļiem - tajā radītās gaisa plūsmas ātrums var 11 reizes pārsniegt skaņas ātrumu.
No debesīm kritīs arvien vairāk satelītu
Pati “caurule” ir divus metrus augsta sfēriska metāla kamera, kuras iekšpusē īpašās skavās ir nostiprināti attīrīšanas modeļi.
Bet Vilemsam nav vajadzīgas skavas – viņš vienkārši iemet priekšmetus caurulē, pa kuru gaiss plūst pretējā virzienā ar ātrumu aptuveni 3000 km/h (kas ir divas reizes lielāks par skaņas ātrumu).
Ilustrācijas autortiesības Getty Images Attēla paraksts Parasti satelīti tiek iznīcināti, nonākot atmosfērā.Tādā veidā tiek simulēts satelīta lidojums, kas deorbitē caur zemes atmosfēru.
"Mēs ievietojam objektus gaisa plūsmā, lai redzētu, kā tie uzvedas imitētā brīvā kritienā," saka Vilemss.
"Katra eksperimenta ilgums ir tikai 0,2 sekundes, taču tas ir pietiekami daudz laika, lai uzņemtu daudz attēlu un veiktu nepieciešamos mērījumus."
Eksperimentu laikā iegūtie dati tiks ievadīti datormodeļos, pateicoties kuriem būs iespējams precīzāk prognozēt kosmosa kuģu uzvedību, atstājot orbītu. ( Šajā video DLR tika simulēta Rosat satelīta iznīcināšana zemes atmosfērā.)
Pašlaik ap Zemi riņķo aptuveni 500 000 orbitālo atlūzu gabalu, sākot no maziem metāla fragmentiem un beidzot ar veseliem kosmosa kuģiem autobusu lielumā, piemēram, Eiropas Kosmosa aģentūras satelītam Envisat, kas pēkšņi pārtrauca darbību 2012. gada aprīlī.
"Kopumā to gružu gabalu skaits, kuru trajektorijas mēs izsekojam, pieaug," saka Hjū Lūiss, Lielbritānijas Sauthemptonas universitātes vecākais lektors gaisa kuģu un raķešu zinātnē.
Pieaugot orbitālo atlūzu apjomam, palielināsies arī sadursmju iespējamība ar darbojošiem satelītiem vai pilotētiem kosmosa kuģiem.
Orbitālo gružu problēma paliks aktuāla ilgu laiku
Jau šobrīd šī iemesla dēļ Starptautiskās kosmosa stacijas orbīta ir periodiski jākoriģē.
"Izlietoto transportlīdzekļu fragmenti ir deorbitējuši kopš kosmosa izpētes sākuma," sacīja Lūiss. "Parasti liels objekts atmosfērā nonāk reizi trīs līdz četrās dienās, un šī problēma paliks aktuāla ilgu laiku."
Lai gan satelītus atmosfērā iznīcina pārslodze un augsta temperatūra, daži lieli atkritumi nokrīt uz Zemi salīdzinoši neskarti.
"Piemēram, degvielas tvertnes," saka Lūiss, "dažiem kosmosa kuģiem tās ir nelielas automašīnas izmērā."
Ilustrācijas autortiesības Getty Images Attēla paraksts Lielākā daļa izlietoto satelītu tiek deorbitēti tā, ka tie sadalās atmosfērā virs neapdzīvotiem okeāna apgabaliem.Lai gan Vilemss nemet automašīnas vēja tunelī, viņa mērķis ir redzēt, kā lieli objekti uzvedas, kad tie tiek iznīcināti, un kuri no to fragmentiem teorētiski varētu sasniegt zemes virsmu.
"Plūsma ap vienu komponentu ietekmē plūsmu ap tās kaimiņiem," viņš skaidro. "Atkarībā no tā, vai tie nokrīt uz Zemi atsevišķi vai kā grupa, mainās arī to pilnīgas sadegšanas varbūtības pakāpe atmosfērā."
Bet, ja kosmosa atlūzas tik bieži atstāj orbītu, kāpēc tās atlūzas neizlaužas cauri māju jumtiem un nekrīt mums uz galvas?
Vairumā gadījumu atbilde ir tāda, ka izlietotie satelīti tiek mērķtiecīgi deorbitēti, izmantojot kuģa degvielu.
Iespēja, ka kāds satelīta gabals uzkritīs jums, ir ārkārtīgi maza
Šajā gadījumā nolaišanās trajektorijas tiek aprēķinātas tā, lai satelīti sadegtu atmosfērā virs neapdzīvotām okeānu zonām.
Taču daudz lielākas briesmas rada neplānoti deorbīti.
Viens no pēdējiem šādiem gadījumiem bija Amerikas kosmosa aģentūras NASA Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) neplānotā deorbīta 2011. gadā.
Neskatoties uz to, ka 70% Zemes klāj okeāni un lielas zemes platības joprojām ir maz apdzīvotas, varbūtība, ka UARS krišana novedīs pie Zemes iznīcināšanas, saskaņā ar NASA aplēsēm bija 1 no 2500, atzīmē Lūiss.
"Tas ir ļoti liels procents - mēs sākam uztraukties, kad iespējamais risks iedzīvotājiem ir 1 no 10 000," viņš saka.
"Mēs nerunājam par to, ka jums uzkritīs satelīta gabals - tā iespējamība ir niecīga. Mēs domājam par varbūtību, ka tas principā uzkritīs kādam."
Ņemot vērā, ka autoavārijās visā pasaulē katru gadu iet bojā vairāk nekā miljons cilvēku, iespējamība, ka kāds orbītas atlūzu gabals izraisīs ievērojamus postījumus uz Zemes, ir ļoti maza.
Jo vairāk satelītu tiks laisti orbītā, jo vairāk no tiem to pametīs
Un tomēr tas netiek atstāts novārtā, jo valsts, kas palaiž kosmosa kuģus, saskaņā ar ANO līgumiem ir juridiski un finansiāli atbildīga par jebkādiem šādu darbību radītiem zaudējumiem.
Šī iemesla dēļ kosmosa aģentūras cenšas samazināt riskus, kas saistīti ar objektu nokrišanu no orbītas.
DLR eksperimenti palīdzēs zinātniekiem labāk izprast un rūpīgāk uzraudzīt kosmosa atkritumu uzvedību, tostarp neplānotu deorbītu laikā.
Kosmosa palaišanas izmaksas pamazām krītas, un satelīti kļūst arvien miniatūrāki, tāpēc to skaits turpmākajās desmitgadēs tikai pieaugs.
"Cilvēce arvien vairāk izmanto kosmosu, taču orbītas gružu problēma kļūst arvien sliktāka," saka Lūiss. "Tā kā orbītā tiks laists arvien vairāk satelītu, no tās tiks izņemts vairāk.
Citiem vārdiem sakot, lai gan varbūtība, ka tos trāpīs kosmosa kuģu atlūzas, joprojām ir niecīga, arvien vairāk satelītu nokritīs no debesīm.
Neviens objekts, kas palaists zemās Zemes orbītā, nevar tur palikt mūžīgi.
Zemei ir vairāk nekā tūkstotis strādājošu satelītu. Un, ja mēs neapstāsies savā attīstībā, to skaits līdz gadsimta beigām var palielināties par lielumu. Neskatoties uz to, pats iemesls to salīdzinoši veiksmīgai darbībai, kā izrādās, nav līdz galam skaidrs. Jā, jā, patiesībā viņiem vajadzētu nokrist.
Iedomājieties sfērisku Zemi vakuumā. Šajā variantā satelītu orbītas neietekmē traucējoši faktori, un tie var palikt tur, virs mūsu galvām, gandrīz mūžīgi.
Ja Zeme būtu tik apaļa kā attēlā, Mēness gravitācija izmestu no orbītas jebkuru satelītu bez jaudīgiem nonija dzinējiem dažu mēnešu laikā. (Shutterstock ilustrācija)
Reālā Zeme arī dzīvo vakuumā, taču tā nav stingri sfēriska. Turklāt tam ir Mēness – ķermenis, kas ar savu gravitāciju ievieš galveno nekārtību nedraudzīgajā apkārtējo satelītu un kosmosa atlūzu ģimenē. Debesu mehānikas likumu tieša piemērošana Mēness ietekmei uz mākslīgiem objektiem kosmosā liek secināt, ka tam īsā laikā vajadzētu novest pie šādu ķermeņu nokrišanas zemes atmosfērā ar sekojošu sadegšanu.
Ja jūs instinktīvi paskatījāties uz savu navigatoru, lai pārliecinātos, ka GPS/GLONASS satelīti vēl nav uzkrituši jums galvā, tad mēs jūs saprotam. Situācija izskatās nedaudz mistiska. Kāds glābšanas spēks notur visas šīs tonnas dzelzs augstumā?
Pazīstamie Skots Tremeins un Tomers Javets no Prinstonas universitātes (ASV) nopietni interesējās par šo jautājumu un, izmantojot datormodelēšanu, mēģināja noskaidrot, kas neļauj satelītiem ietriekties Zemes debesu debesīs. Pēc aprēķiniem, pie tā vainojama jau pieminētā mūsu planētas “nesfēriskums”, kā arī Saules ietekme.
Mūsu planēta, ja atceraties, ir nedaudz saplacināta pie poliem un nedaudz izliekta gar ekvatoru, kas ir dabisks tās rotācijas rezultāts. Un šis ļoti ekvatoriālais “pieplūdums” rada tādu piedevu zemes gravitācijai, kas aprēķināta sfērai, ka tiek kompensēta jebkura Mēness vai citu lielu objektu ietekme un viens vai otrs satelīts nevar ātri pārvietoties nevienā virzienā, parasti tam ir vairāki gadi. orbītā.
Turklāt, ja nebūtu Saules gravitācijas ietekmes, tad ar to vien nepietiktu, lai kompensētu Mēness ietekmi. Un tikai šie gulbji, vēži un līdakas notur Zemei tuvuma kosmosa kuģu ratiņus, neļaujot tiem ieslīdēt zemes atmosfēras gravā.
Shutterstock ilustrācija.
Interesanti, ka aprēķini skaidri parāda: ja mūsu planēta atrastos nedaudz tuvāk sfērai, satelīti neizbēgami un salīdzinoši ātri pamestu savas orbītas. No vienas puses, tas, protams, glābtu mūs no dažiem kosmosa atkritumiem. No otras puses, kāda jēga no evakuatora, kas medī visas uz ceļa esošās automašīnas, nevis tikai neuzmanīgi novietotās?
Sagatavots no NewScientist. Splash attēls ar Shutterstock atbalstu.