20
Milczące satelity
Piątek, marzec 20. 2009
Na ogół uważa się, że badania kosmiczne są bardzo kosztowne, a tym samym niedostępne dla naukowców dysponujących skromnymi środkami. Konstruowanie i wysyłanie na orbitę satelitów wyposażonych w skomplikowaną aparaturę, pochłania rzeczywiście wielkie sumy. Przestrzeń okołoziemską można jednak badać znacznie taniej, prowadząc obserwacje satelitów za pomocą bądź specjalnej aparatury śledzącej, bądź po prostu wzrokowo. Obecnie metodami optycznymi lub elektronicznymi bada się około 5 tys. obiektów znajdujących się na orbicie okołoziemskiej. Większość z nich milczy; są to na ogół stare statki kosmiczne, wykorzystane człony rakietowe. Analiza zmian ich orbit dostarcza jednak cennych informacji zarówno o globie ziemskim, jak i o atmosferze naszej planety.
Od wieków, a dokładniej od czasu, gdy Tales z Miletu i Pitagoras z Samos zaprezentowali pogląd o kulistości Ziemi, różne gałęzie nauki prześcigały się w dostarczaniu dowodów za tą kulistością przemawiających. Od pewnego czasu wiele wysiłku wkłada się w udowodnienie, że Ziemia ma niewiele wspólnego z kulą. Właśnie milczące satelity stały się dla geodezji najprecyzyjniejszym instrumentem pomiaru wielu ziemskich anomalii.
Najprostsze wyobrażenie na temat orbity obiektów krążących wokół Ziemi, nieobce z pewnością najdawniejszym projektodawcom sztucznych satelitów, przedstawiało tę orbitę jako tor w każdym punkcie jednakowo odległy od Ziemi. Jednakże, przynajmniej od czasów Keplera, wiadomo, że orbita (nawet ta kołowa) nie może mieć nic wspólnego ani z powierzchnią Ziemi (nawet tej uśrednionej - geoidy), ani nawet z geometrycznym środkiem Ziemi. Punktem odniesienia może być tylko środek ciężkości Ziemi. Jednakże już na długo przed wystrzeleniem pierwszego satelity zdawano sobie sprawę, że stały kształt i stałe rozmiary orbity (zarówno eliptycznej, jak i kołowej) byłyby możliwe, gdyby Ziemia była idealną kulą, odizolowaną od innych ciał niebieskich i pozbawioną otoczki atmosferycznej. Ponieważ Ziemia nie spełnia tych warunków, orbity sztucznych satelitów ulegają istotnym zakłóceniom. Obserwacja tych zakłóceń staje się źródłem informacji o przyczynach perturbacji, powodujących ustawiczne zmiany elementów orbit.
Lista tych przyczyn jest już dość długa. Istnienie większości z nich było znane lub przewidywane od dawna, reszta dopisana została w erze kosmicznej. Wszystkie zaś zostały dokładnie na nowo pomierzone i uściślone. Zza liczb, będących efektem żmudnych obserwacji, wyłania się nowy obraz starej Ziemi.
Przyjrzyjmy się tym czynnikom powodującym perturbacje orbit, które niosą najwięcej informacji o Ziemi jako planecie. Oto poddany został obserwacji satelita obiegający Ziemię po orbicie eliptycznej. Po wielokrotnych pomiarach jego wysokości w apogeum i w perygeum wyraźnie widać, że w miarę upływu czasu apogeum systematycznie przesuwa się w stronę Ziemi, podczas gdy perygeum pozostaje praktycznie bez zmian. Wniosek wydaje się dość oczywisty: satelitarna znajdujący się na orbicie eliptycznej poddawany jest cały czas hamującemu oporowi powietrza, przy czym siła tego oporu jest największa w pobliżu Ziemi, gdy satelita przechodzi przez perygeum. W okolicy tego punktu następuje istotne zmniejszenie prędkości satelity. Satelita nie osiągnie więc już w apogeum takiej wysokości, jak podczas poprzedniego obiegu. Można na tej podstawie wnioskować o gęstości atmosfery na różnych wysokościach, gęstości, która z kolei, warunkuje wiele zjawisk i procesów w poszczególnych warstwach atmosfery.
Obserwując satelitę, poruszającego się po wyższej orbicie, której kształt nie jest zakłócany przez opór powietrza, również dopatrzeć się można wielu anomalii, odchyleń orbity od kształtu regularnego. Tor tego satelity zależy bowiem od siły, z jaką jest przyciągany przez Ziemię, czyli od rozkładu ziemskiego pola grawitacyjnego w przestrzeni. Obserwowany satelita staje się precyzyjnym instrumentem opisującym kształt Ziemi oraz rozkład mas w jej wnętrzu.
Od roku 1958, kiedy dokonano pierwszych takich pomiarów, nasza wiedza o kształcie i polu grawitacyjnym Ziemi znacznie się poszerzyła. Precyzja obserwacji i pomiarów zaszła już tak daleko, że bada się wpływ grawitacyjny na ruch okołoziemskich obiektów kosmicznych takich na pozór dalekich ciał, jak Księżyc, Słońce i planety. Warto zresztą dodać, że wpływy perturbacyjne Księżyca i Słońca wzrastają wraz z odległością orbity od powierzchni Ziemi. Gdyby nie uwzględniać tych wpływów, to błąd w obliczeniu położenia satelity poruszającego się na wysokości 3 4 tys. km wyniósłby kilkaset metrów, zaś przy wysokości około 40 tys. km - już kilkadziesiąt kilometrów.
Zjawiska te, jakkolwiek ważne z punktu widzenia metodyki obserwacji satelitów, nie wnoszą jednak nic nowego do naszych informacji o Ziemi. Również raczej czysto teoretyczne znaczenie mają takie czynniki, jak działanie sił elektromagnetycznych (skutek poruszania się metalowych części satelity w polu geomagnetycznym), efekt promieniowania odbitego od powierzchni Ziemi, wpływ pyłu kosmicznego i meteorytów lub efekt relatywistyczny.
Brak komentarzy.
Dodaj swój komentarz: