Чому перший «Супутник» впав на Землю лише через три місяці?

4 жовтня 1957 року Радянський Союз запустив «Супутник-1», який піднявся вище земної атмосфери і вийшов на орбіту нашої планети, здійснюючи повний оборот навколо неї за 90 хвилин. В умовах чистого неба світу тих часів, це був єдиний у своєму роді об'єкт: штучний, техногенний супутник. Неофіційно це означало початок космічної гонки, військової та політичної діяльності, яка десятки років захопила міжнародну політику.

Але «Супутника» на орбіті Землі вже немає. По суті, він пробув там так недовго, що до моменту запуску Explorer 1, першого американського супутника в космосі, навколо Землі вже досить довго літав «Супутник-2» з першим тварин у космосі. Але оригінальний Супутник, завершивши 1400 орбіти, впав на Землю.

Те, що сталося зі «Супутником», було цілком очікуваним. Фактично, це відбувається з більшістю супутників, якщо ви запускаєте їх на навколоземну орбіту і надаєте самим собі. З кожної пройденої орбітою супутник спершу досягає апогею, максимальної відстані від поверхні Землі, а потім перигею, наближення до найближчого Земля. Для низької навколоземної орбіти це по суті означає, що супутники знаходяться в декількох сотнях кілометрів над поверхнею Землі. Враховуючи, що лінія, що відокремлює атмосферу Землі і зовнішній космос, проходить на висоті 100 кілометрів, на перший погляд може здатися, що супутники повинні навічно залишатися в космосі.

Але в реальності ситуація набагато складніше. У атмосфери немає раптового кінця або державного кордону. Газоподібний стан не має тенденції набувати форму з деяких причин крім наступних: по мірі того, як ви піднімаєтеся вище, щільність частинок буде продовжувати падати, але різні , які нагріваються зіткненнями, будуть рухатися з різною швидкістю: деякі швидше, деякі повільніше, але з чітко певною середньою швидкістю.

Чим вище ви піднімаєтеся, тим імовірніше ви знайдете частинки, які володіють більшою енергією, бо для підйому на велику висоту потрібно більше енергії. Щільність таких частинок на великій висоті буде, звичайно, низькою, але ніколи не впаде до нуля.

Ми знайшли атоми і молекули, які залишаються гравітаційно прив'язаними до Землі на висотах до 10 000 кілометрів. Єдина причина, по якій ми не стали йти далі, за межі цих 10 000 кілометрів, в тому, що на такій висоті атмосфера Землі стає неотличимой від сонячного вітру: обидві складаються з гарячих атомів і іонізованих частинок.

Переважна частина нашої атмосфери (за масою) міститься в найнижчих шарах, на тропосферу припадає 75%, на стратосферу ще 20%, на мезосферу — майже 5%. Але наступний шар, термосфера, неймовірно розсіяний.

У той час як атмосферна частка на рівні моря повинна переміститися на мікроскопічне відстань, щоб зіткнутися з іншою молекулою, термосфера настільки диффузна, що звичайний атом або молекула може подолати кілометр і ні з чим не зіткнутися.

Термосфера може здатися порожнім простором, адже ви навіть атома не зустрінете. Але піднявшись на цю висоту з атмосфери Землі, ви затримуєтеся в цій зворотного безодні низької щільності, перебуваючи на піку вашої параболічної орбіти, а потім повільно повертаєтеся на рідну планету під дією сили тяжіння.

Але якщо ви космічний апарат, ви відчуєте щось зовсім інше. Причини наступні:

• Ви не піднімаєтеся з Землі, а огибаете її по орбіті, тобто рухаєтеся в протилежному напрямку до гарячих атмосферних частинок.
• Оскільки ви знаходитесь на стабільній орбіті, ви повинні рухатися швидко: мінімум 7 кілометрів на секунду, щоб залишатися в космосі.
• Ви володієте розмірами далеко не атома, але космічного апарату.
• Ці три пункти в сукупності призводять до катастрофи для будь-якого супутника на орбіті.

Така катастрофа неминуча із-за опору, з яким стикається супутник, яке визначає, скільки швидкості супутник втрачає з часом з-за атмосферних частинок, що потрапляють в нього на високій швидкості. Будь-супутник на низькій навколоземній орбіті буде мати тривалість життя від декількох місяців до декількох десятиліть, але не більше того. Ви можете битися з цим, піднявшись вище, але це не сильно допоможе.

Кожен раз, коли на Сонце відбувається якась активність, зразок плям на сонці, сонячних спалахів, коронарних викидів маси або інших вибухонебезпечних подій, атмосфера Землі нагрівається. Чим гаряче частинки, тим вище швидкість, а більш високі швидкості їх руху будуть означати, що вони піднімаються вище, збільшуючи щільність атмосфери навіть у космосі. Коли це відбувається, навіть супутники, які були практично за межами гравітаційного тяжіння, починають падати на Землю. Магнітні бурі також можуть збільшувати щільність повітря на надзвичайно великих широтах.

І цей процес є кумулятивним, в тому сенсі, що оскільки супутник відчуває тяжіння, його перигей падає до більш низьких і низьких висот. Тепер, на цих більш низьких висотах, сила опору збільшується ще сильніше, і це призводить до того, що ви втрачаєте свою кінетичну енергію, яка утримує вас на орбіті, ще швидше. Кінцева спіраль смерті може займати тисячі, десятки тисяч або навіть сотні тисяч орбіт, але оскільки орбіта завершується за 90 хвилин, будь супутник на низькій навколоземній орбіті буде жити кілька десятиліть в кращому випадку.

Ця проблема падіння назад на Землю була проблемою не тільки для першихсупутників 1950-х років, але залишилася проблемою майже для всіх супутників, які ми коли-небудь запускали. 95% усіх створених людьми супутників знаходяться на навколоземній орбіті, включаючи Міжнародну космічну станцію і космічний телескоп Хаббла. Якщо б ми періодично не розганяли ці апарати, багато з них вже звалилися на Землю.

У «Хаббла» і МКС було б менше 10 років на їх поточних орбітах, якщо б ми просто дозволили їм померти. І в той час як великі супутники так і вмирають, вони роблять це за рахунок неконтрольованого входження в атмосферу. В ідеалі вони повинні згоряти в атмосфері або падати в океан, але якщо їх уламки впадуть на людей, буде катастрофа.

телескоп «Хаббл» теж має впасти на Землю. Його орбіта буде знижуватися. Сам телескоп буде в порядку, але з кожною орбітою він буде все ближче і ближче до Землі.

Заключна місія телескопа включає механізм стикування, який був встановлений на телескопі: Soft Capture and Rendezvous System. Будь-яка оснащена належним чином зможе безпечно доставити телескоп додому.

Але якщо говорити про 25 000 інших супутників на низькій навколоземній орбіті, здійснити контрольований вхід в атмосферу буде неможливо. Атмосфера Землі опустить їх нижче лінії Кишені, нижче межі з космосом, яку ми накреслили. Якщо припинити запуск супутників сьогодні, через сто років не залишиться ніяких слідів присутності людства на навколоземній орбіті.

«Супутник-1» був запущений в 1957 році, всього через три місяці він спонтанно зійшов з орбіти і впав на Землю. Частинки нашої атмосфери піднімаються набагато вище будь-якої штучної лінії, яку ми намалювали, зачіпаючи всі наші супутники. Чим далі перигей, тим довше ви будете залишатися на орбіті. Поки у нас немає технології, яка дозволить підтримувати супутники на орбіті без палива, атмосфера Землі буде залишатися самою руйнівною силою, яка заважає присутності людини в космосі.

Добре це чи погано? Розкажіть в нашому