sztuczne satelity ziemi
Żywiołowy rozwój nauki i techniki odkrywa przed ludzkością coraz to nowe horyzonty.
W ciągu tysiącleci dociekliwy umysł człowieka dążył do przeniknięcia w głąb Wszechświata.
W historii ludzkości mamy, wiele naukowych i technicznych wydarzeń. odkrycie podstawowych praw fizycznych przez Kopernika, Galileusza i Newtona znalazło zastosowanie i wykorzystanie w rozwoju techniki XX wieku. Izaak Newton genialny angielski fizyk, matematyk i astronom sformułował Trzy podstawowe zasady dynamiki, które rządzą napędem odrzutowym. Szczególnie trzecia zasada dynamiki, która głosi, że każdemu działaniu towarzyszy równe i przeciwne skierowane działanie, albo inaczej - wzajemne oddziaływanie na siebie dwóch ciał są równe i skierowane w przeciwne strony: akcja równa jest reakcji. Została wykorzystana do budowy rakiet o napędzie odrzutowym. W każdym silniku odrzutowym akcją jest strumień gazów wyrzucanych ze znaczną prędkością przez dyszę, powstaje wówczas reakcja w przeciwnym kierunku, tj. w kierunku, w którym pojazd ma się poruszać. Wyrzucone gazy powodują pojawienie się siły odrzutu lub inaczej - ciągu.
To właśnie rakiety z silnikami odrzutowymi mają możliwość wynoszenia sztucznych satelitów, sond, statków o napędzie rakietowym na orbity okołoziemskie, oraz w przestrzeń kosmiczną.
Wystrzelenie w 1957 roku przez Związek Radziecki pierwszego sztucznego satelity Ziemi, Sputnika 1, było początkiem podboju kosmosu. W ślad za nim stopniowo na orbity okołoziemskie wkraczały coraz to nowe obiekty satelitarne. Dziś prawie w każdym zakątku planety ludzie korzystają z usług świadczonych przez satelity. Obecnie krąży ich w przestworzach niezliczona ilość. Słowo satelita oznacza towarzysza i odnosi się do sztucznych lub naturalnych obiektów krążących wokół innych ciał w przestrzeni kosmicznej.
Na przykład planety są naturalnymi satelitami Słońca, a Księżyc jest naturalnym satelitą Ziemi. Wszystkie inne satelity Ziemi to urządzenia zbudowane przez człowieka i wyniesione w przestrzeń za pomocą rakiet. Ich zastosowania obejmują między innymi zadania militarne, poszukiwanie surowców naturalnych, monitorowanie i prognozowanie pogody, zadania telekomunikacyjne i badanie przestrzeni kosmicznej.
Identycznie jak ma to miejsce w przypadku Księżyca, sztuczne satelity utrzymywane są na swych orbitach dzięki sile grawitacyjnego przyciągania Ziemi. W przestrzeni kosmicznej, gdzie nie występują opory spowodowane tarciem, nie jest potrzebna żadna siła, aby utrzymać je w ruchu. Jednakże wszystkie sztuczne satelity obniżają stopniowo swą trajektorię i zbliżają się do atmosfery. W końcu spalają się, gdy w skutek tarcia o cząsteczki powietrza ich potężna energia kinetyczna zostaje zamieniona w ciepło.
Proces umieszczenia satelity na orbicie jest w swych założeniach prosty, jednakże wymaga olbrzymiej precyzji. Satelity są wynoszone na orbity za pomocą silników rakietowych wielkiej mocy. Początkowo wszystkie wystrzeliwano na rakietach jednorazowych, które pod koniec misji ulegały całkowitemu zniszczeniu. Obecnie duża część satelitów jest wynoszona w kosmos za pomocą amerykańskich promów kosmicznych, które są używane wielokrotnie.
Gdy wystrzelimy pocisk równolegle do powierzchni Ziemi, to siła grawitacji sprawi, że pocisk spadnie. Jeśli zwiększymy prędkość początkową pocisku, to osiągniemy tyle, że spadnie on dalej od punktu wystrzelenia. Ale przy pewnej prędkości, zwanej I prędkością kosmiczną , ciało nigdy nie spadnie na Ziemię. Przy 28000 km h zakrzywienie toru ruchu kuli spowodowane grawitacją ziemską jest równe krzywiźnie naszej planety. Pocisk, mimo że ciągle ,, spada " , to jednak pozostaje w stałej odległości od powierzchni Ziemi , czyli innymi słowami orbituje wokół niej. Oczywiście ta prędkość wystarcza na orbitowanie tuż nad powierzchnią Ziemi , gdzie na lecący obiekt działa siła oporu powietrza. Przy takiej prędkości spowodowałaby ona natychmiastowe spalenie się pocisku lub jego wyhamowanie
i upadek. Jednakże im większą nadamy pociskowi prędkość, tym wyższą osiągnie on orbitę i w końcu może dotrzeć na taką wysokość, gdzie nie ma już atmosfery.
PRĘDKOŚCI SATELITÓW
Zależność pomiędzy prędkością obiegu a odległością od Ziemi znana była już w XVII w. W swym dziele dotyczącym grawitacji Izaak Newton podał tę zależność w odniesieniu do Księżyca. Dziś przy obliczaniu orbit sztucznych satelitów korzystamy z tego samego prawa. Jeśli na satelitę nie działaby siła grawitacji to miałby on tendencję do lotu ze stałą prędkością po linii prostej. Lecz przyciąganie grawitacyjne zakrzywia ten tor. Im większa jest odległość satelity od Ziemi ( czy też jakiegokolwiek ciała wokoło którego on krąży), tym słabsza siła grawitacji i tym słabiej odkształca ona pierwotny prostoliniowy tor ruchu.
Sputnik 1 poruszał się na orbicie o wysokości ok. 160 km i na jeden obieg potrzebował 96 minut. Księżyc natomiast znajduje się w odległości około 386000 km od Ziemi i okrąża ją w ciągu 28 dni.
ORBITA GEOSTACJONARNA
Niektóre satelity umieszcza się nad równikiem, tak aby krążyły nad Ziemią zgodnie z kierunkiem jej obrotu na wysokości 35900 km. W tych warunkach jeden obieg zajmuje im
24 godz. Ale Ziemia obraca się w identycznym tempie, więc pozostają one zawieszone nad tym samym punktem.
taką orbitę nazywamy orbitą geostacjonarną lub geosynchroniczną , co oznacza, że satelita obraca się synchronicznie do Ziemi. Na takich orbitach krążą satelity telekomunikacyjne, na przykład te, które przekazują programy telewizyjne. Jako że pozycja satelity względem powierzchni Ziemi nie zmienia się odbiorcy potrzebują stosunkowo prostej anteny kierunkowej skierowanej ciągle w ten sam punkt na niebie.
OSIĄGNIĘCIA UZYSKANE ZA POMOCĄ SZTUCZNYCH SATELITÓW
1. Budowa atmosfery
2. Badanie przestrzeni kosmicznej
3. Łączność przez sztuczne satelity
4. Kosmos i pogoda
5. Nawigacja i przy wykorzystaniu sztucznych satelitów
6. Astronomia
7. Geodezja i kosmos
8. Medycyna kosmiczna i biologia
BADANIA NAJBLIŻSZEGO OTOCZENIA NASZEJ PLANETY
Pierwsze sztuczne satelity wyposażone w bogatą aparaturę obserwacyjną i stanowiące skompletowane laboratoria pozwoliły poznać, co dzieje się w górnych warstwach atmosfery
i okołoziemskiej przestrzeni kosmicznej.
Gęstość atmosfery odgrywa decydującą rolę w hamowaniu sztucznych satelitów Ziemi. Nie znając jej dokładnej wartości, nie można obliczyć zmian orbity i czasu życia sztucznego satelity. Dlatego do pomiaru gęstości górnych warstw atmosfery przywiązuje się duże znaczenie. Jedną z najlepszych i pewnych metod określenia gęstości atmosfery jest śledzenie hamowania sztucznych satelitów Ziemi. Hamowanie to uwidacznia się w zmianie kształtu orbity i okresu obrotu satelity wokół Ziemi. Obliczenia gęstości atmosfery na podstawie zmiany kształtu orbity pierwszych radzieckich sztucznych satelitów wykazały, że na wysokości około 200 km gęstość atmosfery jest około 10 razy większa aniżeli przedtem powszechnie przypuszczano. Jeszcze nie tak dawno sądzono, ze w międzyplanetarnej przestrzeni na wysokości dziesięciu tysięcy kilometrów od Ziemi panuje całkowita próżnia. Badania za pomocą sztucznych satelitów całkowicie zmieniły to przypuszczenie. Stwierdzono, że ten obszar przestrzeni jest wypełniony dużą ilością cząsteczek lecących z prędkościami bliskimi prędkości światła. Podróż cząsteczek polegającą na wysyłaniu energii w postaci strumieni cząsteczek lub fal elektromagnetycznych nazywa się promieniowaniem. Obszary gdzie istnieje intensywne promieniowanie tego rodzaju, zostały nazwane pasami promieniowania pierścieniowego. Pasy promieniowania wykazują największą grubość nad równikiem magnetycznym, ulegają stopniowemu zmniejszeniu w kierunku większych szerokości geograficznych. Podczas lotów radzieckich rakiet kosmicznych ujawniono na dużych wysokościach od Ziemi, że poza granicami drugiego pasa promieniowania znajduje się duża ilość cząsteczek o małej energii, które tworzą pas, będący granicznym obszarem między ziemskim polem magnetycznym, a przestrzenią międzyplanetarną. Sztuczne satelity zmieniły również pogląd na budowę jonosfery. Badania potwierdziły warstwową budowę atmosfery. Stwierdzono również, że nad troposferą i stratosferą występują co najmniej trzy dalsze obszary: mezosfera, termosfera i egzosfera. Sztuczne satelity Ziemi umożliwiają badanie bliskiej przestrzeni kosmicznej, a wystrzelenie międzyplanetarnych rakiet daje możność badania dalszych przestrzeni Kosmosu. Rakiet kosmiczne wysłane w kierunku Księżyca, Wenus i Marsa były zaopatrzone w aparaturę badawczą do prowadzenia szerokiego zakresu badań naukowych. Przeprowadzono nie tylko badani promieni kosmicznych, określono także intensywność promieniowania, jego strukturę, wykryto fotony cięższe jądra atomowe oraz zbadano składniki gazowe materii międzyplanetarnej, promieniowanie korpuskularne słońca. Specjalne przyrządy zastosowano do pomiarów energii cząstek meteorów i obliczono prawdopodobieństwo zderzenia się z nimi. Oprócz tego mierzono natężenie pola magnetycznego w pobliżu Ziemi i na bardzo dużych odległościach od niej, wykryto pole magnetyczne Księżyca, sfotografowano odwrotną stronę oraz jego powierzchnię z bliska. przeprowadzono również łagodne lądowanie na Księżycu i otrzymano fotografie panoramy księżycowej. Dłuższe loty statków kosmicznych, sztucznych satelitów Ziemi, loty na Księżyc, założenie laboratorium na Księżycu jeszcze bardziej rozszerzyły zakres naszej wiedzy o wszechświecie. Astronomowie zyskali idealne warunki do obserwacji. Przecież na Księżycu jest niezmiernie rozrzedzona atmosfera, a zatem nie ma rozproszenia promieni świetlnych przez pył i cząstki wody. Na Księżycu jest zawsze " ładna pogoda", która daje szerokie możliwości badań w laboratoriach księżycowych, szczególnie astronomicznych. Wreszcie, stacje kosmiczne lub Księżyc mogą być użyte jako baza do wysyłania ekspedycji na dalsze planety.
ŁĄCZNOŚĆ PRZEZ SZTUCZNE SATELITY
Obecnie Kosmos może pomóc w rozwiązywaniu wielu palących problemów ludzkości.
Jedno z pierwszych miejsc zajmuje zastosowanie sztucznych satelitów Ziemi do stworzenia międzynarodowego systemu łączności radiowej i telewizyjnej. Rewelacyjną zmianę przyniosło zastosowanie sztucznych satelitów, od których powierzchni fale ultrakrótkie mogą się odbijać i powracać do stacji naziemnych.
Takim pierwszym sztucznym satelitą umieszczonym na orbicie 12 sierpnia 1960 roku był duży balon amerykański Echo 1, którego powłoka z tworzywa sztucznego była pokryta cienką warstewką aluminium. Wprowadzenie na orbitę tego balonu odbyło się w specjalnym małym cylindrycznym pojemniku. Po osiągnięciu orbity pojemnik otworzył się automatycznie i wyrzucił powłokę balonu. Niewielka ilość mieszaniny ciekłych związków chemicznych, umieszczona wewnątrz powłoki pod wpływem działania ciepła promieni słonecznych przekształciła się w gaz, nadając balonowi kształt kulisty. Taki nieskomplikowany system, nie wymagający kosztownej aparatury, nazwano biernym
( pasywnym). Inny system, nazwany czynnym ( aktywnym), polega na umieszczeniu w satelicie stacji przekaźnikowej. Stacja odbiera sygnały z Ziemi, wzmacnia je i przekazuje w kierunku Ziemi. Takimi satelitami zaopatrzonymi w urządzenia retransmisyjne są satelity: Courier, Mołnia, Realy i Telstar. Zaletą systemu czynnego jest czystość odbioru, jednak wymaga on silnych źródeł zasilania i koszt jego jest bardzo wysoki. Obecnie za pośrednictwem satelity typu Telstar lub Mołnia można wymieniać programy telewizyjne za pomocą wielkich stacji telewizyjnych, które jednak pracują z przerwami.
KOSMOS I POGODA
Naukowe metody przewidywania pogody są obecnie oparte na wynikach obserwacji naziemnych stacji meteorologicznych rozrzuconych nierównomiernie na obu półkulach naszego globu oraz na statystyce i na historii dawnych obserwacji. W tych obserwacjach są pomocne satelity meteorologiczne. Satelity te wyposażone w kamery telewizyjne i czujniki na podczerwień umożliwiają obserwacje obszarów dotychczas nie obserwowanych. Satelita może rejestrować przede wszystkim obszary chmur z dużej wysokości i na dużej powierzchni, ponadto wiele innych danych dotyczących promieniowania podczerwonego i widzialnego. Sputniki radzieckie Kosmos badają górne warstwy atmosfery, a amerykański satelita meteorologiczny Tiros przekazał obraz układów chmur z wysokości 700 km na powierzchni kwadratu o boku 1200 km . Otrzymywane w sposób ciągły zdjęcia pozwalają na trafne przewidywanie burz i huraganów. Stworzenie światowego systemu satelitów meteorologicznych, rozmieszczonych na ustalonych uprzednio orbitach, umożliwiają szybkie otrzymanie ciągłego obrazu pogody na całej kuli ziemskiej. Informacje o wszelkich zjawiskach atmosferycznych, dane o promieniowaniu, wilgotności atmosfery itp. są przekazywane do światowego centrum meteorologicznego, które po przeanalizowaniu i przeliczeniu przekazywane są do krajowych ośrodków meteorologicznych.
NAWIGACJA PRZY WYKORZYSTANIU SZTUCZNYCH SATELITÓW ZIEMI
Dziesiątki tysięcy statków płynie stale po morzach i oceanach, setki samolotów unosi się w powietrzu. Dokładne informacje o położeniu statku powietrznego lub morskiego stają się konieczne dla każdego nawigatora prowadzącego statek. Używając odpowiednich sygnałów i wykorzystując zjawisko dudnienia (zjawisko Dopllera), statki morskie lub powietrzne otrzymują informacje za pomocą satelity telekomunikacyjnej o swoim położeniu o każdej porze dnia i nocy i przy różnych stanach pogody, co zapewni bezpieczeństwo żeglowania.
ASTRONOMIA
Loty kosmiczne wykazują, że coraz bardziej realną staje się możliwość stosowania obserwatoriów astronomicznych krążących wokół Ziemi. Stworzą one dla astronomów doskonałe warunki obserwacji, bowiem usuną zasłonę atmosfery ziemskiej, zakrywającą wiele szczegółów odległych światów. Badania Wszechświata przez człowieka są
ograniczone, ponieważ atmosfera ziemska tamuje lub zniekształca dużą ilość promieniowania kosmicznego (promieniowanie rentgenowskie, podczerwone, nadfioletowe)
docierające do Ziemi. Około 99 % cząsteczek powietrza w atmosferze ziemskiej jest skoncentrowane pomiędzy powierzchnią Ziemi i wysokością ok. 32 km nad poziomem morza. Umieszczając teleskopy i inne urządzenia do obserwacji nieba powyżej tej wysokości,
człowiek będzie mógł obserwować Wszechświat z korzystniejszego punktu, powyżej obszaru mgieł. Obserwatoria tego rodzaju pozwalają człowiekowi poznać charakter i genezę powstania systemu słonecznego, badać własności fizyczne planet naszego układu, poznawać inne gwiazdy i galaktyki. Amerykanie wysyłają na orbity okołoziemskie satelity przeznaczone wyłącznie do obserwacji astronomicznej słońca, oraz satelity serii astronomicznej wyposażone w różnorodną aparaturę obserwacyjną ( teleskopy, spektrometry
i fotometry). Satelity te krążą po okołoziemskich orbitach kołowych na wysokości 480 - 800 kilometrów.
GEODEZJA I KOSMOS
Satelity pomagają w określeniu dokładnych odległości, umiejscowienia i dokładnego kształtu powierzchni lądów i mórz na Ziemi. Zwiększyły również dokładność pomiaru, kształtów
i wymiarów naszej planety, oraz zmiany ziemskiej siły ciężkości. Te informacje przyspieszą opracowanie dokładnych map ogólnoświatowych i dostarczą dodatkowe wiadomości o naszej planecie. Do badań geodezyjnych Amerykanie zastosowali sztuczne satelity, których masa wynosi 450 kg, zawierają one wiele przyrządów pomiarowych.
MEDYCYNA KOSMICZNA I BIOLOGIA
Badania medycyny kosmicznej zapowiadają znaczną pomoc w leczeniu chorób sercowych
i układu krążenia krwi. Przeprowadzono już doświadczenia nad zachowaniem się organizmu ludzkiego w warunkach wielkiego wysiłku, emocji i zmęczenia oraz nad tym jak organizm ludzki może najlepiej znosić samotność przez dłuższy okres czasu. Naukowcy - dietetycy opracowali problem żywienia w Kosmosie. Również biologowie stworzyli własne pracownie do badań nad żywą materią i prawami jej rozwoju w warunkach kosmicznych.
Do wszechstronnego poznania Kosmosu potrzebne są nowe zdobycze prawie w każdej gałęzi techniki oraz szczegółowa współpraca z podstawowymi naukami: fizyką, chemią i matematyką. Obecnie nowoczesne satelity są używane do badania pogody, fotografowania powierzchni Ziemi, przekazywania programów radiowych i telewizyjnych i umożliwienia do 30 000 połączeń telefonicznych na raz. Energia słoneczna i komputery pozwalają satelicie
zająć odpowiednią pozycję nad wybranym miejscem na Ziemi.
Prawa dynamiki Newtona dały Fizyce podstawę dalszego szybkiego rozwoju. Aż do początków XX wieku prawa te nie zostały zakwestionowane, a i dziś są uznawane za prawdziwe w odpowiedniej skali zjawisk.