Warto przeczytać

Słowo satelita pochodzi od łacińskiego słowa satelles i oznacza….. towarzysza….. sługę. To bardzo dobrze określa, czym tak naprawdę są satelity. Satelitą nazywamy każde ciało o względnie małej masie, obiegające ciało o znacznie większej masie. Można porównać ruch satelitów wokół planet do ruchu planet wokół Słońca.

Rozróżnia się dwa rodzaje satelitów:

• naturalne - czyli księżyce okrążające planety,

• sztuczne - urządzenia elektroniczne wysłane w przestrzeń wokół planety przez człowieka.

Sztucznymi satelitami są nie tylko stacje meteorologiczne, nawigacyjne czy telekomunikacyjne, ale również teleskopy kosmiczne (na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble’a, Gaia). Wiele bezzałogowych sond kosmicznych takich jak Helios, Galileo, Cassini było sztucznymi satelitami innych planet, a nawet Słońca. Satelity te wysyłane były na orbity innych ciał niebieskich w celu dokładnego zbadania tych ciał niebieskich. Więcej o satelitach bezzałogowych dowiesz się w e‑materiale im poświęconym pt. „Bezzałogowe misje kosmiczne”.

Aby satelita znalazł się na orbicie okołoziemskiej, musi zostać wyniesiony poza atmosferę. Przy pomocy specjalistycznych rakiet satelita zostaje wyrzucony z pokładu rakiety w dokładnie wyliczonym miejscu. Dzięki takiemu zabiegowi satelita zaczyna się poruszać w wyznaczonym kierunku z prędkością niezbędną do utrzymania się na zadanej orbicie. Rozkład sztucznych satelitów wokół Ziemi przedstawia Rys. 1.

R15Ivme6SZmon

Rys. 1. Na ciemnym tle pokazano rozkład sztucznych satelitów wokół Ziemi. Kulę ziemską pokazano ukrytą w gęstym roju kropek w kolorach różowym, niebieskim i pomarańczowym. Większość kropek ma kolor różowy to satelity, których trajektorie ruchu są znane, ale nie wiadomo czym są te satelity. Kolorem pomarańczowym zaznaczono satelity aktywne, natomiast kolor niebieski pokazuje satelity nieaktywne.

R4jGpDIYvYiUs

Rys. 1b. Na ciemnym tle pokazano ponownie rozkład sztucznych satelitów wokół Ziemi. Kolorowe kropki oznaczające satelity pokazane są w zbliżeniu, więc optycznie rozmieszczone są nieco rzadziej niż na rysunku 1a. Zajmują obszar wokół Ziemi kilka razy większy niż jej promień. Niektóre satelity zgrupowane są na kilku elipsach otaczających Ziemię, inne rozrzucone bezładnie. Duża grupa nieaktywnych satelitów (kropek w kolorze niebieskim) tworzy specyficzną powłokę otaczającą Ziemię.

R1P1e9Kqzga3c

Rys. 1c. Na ciemnym tle pokazano ponownie, w jeszcze większym zbliżeniu, rozkład sztucznych satelitów wokół Ziemi. Różowe kropki oznaczające satelity pokazano wzdłuż elipsy otaczającej Ziemię. Blisko powierzchni Ziemi jest wiele kropek niebieskich i pomarańczowych.

RQ66uCfln0JI8

Rys. 1d. Na ciemnym tle pokazano Ziemię w bardzo dużym zbliżeniu. Jej powierzchnię otacza wiele niebieskich i nieco mniej pomarańczowych kropek oznaczających sztuczne satelity. Takie ujęcie pokazuje, że satelity okrążają Ziemię po orbitach nieznacznie większych od promienia Ziemi.

RvFzUcVG03SPc

Rys. 1e. Na ciemnym tle pokazano Ziemię z zarysowanymi kontynentami. Nad jej powierzchnią pokazano trzy pomarańczowe i dwa niebieskie punkty oznaczające satelity polskie. Kolor pomarańczowy punktów wskazuje, że tylko trzy satelity są aktywne.

Porównanie ruchu satelitów wokół Ziemi do ruchu planet wokół gwiazdy nie jest przypadkowe. Wszystkie satelity wokół ciał niebieskich poruszają się zgodnie z tymi samymi prawami co planety. Każdy satelita znajduje się na orbicie kołowej lub eliptycznej, a w jednym z ognisk tej elipsy znajduje się Ziemia – zgodnie z I prawem Keplera. Każdy satelita przyciągany jest do Ziemi zgodnie z prawem powszechnego ciążeniaPrawo powszechnego ciążeniaprawem powszechnego ciążenia Newtona.

Prawo ciążenia pozwala obliczyć prędkość, jaką należy nadać ciału, aby mogło okrążać planetę jako sztuczny satelita. Ograniczmy się do orbity kołowej. Siła grawitacji stanowi siłę dośrodkowąSiła dośrodkowasiłę dośrodkową.

$F_{g}=\frac{GMm}{r^{2}}$ to siła grawitacji, a $F_{c}=\frac{mv^{2}}{r}$ to siła dośrodkowa. W ruchu po okręgu, siły te są sobie równe.

Przyrównując je do siebie, otrzymujemy wzór na prędkość satelity $v=\sqrt{\frac{GM_{Z}}{r}}$, gdzie $r$ jest odległością od środka Ziemi (jej promień średni $R_{Z}$ = 6371 km). Dla bardzo niewielkich wysokości przybliża się promień $r$, promieniem Ziemi $R$. Wtedy prędkość $v$ jest tak zwaną pierwszą prędkością kosmiczną ($v_{I}$ = 7920 m/s), czyli prędkością, jaką musi mieć ciało aby znaleźć się na orbicie wokół Ziemi (pomijając opory powietrza).

Korzystając z tej samej zależności $F_{g}=F_{c}$, oraz zakładając w przybliżeniu ruch po okręgu, możemy wyznaczyć zależność prędkości od promienia orbity i od czasu obiegu.

Ponieważ prędkość satelity $v=\frac{2\pi r}{T}$, gdzie $T$ to okres obiegu, to $T^{2}=\frac{4\pi^{2}}{GM}r^{3}$. Zależność pomiędzy czasem okresem obiegu satelity a jej promieniem jest zgodna z III prawem Keplera. Oznacza to, że im większy promień satelity, tym dłuższy okres ruchu tego satelity. Potwierdza to, że satelity naturalne i sztuczne poruszają się dokładnie takim samym ruchem wokół planety, jak planety wokół gwiazd.

Orbity geocentryczne, czyli takie po których krążą satelity wokół Ziemi, dzieli się na kilka rodzajów.

Podział ze względu na wysokość nad powierzchnią:

• niskie orbity (Low Earth Orbit) powyżej 160 km, ale poniżej 2000 km nad Ziemią,

• średniej wysokości (Medium Earth Orbit), pomiędzy 2000 km a 35786 km,

• wysokie orbity (Hight Earth Orbit) powyżej 35786 km nad powierzchnią Ziemi,

• orbita geostacjonarna, czyli taka, na której satelita znajduje się na wysokości 35786 km nad równikiem i utrzymuje się cały czas nad tym samym punktem Ziemi, a czas obiegu satelity jest zgodny z czasem obrotu Ziemi.

Podział ze względu na nachylenie orbity:

• orbita biegunowa (ang. polar orbit), czyli orbita przechodząca w pobliżu obu biegunów Ziemi,

• orbita skośna (ang. inclined orbit), czyli satelita obiega Ziemię pod pewnym kątem nachylenia do płaszczyzny pokrywającej się z orbitą Ziemi.

Orbita geostacjonarna została zaproponowana już w 1928 roku. Orbita ta jest niezbędna w systemach telekomunikacji, meteorologii i telefonii satelitarnej. Jedyną wadą jest to, że zasięg nie obejmuje przestrzeni okołobiegunowej Ziemi. Satelity znajdujące się na wysokości odpowiadającej orbicie geostacjonarnej poruszają się z prędkością 3,08 km/s. Natomiast satelity znajdujące się na wyższych orbitach poruszają się wolniej, a na niższych szybciej, tak aby utrzymać się na zadanej orbicie. Część satelitów posiada dodatkowe silniki umożliwiające im zmianę kierunku anteny nadawczej lub przemieszczenie się na większą czy też mniejszą orbitę.

Ponieważ koszt wyprodukowania satelity maleje z roku na rok, a rozwój technologiczny pozwala je również coraz częściej umieszczać na orbitach, w kosmosie wokół Ziemi znajdują się setki tysięcy urządzeń. Znacząca ich część już nie działa. Czasami zdarza się, że aktywny satelita wpada na innego, już nie działającego satelitę. Takie zderzenie może skutkować nie tylko utratą cennych danych, ale też rozproszeniem w kosmosie szczątek satelitów, które mogą spadać na Ziemię. Obecnie nie ma prawa kosmicznego regulującego liczbę wystrzeliwanych satelitów, co powoduje ogromne zamieszanie w okołoziemskim kosmosie.

Ciekawostka

Aktualnie są dostępne pomocne aplikacje, które pozwalają na określenie terminów przelotów satelitów oraz generują prognozy ich widoczności dla dowolnego punktu na Ziemi.  Jednym z takich serwisów jest Heavens‑Above. Do jego głównych zadań należy między innymi przewidywanie przelotów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS. Ponadto serwis posiada możliwość generowania map nieba. Jeśli więc chcemy podjąć próbę zaobserwowania przelotu stacji kosmicznej, to nic nie stoi nam na przeszkodzie.

Warto wiedzieć, że orbita Międzynarodowej Stacji Kosmiczna co jakiś czas układa się w taki sposób, że możemy bez problemu dokonywać jej obserwacji pod postacią przemieszczającego się widocznego jasnego punktu na niebie. Jest to zatem gratka nie tylko dla miłośników astronomii, ale wszystkich, którzy chcą zobaczyć te niezwykłe zjawiska na własne oczy.

Słowniczek