Чому орбітальнісупутники такі нестабільні, Хайтек агрегатор
Може здатися, що супутники на орбіті Землі – це найпростіше, звичне та рідне, що є у цьому світі. Зрештою, Місяць висить на небі вже понад чотири мільярди років і в його рухах немає нічого надприродного. Але якщо ми самі запускаємо супутники на орбіту Землі, вони тримаються там лише кілька або десятки років, а потім повторно входять в атмосферу і згоряють, або падають в океан і на землю.
Більше того, якщо глянути на природні супутники на інших планетах, всі вони тримаються значно довше, ніж антропогенні супутники, що обертаються навколо Землі. Міжнародна космічна станція (МКС), наприклад, звертається навколо Землі кожні 90 хвилин, у той час як нашому Місяцю потрібно близько місяця на це. Навіть супутники, які знаходяться близько до своїх планет — на кшталт Іо у Юпітера, приливні сили якого зігрівають світ і розривають його вулканічними катастрофами — стабільно тримаються на своїх орбітах.
Іо, як очікується, залишиться на орбіті Юпітера на весь термін життя Сонячної системи, а ось МКС, якщо не вживати жодних заходів, буде на своїй орбіті менше 20 років. Та ж доля справедлива практично для всіх супутників, присутніх на низькій навколоземній орбіті: на час, коли настане наступне століття, майже всі нинішні супутники увійдуть в атмосферу Землі і згорять. Найбільші (на кшталт МКС зі своєю 431 тонною вагою) впадуть у вигляді великих уламків на сушу та у воду.
Чому так відбувається? Чому цим супутникам начхати на закони Ейнштейна, Ньютона і Кеплера і чому вони не хочуть дотримуватися стабільної орбіти постійно? Виявляється, є низка факторів, що викликають цю орбітальну метушні.
Атмосферний опір
Це,мабуть, найважливіший ефект, який також є причиною того, чому супутники на низькій навколоземній орбіті нестабільні. Інші супутники — як геостаціонарні супутники — теж сходять з орбіти, але не так швидко. Ми звикли вважати «космосом» усе, що знаходиться вище 100 кілометрів: вище за кишеню. Але будь-яке визначення межі космосу, де починається космос та закінчується атмосфера планети, буде притягнутим за вуха. Насправді частки атмосфери простягаються далеко й високо, просто щільність їх стає дедалі менше. Зрештою, щільність падає — нижче мікрограма на кубічний сантиметр, потім нанограма, потім пікограма — і тоді ми всі з більшою впевненістю можемо називати це космосом. Але атоми атмосфери можуть бути присутніми і на відстані тисяч кілометрів, і коли супутники стикаються з цими атомами, вони втрачають імпульс і сповільнюються. Тому супутники низької навколоземної орбіти нестабільні.
Частини сонячного вітру
Сонце постійно випромінює потік високоенергетичних частинок, здебільшого протонів, але є також електрони та ядра гелію, які стикаються з усім, що зустрінуть. Ці зіткнення, своєю чергою, змінюють імпульс супутників, із якими зіштовхуються, і поступово їх уповільнюють. Після достатнього часу, починають порушуватися і орбіти. І хоча це не основна причина сходу з орбіти супутників на НГО, для супутників подалі це має більш важливе значення, оскільки вони наближаються, а разом з цим зростає атмосферний опір.
Недосконале гравітаційне поле Землі
Якби у Землі не було атмосфери, як у Меркурія чи Місяця, чи змогли б наші супутники залишатися на орбіті завжди? Ні, навіть якби ми прибрали сонячний вітер. Це тому щоЗемля, як і всі планети, не є точковою масою, а скоріше структурою з непостійним гравітаційним полем. Це поле та зміни у міру того, як супутники обертаються навколо планети, виливаються у вплив припливних сил на них. І що ближче супутник до Землі, то більший вплив цих сил.
Гравітаційний вплив решти Сонячної системи
Очевидно, що Земля не є повністю ізольованою системою, в якій єдина гравітаційна сила, яка впливає на супутники, народжується на самій Землі. Ні, Місяць, Сонце та всі інші планети, комети, астероїди та інше роблять внесок у вигляді гравітаційних сил, які розштовхують орбіти. Навіть якби Земля була б ідеальною точкою — скажімо, стиснулася б у чорну діру, що не обертається, — без атмосфери, а супутники на 100% були б захищені від сонячного вітру, ці супутники поступово почали б падати по спіралі в центр Землі. Вони залишалися б на орбіті довше, ніж існувало б саме Сонце, але ця система не була б ідеально стабільною; орбіти супутників зрештою порушувалися б.
Релятивістські ефекти
Закони Ньютона — і орбіт кеплерів — це не єдине, що визначає рух небесних тіл. Та ж сила, яка змушує орбіту Меркурія прецесувати на зайві 43 в століття, призводить до того, що орбіти порушуються за рахунок гравітаційних хвиль. Швидкість цього порушення неймовірно мала для слабких гравітаційних полів (на зразок тих, що ми знайшли в Сонячній системі) і для великих відстаней: знадобиться 10150 років, щоб Земля по спіралі спустилася до Сонця, а ступінь порушення орбіт навколоземних супутників у сотні тисяч разів менше від цього. Але ця сила є і є неминучим наслідком загальної теорії відносності, ефективно проявляючись наНайближчі супутники планети.
Все це не просто впливає на створені нами супутники, а й на природні супутники, які ми знаходимо на орбіті інших світів. Найближчий до Марса місяць Фобос, наприклад, приречений бути розірваним приливними силами і по спіралі спуститися в атмосферу Червоної планети. Незважаючи на наявність атмосфери, яка становить всього 1/140 земної, атмосфера Марса велика та дифузна, і, крім того, Марс не має захисту від сонячного вітру (на відміну від Землі з її магнітним полем). Тож через десятки мільйонів років Фобос усе. Може здатися, що це станеться не скоро, але ж це менше 1% від того часу, який Сонячна система вже існує.
Але найближчим супутником Юпітера не є Іо: це Метіс, за міфологією, перша дружина Зевса. Ближче Іо є чотири невеликі супутники, з яких Метіс найближче — всього в 0,8 радіуса Юпітера від атмосфери планети. Що стосується Юпітером порушення орбіт відповідають не атмосферні сили та сонячний вітер; з орбітальною піввіссю 128 000 кілометрів, Метіс відчуває значні приливні сили, які несуть відповідальність за сходження по спіралі цього місяця до Юпітера.
Як приклад того, що буває, коли переважають потужні приливні сили, можна відзначити комету Шумейкера — Леві 9 та її зіткнення з Юпітером у 1994 році, після того, як її повністю розірвали приливні сили. Така доля всіх супутників, які йдуть по спіралі до свого рідного світу.
Поєднання всіх цих факторів робить будь-який супутник фундаментально нестабільним. Враховуючи достатній час та відсутність інших стабілізуючих ефектів, порушуватимуться абсолютно всі орбіти. Зрештою, всі орбіти нестабільні, але деякі — нестабільніші за інші.