Począwszy od lat 50. XX wieku dzięki programom Sputnik, Wostok i Merkury ludzie zaczęli „wymyślać gburowate więzy Ziemi”. Przez pewien czas wszystkie nasze misje były znane jako Niskoemisyjna Orbita (LEO). Z czasem misje Apollo i misje kosmiczne z udziałem robotów kosmicznych (takich jak Misje Voyager), zaczęliśmy zapuszczać się dalej, docierając do Księżyca i innych planet Układu Słonecznego.
Ale ogólnie rzecz biorąc, ogromna większość misji kosmicznych na przestrzeni lat - bez względu na to, czy były załogą, czy bez załogi - odbywały się na Nisko-Ziemi. To tutaj znajduje się szeroki wachlarz satelitów komunikacyjnych, nawigacyjnych i wojskowych Ziemi. I tu właśnie prowadzi swoją międzynarodową stację kosmiczną (ISS), do której zmierza większość dzisiejszych misji z załogą. Czym więc jest LEO i dlaczego tak bardzo chcemy wysyłać tam rzeczy?
Definicja:
Technicznie rzecz biorąc, obiekty na niskiej orbicie Ziemi znajdują się na wysokości od 160 do 2000 km (99 do 1200 mil) nad powierzchnią Ziemi. Każdy obiekt poniżej tej wysokości będzie cierpiał z powodu rozpadu orbity i gwałtownie zstąpi do atmosfery, spalając się lub rozbijając na powierzchni. Obiekty na tej wysokości mają również okres orbitalny (tj. Czas, jaki zajmie im okrążenie Ziemi raz) od 88 do 127 minut.
Obiekty znajdujące się na orbicie niskiej Ziemi podlegają oporze atmosferycznemu, ponieważ nadal znajdują się w górnych warstwach atmosfery ziemskiej - w szczególności w termosferze (80–500 km; 50–310 mi), w tym w pauzie (500–1000 km; 310– 620 mil) i egzosfery (1000 km; 620 mil i więcej). Im wyższa orbita obiektu, tym niższa gęstość i opór powietrza 1.
Jednak powyżej 1000 km (620 mil) obiekty będą podlegały ziemskim pasom radiacyjnym Van Allena - strefie naładowanych cząstek, która rozciąga się na odległość 60 000 km od powierzchni Ziemi. W pasach tych wiatr słoneczny i promienie kosmiczne zostały uwięzione przez ziemskie pole magnetyczne, co prowadzi do różnych poziomów promieniowania. Dlatego misje do LEO mają na celu zachowanie odległości od 160 do 1000 km (99 do 620 mil).
Cechy:
W obrębie termosfery, termopauzy i egzosfery warunki atmosferyczne są różne. Na przykład dolna część termosfery (od 80 do 550 kilometrów; 50 do 342 mil) zawiera jonosferę, która jest tak nazywana, ponieważ w atmosferze cząstki są jonizowane przez promieniowanie słoneczne. W rezultacie każdy statek kosmiczny krążący w tej części atmosfery musi być w stanie wytrzymać poziom promieniowania UV i promieniowania jonizującego.
Temperatury w tym regionie również rosną wraz z wysokością, co wynika z wyjątkowo niskiej gęstości jej cząsteczek. Podczas gdy temperatura w termosferze może wzrosnąć nawet do 1500 ° C (2700 ° F), odstępy między cząsteczkami gazu oznaczają, że nie czułoby się gorąco dla człowieka, który miał bezpośredni kontakt z powietrzem. Na tej wysokości znane są również zjawiska znane jako Aurora Borealis i Aurara Australis.
Egzosfera, która jest najbardziej zewnętrzną warstwą ziemskiej atmosfery, rozciąga się od egzobazy i łączy się z pustką przestrzeni kosmicznej, w której nie ma atmosfery. Ta warstwa składa się głównie z wyjątkowo niskiej gęstości wodoru, helu i kilku cięższych cząsteczek, w tym azotu, tlenu i dwutlenku węgla (które są bliższe egzobazy).
Aby utrzymać orbitę nisko-ziemską, obiekt musi mieć wystarczającą prędkość orbitalną. W przypadku obiektów na wysokości 150 km i większej należy utrzymać prędkość orbitalną 7,8 km (4,84 mi) na sekundę (28 130 km / h; 17 480 km / h). Jest to nieco mniej niż prędkość ucieczki potrzebna do wejścia na orbitę, która wynosi 11,3 km (7 mil) na sekundę (40.680 km / h; 25277 mil / h).
Pomimo faktu, że siła grawitacji w LEO nie jest znacznie mniejsza niż na powierzchni Ziemi (około 90%), ludzie i przedmioty na orbicie znajdują się w stałym stanie swobodnego opadania, co stwarza wrażenie nieważkości.
Zastosowania LEO:
W tej historii eksploracji kosmosu zdecydowana większość misji ludzkich odbywała się na Niską Orbitę Ziemi. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna orbituje również w LEO, na wysokości od 320 do 380 km (200 i 240 mil). A LEO to miejsce, w którym większość sztucznych satelitów jest rozmieszczana i utrzymywana. Przyczyny tego są dość proste.
Po pierwsze, rozmieszczenie rakiet i promów kosmicznych na wysokościach powyżej 1000 km (610 mil) wymagałoby znacznie więcej paliwa. A w LEO satelity komunikacyjne i nawigacyjne, a także misje kosmiczne, charakteryzują się dużą przepustowością i małym opóźnieniem w komunikacji (zwanym także opóźnieniem).
W przypadku obserwacji Ziemi i satelitów szpiegowskich LEO jest wciąż wystarczająco niska, aby dobrze przyjrzeć się powierzchni Ziemi i rozwiązać duże obiekty i wzory pogodowe na powierzchni. Wysokość pozwala również na szybkie okresy orbitalne (nieco ponad godzinę do dwóch godzin), co pozwala im oglądać ten sam region na powierzchni wiele razy w ciągu jednego dnia.
I oczywiście na wysokościach od 160 do 1000 km od powierzchni Ziemi obiekty nie podlegają intensywnemu promieniowaniu pasów Van Allena. Krótko mówiąc, LEO jest najprostszą, najtańszą i najbezpieczniejszą lokalizacją do rozmieszczania satelitów, stacji kosmicznych i misji kosmicznych z załogą.
Problemy z kosmicznymi śmieciami:
Ze względu na swoją popularność jako miejsca docelowe dla satelitów i misji kosmicznych oraz wraz ze wzrostem liczby startów kosmicznych w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci, LEO staje się coraz bardziej zatłoczony odpadami kosmicznymi. Przybiera to postać odrzuconych stopni rakietowych, niedziałających satelitów i gruzu powstałego w wyniku zderzeń dużych kawałków gruzu.
Istnienie tego pola odpadów w LEO wzbudziło w ostatnich latach coraz większe obawy, ponieważ zderzenia przy dużych prędkościach mogą być katastrofalne dla misji kosmicznych. I przy każdej kolizji powstają dodatkowe zanieczyszczenia, tworząc niszczycielski cykl znany jako Efekt Kesslera - którego nazwa pochodzi od naukowca NASA Donalda J. Kesslera, który po raz pierwszy zaproponował go w 1978 roku.
W 2013 r. NASA oszacowała, że może istnieć aż 21 000 bitów śmieci większych niż 10 cm, 500 000 cząstek między 1 a 10 cm i ponad 100 milionów mniejszych niż 1 cm. W rezultacie w ostatnich dziesięcioleciach podjęto wiele działań w celu monitorowania, zapobiegania i łagodzenia odpadów kosmicznych i kolizji.
Na przykład w 1995 r. NASA stała się pierwszą agencją kosmiczną na świecie, która wydała zestaw kompleksowych wytycznych dotyczących ograniczania zanieczyszczeń orbitalnych. W 1997 r. Rząd USA zareagował opracowaniem Standardowych praktyk ograniczania zanieczyszczenia orbitalnego, opartych na wytycznych NASA.
NASA utworzyła również Biuro Programów Gruzów Orbitalnych, które koordynuje z innymi departamentami federalnymi w celu monitorowania odpadów kosmicznych i radzenia sobie z zakłóceniami spowodowanymi kolizjami. Ponadto amerykańska sieć obserwacji przestrzeni kosmicznej monitoruje obecnie około 8 000 obiektów orbitujących, które są uważane za zagrożenie kolizją, i zapewnia ciągły przepływ danych orbit do różnych agencji.
Biuro Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) ds. Odpadów kosmicznych prowadzi również bazę danych i system informacyjny charakteryzujący obiekty w kosmosie (DISCOS), który dostarcza informacji o szczegółach startu, historiach orbitalnych, właściwościach fizycznych i opisach misji dla wszystkich obiektów aktualnie śledzonych przez ESA. Ta baza danych jest znana na całym świecie i jest używana przez prawie 40 agencji, organizacji i firm na całym świecie.
Od ponad 70 lat Niskoemisyjna Orbita jest placem zabaw dla ludzi. Czasami zapuszczaliśmy się poza plac zabaw i dalej do Układu Słonecznego (a nawet dalej). W nadchodzących dekadach w LEO oczekuje się znacznie większej aktywności, w tym rozmieszczenia większej liczby satelitów, sześcianów, kontynuacji operacji na pokładzie ISS, a nawet turystyki lotniczej.
Nie trzeba dodawać, że ten wzrost aktywności będzie wymagał od nas, abyśmy zrobili coś z tymi wszystkimi śmieciami przenikającymi kosmiczne pasy. Przy większej liczbie agencji kosmicznych, prywatnych firm lotniczych i innych uczestników, którzy chcą skorzystać z LEO, konieczne będą poważne porządki. Niektóre dodatkowe protokoły z pewnością będą musiały zostać opracowane, aby upewnić się, że pozostają czyste.
W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów na temat orbitowania wokół Ziemi. Oto czym jest orbita Ziemi ?, jak wysoka jest przestrzeń kosmiczna ?, ile satelitów znajduje się w kosmosie ?, zorza polarna i południowa - czym jest zorza? i czym jest Międzynarodowa Stacja Kosmiczna?
Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat niskiej orbity Ziemi, sprawdź rodzaje orbity na stronie Europejskiej Agencji Kosmicznej. Oto link do artykułu NASA na temat niskiej orbity ziemskiej.
Nagraliśmy także cały odcinek Astronomy Cast o poruszaniu się po Układzie Słonecznym. Posłuchaj tutaj, odcinek 84: Poruszanie się po Układzie Słonecznym.
Źródła:
- NASA - Co to jest Orbit?
- ESA - Rodzaje orbit
- Wikipedia - Low Earth Orbit
- Kosmiczna przyszłość - dostanie się na orbitę nisko-ziemską
