Зачем мы запускаем спутники на орбиту Земли? Естественные спутники планет Cолнечной системы
Почему для того, чтобы передать, например, телевизионный сигнал, из Нью-Йорка в Москву, требуется запускать далеко в космос какой-то аппарат? Ответить на этот вопрос очень простой: Земля имеет форму шара. Радиоволны, на которых в виде электромагнитных колебаний передается звук, изображение и даже компьютерные данные, распространяются по прямой линии. Они не могут огибать Землю и не могут проходить сквозь ее толщу. Из какой бы точки Земли мы не отправили в путь радиоволны, они неизбежно уйдут прочь от нашей планеты, в космос. Правда, часть радиоволн как от зеркала отражается от ионосферы - особого слоя, окружающего Землю. Отражается – и снова попадает на поверхность планеты, за многие сотни и тысячи километров от передатчика. На этом явлении основана дальняя радиосвязь. Именно поэтому с помощью обычного приемника мы можем слышать радиопередачи из Америки или Китая.
Но вот беда – с помощью таких волн (их называют короткими, средними и длинными) нельзя передать ни телевизионное изображение, ни качественный звук, ни большой объем данных. Для передачи телевизионного сигнала или качественной музыки нужны особые радиоволны с высокой частотой колебаний. Их называют ультракороткими. Ультракороткие волны от ионосферы не отражаются и беспрепятственно уходят в космическое пространство. Как же сделать так, чтобы телевизионное изображение на ультракоротких волнах можно было передать на дальнее расстояние? Правильно! Нужно поймать волны в космосе и перенаправить их обратно на Землю. Туда, где находится приемник. Вот для этого и существуют спутники связи. Если говорить упрощенно – спутник связи – это подвешенное в космосе зеркало для радиоволн. Спутник висит так высоко, что для него города расположенные далеко друг от друга, например, Лондон и Стамбул "видны" как на ладони. К обоим городам от спутника могут свободно идти радиоволны, не встречая никаких препятствий. И к спутнику из этих столиц (да и из множества других мест на Земле) волны идут также свободно. Спутник помогает радиосигналу "перпрыгнуть" через кривизну земного шара.
В чем-то спутник связи схож с высокими телевизионными башнями. Ведь чем выше башня, тем дальше может передаваться радиосигнал. Если вершина телебашни находится в пределах прямой видимости, ты можешь принимать с нее на свой телевизор телепередачи. Но стоит отъехать дальше – башня скроется за горизонтом (то есть за изгибом Земли) Теперь радиоволны до твоего телевизора не дойдут. Спутник находится на десятки тысяч километров выше, чем самая высокая башня. Поэтому он одновременно может передавать свои волны на огромную часть земного шара.
Однако у спутника и башни есть существенное различие. Если телевизионная вышка стоит на одном месте, то спутник должен лететь с огромной скоростью (больше 8 километров в секунду!) вокруг Земли. Иначе он просто упадет. Таковы законы физики. Как же сделать так, чтобы он, подобно вершине телебашни, всегда находился в одной точке? Спутники, наблюдающие за земной поверхностью, или орбитальные космические корабли летают не очень высоко – примерно на высоте 200 – 300 километров. В хорошую ясную ночь их даже можно увидеть с Земли. Вот яркая точка показалась над горизонтом, пролетела по небу и через какие-нибудь минуты вновь исчезла за горизонтом. И хотя точка на Земле, в которой стоит наблюдатель, так же как и спутник вращаются вокруг земной оси, космический аппарат обгоняет земную поверхность. Он летит быстрее, чем вращается Земля.
Чтобы спутник находился в небе постоянно в одной и той же точке, его нужно запустить на очень большую высоту. Тогда орбита – путь, который он будет описывать вокруг нашей планеты, окажется очень длинным. Время обращения спутника и время обращения любой точки на земной поверхности вокруг оси планеты станут одинаковыми. Говоря научным языком, у спутника и поверхности планеты сравняется угловая скорость.
Понять это можно на очень простом примере. Если на вращающемся колесе закрепить, ну например, два пластилиновых шарика – один на внешней стороне колеса, другой на внутренней, ближе к оси, то можно заметить, что шарик у обода несется с большой скоростью, а тот, что у центра – еле движется. Однако относительно друг друга они неподвижны и находятся на одной и той же линии. Угловая скорость у них одинаковая. Шарик у оси – это поверхность Земли. Шарик на внешней стороне колеса – спутник связи, вращающийся по орбите.
Орбита, позволяющая спутнику как бы неподвижно висеть над поверхностью Земли, называется геостационарной. Она имеет форму круга и проходит примерно над земным экватором – линией, отделяющей Северное полушарие от Южного. Именно с такого спутника, находящегося за 35 – 40 тысяч километров мы принимаем телепрограммы на "антенны", которыми мало-помалу стали обрастать дома в нашей стране.
Спутники и планеты Солнечной системы
Естественные спутники планет играют колоссальную роль в жизни этих космических объектов. Более того, даже мы люди способны на своей шкуре ощутить влияние единственного естественного спутника нашей планеты – Луны.
Естественные спутники планет Солнечной системы с давних времен вызывали живой интерес у астрономов. По сегодняшний день ученые занимаются их изучением. Что же представляют собой эти космические объекты?
Естественные спутники планет – это космические тела естественного происхождения, которые вращаются вокруг планет. Наиболее интересными для нас представляются естественные спутники планет Солнечной системы, так как они находятся в непосредственной близости от нас.
В Солнечной системе всего две планеты не имеют естественных спутников. Это Венера и Меркурий. Хотя предполагается, что ранее у Меркурия естественные спутники были, однако данная планета в процессе своей эволюции их лишилась. Что касается остальных планет Солнечной системы, то каждая из них имеет как минимум один естественный спутник. Самый известный из них – Луна, которая является верным космическим попутчиком нашей планеты. Марс имеет , Юпитер – , Сатурн – , Уран – , Нептун – . В числе этих спутников мы можем обнаружить, как весьма непримечательные объекты, состоящие в основном из камня, так и весьма интересные экземпляры, которые заслуживают отдельного внимания, и о которых мы будем говорить ниже.
Классификация спутников
Ученые разделяют спутники планет на два вида: спутники искусственного происхождения и естественного. Спутники искусственного происхождения или, как их еще называют, искусственные спутники – это космические аппараты, созданные людьми, которые позволяют наблюдать за планетой, около которой они вращаются, а также другими астрономическими объектами из космоса. Обычно искусственные спутники используются для наблюдения за погодой, радиотрансляции, изменениями рельефа поверхности планеты, а также в военных целях.
МКС — самый крупный искуственный спутник Земли
Следует отметить, что спутники искусственного происхождения есть не только у Земли, как считают многие люди. Более десятка искусственных спутников, созданных человечеством, вращается вокруг двух ближайших к нам планет – Венеры и Марса. Они позволяют наблюдать за климатическими условиями, изменением рельефа, а также получать прочую актуальную информацию касательно наших космических соседей.
Ганимед — крупнейший спутник в Солнечной системе
Вторая категория спутников – естественные спутники планет, представляет для нас огромный интерес в этой статье. Естественные спутники отличаются от искусственных тем, что они были созданы не человеком, а самой природой. Считается, что большинство спутников Солнечной системы – это астероиды, которые были захвачены гравитационными силами планет этой системы. Впоследствии астероиды приняли шарообразную форму и в результате стали вращаться вокруг планеты, которая их захватила, в качестве постоянного компаньона. Существует также теория, которая говорит о том, что естественные спутники планет – это осколки самих этих планет, которые по тем или иным причинам откололись от самой планеты в процессе ее формирования. Кстати, согласно этой теории так возник естественный спутник Земли – Луна. Данную теорию подтверждает химический анализ состава Луны. Он показал, что химический состав спутника практически не отличается от химического состава нашей планеты, где присутствуют те же химические соединения, что и на Луне.
Интересные факты о самых интересных спутниках
Одним из интереснейших естественных спутников планет Солнечной системы является – естественный спутник . Харон, в сравнении с Плутоном, настолько огромен, что многие астрономы называют эти два космических объекта не иначе, как двойной карликовой планетой. Планета Плутон всего в два раза больше своего естественного спутника.
Живой интерес астрономов вызывает естественный спутник – . Большинство естественных спутников планет Солнечной системы состоят в основном изо льда, камня или обеих этих составляющих, в результате чего у них отсутствует атмосфера. Однако у Титана эта есть, причем достаточно плотная, а также озера из жидких углеводородов.
Еще один естественный спутник, который дает надежду ученым на обнаружение внеземных форм жизни, является спутник Юпитера – . Считается, что под толстым слоем льда, который покрывает спутник, находится океан, внутри которого действуют термальные источники – точно такие же, как и на Земле. Поскольку некоторые глубоководные формы жизни на Земле существуют благодаря этим источникам, то считается, что схожие формы жизни могут существовать и на Титане.
У планеты Юпитер есть еще один интересный естественный спутник – . Ио – это единственный спутник планеты Солнечной системы, на котором ученые-астрофизики впервые обнаружили действующие вулканы. Именно по этой причине он представляет особый интерес для исследователей космоса.
Исследования естественных спутников
Исследования естественных спутников планет Солнечной системы интересовали умы ученых-астрономов с давних времен. С момента изобретения первого телескопа люди активно изучали эти небесные объекты. Прорыв развития цивилизации позволили не только открыть колоссальное количество спутников различных планет Солнечной системы, но и ступить человеку на главный, ближайший к нам, спутник Земли – Луну. 21 июля 1969 года американский астронавт Нил Армстронг вместе с командой космического корабля «Аполлон-11» впервые ступил на поверхность Луны, что вызвало ликование в сердцах тогдашнего человечества и до сих пор считается одним из самых важных и значительных событий в освоении космоса.
Помимо Луны, ученые активно занимаются исследованием других естественных спутников планет Солнечной системы. Для этого астрономы используют не только методы визуального и радиолокационного наблюдения, но и задействуют современные космические аппараты, а также искусственные спутники. К примеру, космический аппарат « » впервые передал на Землю снимки нескольких крупнейших спутников Юпитера: , . В частности, именно благодаря этим снимкам ученые смогли зафиксировать наличие вулканов на спутнике Ио, и океана на Европе.
На сегодняшний день всемирное сообщество исследователей космоса продолжает активно заниматься исследованием естественных спутников планет Солнечной системы. Помимо различных государственных программ существуют также частные проекты, направленные на изучение этих космических объектов. В частности всемирно известная американская компания «Google» сейчас ведет разработку туристического лунохода, на котором многие желающие могли бы совершить прогулку по Луне.
Телекоммуникационные спутники обычно размещаются на геостационарной орбите (GEO). которая является круговой орбитой с высотой в 35 786 километров над экватором Земли и следуют по направлению вращения Земли. У объекта в GEO есть орбитальный период, равный периоду вращения , поэтому для наземных наблюдателей он кажется неподвижным и занимает фиксированное положение на небе.
Спутники в GEO позволяют осуществлять постоянную связь , передавая сигналы радиочастот от стационарных антенн. Эти сигналы не очень отличаются от сигналов, которые используются при передаче широковещательного наземного телевидения и обычно имеют частоту в 3-50 раз выше. Сигнал, принимаемый спутником, усиливается и передается обратно на Землю, позволяя устанавливать связь между точками, расположенными на расстоянии тысяч километров между собою.
Особое свойство, которое делает геостационарные спутники чрезвычайно привлекательными, является их способность к передаче информации . Ретранслируемый сигнал может быть принят антеннами где угодно в зоне охвата спутника, сопоставимой с размером страны, области, континента или даже всего полушария. Любой человек у которого есть небольшая антенна 40-50 см в диаметре, может стать прямым пользователем спутника.
Спутник, работающий на геостационарной орбите, не нуждается ни в каком двигателе и его пребывание на орбите Земли может продлиться долгие годы. Трение от тонких верхних слоев атмосферы в конечном счете замедлит его и заставит опускаться все ниже и, в конце концов, он сгорит в более низких слоях атмосферы.
Если спутник запускается с большим количеством топлива, он перемещается быстрее и радиус его орбиты больше. Большая орбита означает, что угловое движение спутника вокруг Земли медленнее. Как пример, Луна, находящаяся в 380 000 км от Земли, имеет орбитальный период в 28 дней.
Спутники находящиеся на околоземной орбите (LEO), такие как , многие научные и спутники наблюдения работают в намного более низких высотах: они делают полный круг обращения вокруг Земли приблизительно за 90 минут на высотах в нескольких сот километров.
Телекоммуникационные спутники могут также находиться на LEO, будучи видимыми с любого места в течение 10-20 минут. Чтобы гарантировать непрерывность передачи информации в таком случае понадобиться развертывание десятков спутников.
Телекоммуникационные системы на LEO могут потребовать 48, 66, 77, 80 или даже 288 спутников для оказания необходимых услуг. Несколько из этих систем были развернуты, чтобы обеспечить связь для мобильных терминалов. Они используют относительно низкие частоты (1.5-2.5 ГГц), которые находятся в том же самом диапазоне, как и частоты, используемые в мобильных сетях с GSM. Тот факт, что для данного типа спутников не требуется каких-либо дорогостоящих передающих и принимающих устройств – плюс для них: никакое тщательное отслеживание спутника в этом случае не нужно. Кроме того, низкая высота минимизирует задержку времени прохождения сигнала и требует меньше мощности передатчиков, необходимых для установления связи.
Современная жизнь человека уже немыслима без искусственных спутников земли, поскольку с их помощью мы следим за погодой и делаем ее прогноз, спутники обеспечивают человеку связь на далекие расстояния, при помощи спутников человек проводит уникальные различные исследования в условиях космоса, чего на Земле сделать в принципе невозможно. А ведь истории жизни спутника нет еще и 60 лет. Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 года, ровно 56 лет назад. На данный момент вокруг нашей планеты летает громадное число различных спутников на разных орбитах, выполняющих разную работу. Так какие же спутники обслуживают человека?
Спутники, обеспечивающие связь — это наверное самый популярный вид работы спутника и, так сказать, самый очевидный, ведь на большой высоте сигналы получаемые и испускаемые спутником можно принимать в земных точках, находящихся на значительном удалении друг от друга. При помощи спутников-связистов мы смотрим телепередачи, разговариваем по телефону, выходим в сеть Интернет.
Спутники, обеспечивающие навигацию на земле. Наверняка, многие слышали о навигации GPS при помощи которой человек может с большой точностью определять местоположение определенных объектов. Эту работу как раз и выполняют спутники-навигаторы. С помощью GPS-навигаторов, встроенных в мобильные телефоны, КПК и автомобильные компьютеры любой человек может определить свое местонахождение и прокладывать маршруты с учетом дорожных знаков, искать на карте нужные ему дома и улицы и т. д.
Следующим самым востребованным спутником является метеоспутник, который ведет наблюдение за изменениями земной погоды и исследует климат нашей планеты. Именно благодаря метеоспутникам синоптики составляют свои прогнозы погоды.
Конечно же, военные не могли пропустить такой шикарной возможности, как шпионить друг за другом из космоса. Как говорится, высоко сижу, далеко гляжу. Спутники-шпионы умеют делать фотографии объектов на Земле высокой четкости, прослушивать системы связи, осуществлять слежку и проч.
Спутники также являются незаменимыми помощниками для ученых в их научных исследованиях. Научно-исследовательские спутники изучают магнитное поле Земли, радиационную обстановку, их используют геодезисты, картографы и другие специалисты. Частным видом научно-исследовательских спутников являются биоспутники, на которых ученые проводят свои эксперименты, решают различные технические проблемы космонавтики и т. д.
Ну и конечно же, в своих исследованиях спутники используются астрономами, которые могут наблюдать из космоса за далекими галактиками и другими космическими объектами, при этом земная атмосфера не искажает сигналы, полученные из космоса. Одним из самых известных астрономических спутников является знаменитый телескоп Хаббла.
