Може здатися, що супутники на орбіті Землі - це найпростіше, звичне і рідне, що є в цьому світі. Зрештою, Місяць висить на небі вже більше чотирьох мільярдів років і в її рухах немає нічого надприродного. Але якщо ми самі запускаємо супутники на орбіту Землі, вони тримаються там всього кілька або десятки років, а після повторно входять в атмосферу і або згорають, або падають в океан і на землю.
Більш того, якщо поглянути на природні супутники на інших планетах, всі вони тримаються значно довше, ніж антропогенні супутники, які обертаються навколо Землі. Міжнародна космічна станція (МКС), наприклад, обертається навколо Землі кожні 90 хвилин, в той час як нашої Місяці потрібно близько місяця на це. Навіть супутники, які знаходяться близько до своїх планетами - начебто 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 ніяких заходів, буде на своїй орбіті менше 20 років. Та ж доля справедлива практично для всіх супутників, присутніх на низькій навколоземній орбіті: до часу, коли нагряне наступне століття, майже всі нинішні супутники увійдуть в атмосферу Землі і згорять. Найбільші (на кшталт МКС зі своєю 431 тонною ваги) впадуть у вигляді великих уламків на сушу і в воду.
Чому так відбувається? Чому цим супутникам плювати на закони Ейнштейна, Ньютона і Кеплера і чому вони не хочуть дотримуватися стабільну орбіту постійно? Виявляється, є ряд чинників, що викликають цю орбітальну метушню.
Це, мабуть, найважливіший ефект, який також є причиною того, чому супутники на низькій навколоземній орбіті нестабільні. Інші супутники - на кшталт геостаціонарних супутників - теж сходять з орбіти, але не так швидко. Ми звикли вважати «космосом» все, що знаходиться вище 100 кілометрів: вище лінії Кармана. Але будь-яке визначення кордону космосу, де починається космос і закінчується атмосфера планети, буде притягнутим за вуха. В реальності частки атмосфери простягаються далеко і високо, просто щільність їх стає все менше і менше. В кінцевому рахунку щільність падає - нижче мікрограма на кубічний сантиметр, потім нанограмма, 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 на низькій навколоземній орбіти нестабільні.
Сонце постійно випускає потік високоенергетичних частинок, здебільшого протонів, але є також електрони і ядра гелію, які стикаються з усім, що зустрінуть. Ці зіткнення, в свою чергу, змінюють імпульс супутників, з якими стикаються, 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 і атмосферний опір.
- Недосконале гравітаційне поле Землі
Якби у Землі не було атмосфери, як у Меркурія або Місяця, змогли б наші супутники залишатися на орбіті завжди? Ні, навіть якби ми прибрали сонячний вітер. Це тому, що Земля - як і всі планети - не є точковою масою, а скоріше структурою з непостійним гравітаційним полем. Це поле і зміни в міру того, як супутники обертаються навколо планети, виливаються в дію приливних сил на них. І чим ближче супутник до Землі, тим більше вплив цих сил.
- Гравітаційний вплив решти Сонячної системи
Очевидно, Земля не є повністю ізольованою системою, в якій єдина гравітаційна сила, яка впливає на супутники, народжується на самій Землі. Ні, Місяць, Сонце і всі інші планети, комети, астероїди і інше вносять вклад у вигляді гравітаційних сил, які розштовхують орбіти. Навіть якби Земля була б ідеальною точкою - скажімо, стиснулася б в невращающейся чорну діру - 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, а й ця система не була б ідеально стабільною; орбіти супутників в кінцевому рахунку порушувалися б.
Закони Ньютона - і кеплерових орбіт - це не єдине, що визначає рух небесних тіл. Та ж сила, яка змушує орбіту Меркурія прецессировать 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 кшталт тих, що ми знайшли в Сонячній системі) і для великих відстаней: потрібно 10 150 років, щоб Земля по спіралі спустилася до Сонця, а ступінь порушення орбіт навколоземних супутників в сотні тисяч разів менше цього . Але ця сила присутня і є неминучим наслідком загальної теорії відносності, ефективно проявляючись на ближчих супутниках планети.
Все це не просто впливає на створені нами супутники, а й на природні супутники, які ми знаходимо на орбіті інших світів. Найближча до Марсу місяць Фобос, наприклад, приречена бути розірваною приливними силами і по спіралі спуститися в атмосферу Червоної планети. Незважаючи на наявність атмосфери, яка становить всього 1/140 земної, атмосфера Марса велика і дифузна, і, крім того, Марс не має захисту від сонячного вітру (на відміну від Землі з її магнітним полем). Тому через десятки мільйонів років Фобос все. Може здатися, що це станеться не скоро, але це ж менше 1% від того часу, яке Сонячна система вже існує.
Але найближчим супутником Юпітера не є Іо: це Метис, по міфології перша дружина Зевса. Ближче Іо є чотири невеликих супутники, з яких Метис найближче - всього в 0,8 радіуса Юпітера від атмосфери планети. У випадку з Юпітером за порушення орбіт відповідають не атмосферні сили і не сонячний вітер; з орбітальної полуосью в 128 000 км, Метис відчуває значні приливні сили, які несуть відповідальність за сходження по спіралі цього місяця до Юпітера.
Поєднання всіх цих факторів робить будь-який супутник фундаментально нестабільним. З огляду на достатній час і відсутність інших стабілізуючих ефектів, порушуватися будуть абсолютно всі орбіти. Зрештою, все орбіти нестабільні, але деякі - нестабільнішою інших.
Чому орбітальні супутники такі нестабільні? Ілля Хель