地球轨道上人造卫星轻易坠入地球而月球却很稳定这是为什么
发布时间：2023-08-25 12:32:15 所属栏目：外闻 来源：转载
导读： 将卫星送上地球的路径仿佛是最平常不过的事了，因为近四十亿年以来，月亮一直按照着相同的椭圆轨迹环绕地球运转不已，其运行的平稳性是不容置疑的。然而，如果我们把绕地球轨道运行的人
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将卫星送上地球的路径仿佛是最平常不过的事了，因为近四十亿年以来，月亮一直按照着相同的椭圆轨迹环绕地球运转不已，其运行的平稳性是不容置疑的。然而，如果我们把绕地球轨道运行的人造卫星留在太空中，仅仅几年或几十年，它们会重新进入大气层，就像许多人造卫星和航天器最终的结局那样，要么燃烧，要么撞向地面和海洋。 ATV-1卫星重返大气层的大气层。 此外，如果我们观察所有其他行星的自然卫星，它们都比环绕地球的人造卫星要远得多。例如，国际空间站（ISS）每90分钟绕地球运行一圈，而我们的月球绕地球一圈要花将近一个月的时间，甚至那些以接近其行星而闻名的卫星，比如木星周围的木卫一（Io），潮汐力使木卫一温度升高，并在火山灾难中撕裂卫星，即使如此，木卫一在它的轨道上仍能稳定运行。 地球上空的国际空间站（ISS）每90分钟绕地球运行一圈 木卫一预计将在太阳系的剩余寿命内继续绕木星的轨道上运行，而如果不采取任何进一步措施，在20年内，国际轨道将自行脱离轨道！几乎所有目前处于低地球轨道的卫星都面临同样的命运：到下个世纪时，我们现有的几乎所有卫星都将重新进入地球大气层，要么完全燃烧，要么较大的卫星（ISS是431吨！）被分解成大块，撞向地面和海洋。 为什么会这样呢？为什么这些卫星不遵循爱因斯坦、牛顿和开普勒定律，并永远保持一个稳定的轨道呢？事实证明，有多种因素共同作用，导致这种轨道衰变。 大气密度如何随海拔高度变化。请注意，密度不会降至零，甚至超过太空开始位置的定义。 1.） 大气阻力 大气阻力是迄今为止最大的影响，这也是低地球轨道如此不稳定的主要原因。其他卫星，如地球同步卫星，也会衰减，但不会在如此短的时间内衰减。我们通常将超海拔 100 公里以上空间定义为"外太空"，该分界线称卡门线（Kármán line），它是外太空与地球大气层的界线的分界线。但是，任何关于外太空与地球大气层的分界线的分界线的定义，完全人为定义。 实际上，大气粒子会任意地延伸到高空，随着密度变得越来越小，离行星地表的距离就越远。最终，密度下降得如此之低——低于每立方厘米一微克，或一个纳米，或者皮克。但是原子从大气层中持续数千公里（或英里），当卫星与这些原子相撞时，它们会失去动力并减速。这就是为什么低地球轨道卫星如此不稳定的主要原因。 太阳风如何与火星高层大气相互作用，但却被地球的全球磁场屏蔽。 2.） 太阳风粒子 太阳不断发射高能粒子流，主要是质子，但也包括电子和氦核，这些粒子与它遇到的任何东西会相撞。这些碰撞也改变了与它们碰撞的卫星的动量，并且减慢了卫星的速度。在足够长的时间尺度上，这些也会导致轨道衰变。尽管这不是低地球轨道卫星衰减的主要原因，但它在更远的卫星中起着至关重要的作用，使它们向内移动直到大气阻力接管为止。 3.） 不完全的地球引力场 如果地球像水星或月球那样没有大气层，我们的卫星能永远留在轨道上吗？不，即使没有太阳风存在，也不行。这是因为地球和所有行星一样，不是一个点状的质量，而是有一个不规则引力场的结构。这个引力场，以及卫星绕地球运行时的变化，都产生了潮汐力。绕行星飞行物体在接近行星时会感受到更强的引力，而当它们离行星较远时，它们会感受到较弱的引力，而这些差异是导致地球上潮汐的原因。它们还会导致像木卫一这样的天体在木星周围被撕裂，卫星会失去动力，最终脱离轨道。 尽管太阳风暴的时间尺度比太阳系外的大气阻力长得多，但卫星飞行离所在的行星越近，这些不可抗拒的力就越大。 4.） 太阳系其馀部分的引力影响 地球不是一个完全孤立的系统，卫星受到的引力除来自地球本身，还受到其他周围天体的影响。月球、太阳和所有其他行星、彗星、小行星等都会对卫星造成扰动引力，这种引力不仅使轨道随时间推移而移动，而且（平均）衰减。即使地球是一个完美的点——比如说它缩小到一个非旋转的黑洞——没有大气层，而且100%屏蔽太阳风，这些卫星轨道最终还是会衰减，螺旋进入地球中心。它们在轨道上存活的时间比太阳存活的时间长，但它仍然不是一个完全稳定的系统，卫星的轨道仍然会崩溃。 5.） 相对论效应。 牛顿定律和传统的近距离开普勒轨道并没有最终消除轨道衰减。同样力量导致水星轨道每世纪多运动43"，也会导致轨道缓慢衰减，当它们运行时，会发出引力波。对于弱引力场的衰减速度非常缓慢（就像我们在太阳系中发现的一样），衰减时间非常漫长：地球螺旋进入太阳需要10^150年，而低地球轨道卫星衰变率比这少几十万倍。然而，这种衰减的力量是存在的，是广义相对论的必然结果，它对行星附近的卫星远比远离地球的卫星更有效。 这些衰减特征不仅影响我们的人造卫星，还影响我们在其他星球的轨道上发现的一些自然卫星！例如，火星最内侧的卫星——火卫一，由于潮汐力的作用，注定要解体，并旋入这颗红色星球的大气层。尽管火星的大气层只有地球大气的1/140，但火星大气层仍然很大，而且漫射，此外，火星没有太阳风的保护层（与地球不同，它有磁场），导致火卫一在毁灭的时间尺度上为数千万年。这似乎是一个漫长的时间，但在太阳系的寿命里，这只是+1%的的时间！ 从伽利略航天器观察到的木星最里面卫星墨提斯。 木星最近的卫星不是木卫一（Io），它是木卫十六墨提斯（Metis），神话迷们一定知道她是宙斯的第一任妻子的名字。墨提斯是离木星最近的行星，距离木星的大气只有约0.8木星半径那么远。就木星而言，无论是大气，还是太阳风，都不是造成卫星轨道衰减的主要原因；轨道半径只有12.8万公里，梅迪斯承受了巨大的潮汐力，这将是导致墨提斯旋入木星的主要力。 作为潮汐力如何真正主宰卫星轨道衰减的一个壮观的例子，我们可以指向苏梅克-列维九号彗星，在1994年它被潮汐力完全撕裂后，随后与木星相撞！对于任何接近巨大物体的大型卫星来说，潮汐力都是导致卫星衰变重要因素，也是所有螺旋进入其母体星球的卫星的最终命运。然而，这一次，木星的引力将不再起作用，因为它正在加速向太阳靠近。 （编辑：PHP编程网 - 黄冈站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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