什么是衛星?我們怎樣利用它們?為什么在環地軌道上有這么多衛星?本文將會回答這些以及其他與衛星有關的問題。
圖解:由NASA所跟蹤的太空碎片分布。
1965年在奧柏林大學的畢業典禮上,他說道:
通過科學與技術,我們已經讓這個世界上的人們成為“鄰里”。現在,通過我們的道德品質與倫理承諾,我們必須讓這個世界上的人們成為“兄弟”。我們必須學著如手足般生活在一起——否則我們所有人將會一起如愚昧者般走向死亡。
為了紀念這次演講,現在讓我們來談談是什么幫助這個世界成為“鄰里”——它是一個當我們開車去一個新地點時,觀看來自于世界各地的新聞時,甚至預測天氣時所依賴的東西。沒錯,我指的就是衛星!
這些衛星距離地球有多遠?當它們停止工作時會發生什么?有多少其他太空垃圾實際存在于那里?它們又在做什么?
什么是衛星?根據其定義,衛星可以是環繞一顆行星的軌道上的任何物體。月球是地球唯一一個天然衛星,它距離地球約24萬英里(或38萬公里)。除此之外,環地軌道上的衛星都是人造衛星,或者是由人類放在那里的。
第一顆送入行星軌道的人造衛星是斯普特尼克1號(Sputnik 1),這是1957年蘇聯發射的一顆184磅重的金屬球,它只攜帶了一塊電池,一個溫度計以及一臺無線電發射機。斯普特尼克號的電池只持續了3周,但是,它是改變我們溝通與利用地球周圍空間的開始。
自斯普特尼克號(Sputnik)以來,至今估計已有2500顆體積大小不一的衛星通過火箭被發射到太空,并送入環地軌道。這些衛星有許多用途,包括天氣檢測,通信,電視廣播,導航,當然還有科學研究。也有很多軍事衛星,但是絕大部分執行的任務不為大眾所知。
你可能看到過星球誕生或星系碰撞的宏偉的圖片,這些圖片都是來自于哈勃太空望遠鏡。此望遠鏡是一顆自1990年開始便環繞在距離地球300英里高空的衛星。2018年,美國宇航局(NASA)計劃發射詹姆斯韋伯太空望遠鏡,一顆價值80億美元的第二個“哈珀”望遠鏡,它將利用紅外光(與哈珀絕大部分光學視角相比)與前所未有的靈敏度和分辨率來觀測宇宙。
我們也向太空中其他行星的軌道送入了科學衛星,如火星全球勘探者號和2001火星奧德賽號。有時,火星漫游者使用這些軌道器將數據上行傳輸到地球。
衛星到底是如何留在軌道上的?衛星得以保持在環地軌道都要歸功于其運行速度與將它們拉向地球方向的引力之間的完美平衡。如果衛星加速,則它的離心力將最終大于其引力,導致其飛向遙遠的太空。反之,如果它運行過慢,引力將會使它們返回地球。
所有人造衛星一旦因計劃或意外的機械故障無法持續加速,它們最終都將會返回地球。但是,我們不必擔心,隨著這些物體落回地球,它們會在與地球大氣層發生摩擦之前燃燒殆盡。一顆位于低軌的衛星的壽命可長達100年,一個位于高軌的衛星壽命長達100萬年。
衛星主要有三種軌道類型:近地軌道,地球同步軌道與高橢圓軌道。
那么,這三種軌道之間有什么區別呢?近地軌道的衛星距離地球很近(300-1250英里),以至于它們必須有很高的運行速度(每小時超過15000英里)來平衡強大的引力。它們可以兩小時內環繞地球一周并且通常被地球上的天線所追蹤。哈珀太空望遠鏡與國際空間站以及許多氣象衛星都處于近地軌道。
地球同步軌道上的衛星(GEO衛星)似乎固定于地球上的一個位置并且通常能看到地球表面的三分之一。為了與地球自轉速度相匹配,GEO衛星通常距離地球22000英里,并在赤道區域以每小時近7000英里的速度移動。
地球同步運行環境衛星或GOES就是典型的地球同步衛星。它們被用來尋找可能導致風暴的天氣模式的變化以及用來檢測冰和海平面。
GPS(全球定位系統)衛星通常不與地球相對靜止,這也就是為什么當你第一次開始使用一個新的GPS或將GPS帶到一個新的位置時,你有時候會難以獲得信號。由于GEO衛星必須靠近赤道才能與地球保持相對靜止,因此,它們不能覆蓋到更北邊或南邊的地點。
為了覆蓋到地球兩極,有的衛星被送入高橢圓軌道,其形狀為非常拉伸的圓或橢圓。這些衛星距離地球越遠,運行速度越慢,因此,從地球的角度來看,這些衛星在這段時間內看起來相對靜止。因此,這些衛星模擬地球同步軌道,并且可以從赤道處以一個很大的角度被放置,以便它們可以覆蓋到北部及南部區域。俄羅斯人因處于北半球高緯度區,所以他們是使用高橢圓軌道的先驅。
太空垃圾一旦衛星不再工作,它就會成為軌道碎片。據美國宇航局估計,大約有2萬個體積大于壘球,50萬體積大于一塊大理石的軌道碎片。任何足夠大的軌道碎片都被稱為“太空垃圾”。美國宇航局與國防部共同追蹤了超過21000件太空垃圾。
美國宇航局追蹤著太空垃圾的分布。然而,宇航員與工作中的衛星的最大威脅實際上是那些過小而無法追蹤的物體。即使像油漆斑點一樣大小的物體在以每小時17000英里的速度運行時也會造成巨大的損失。
因充滿碎片而導致的空間擁擠正逐漸成為一個真正的問題(不只是像電影《重力》中危及喬治·克魯尼和桑德拉·布洛克的科幻場景一般)。就在2007年,中國一次摧毀失效衛星的任務就產生了近3000塊太空碎片。
2009年,一顆用于衛星電話的的美國Iridium通訊衛星與一顆俄羅斯的衛星相撞,這一相撞導致在軌道上又增加了數千塊獨立的太空碎片。我們需要努力清理太空空間來防止這些太空碎片去危及我們所依賴的工作衛星以及未來的載人航天的太空任務。
衛星觀測由于除了這些太空垃圾之外還有大量的工作的衛星,你只要保持一點點耐心,在視野開闊的天空下,你每小時就能看到多達十幾二十顆衛星。在日落與日出前,以一個舒適而又傾斜的姿勢,用一副好的望遠鏡來觀察天空,你便可以感覺到太陽不再耀眼,但是它仍然足夠高,以至于其光線都能反射出經過的衛星。
尋找那些劃過天際并快速消失的光點。你可以很容易地將它們與飛機區別開來,這些飛機移動速度更緩慢,并且往往伴隨著閃爍的燈光。
國際空間站(ISS)是地球上業余愛好者搜索最多的衛星之一。此衛星在美國與俄羅斯的共同努力下于1998年成功發射,是重量不到100萬磅的最大人造衛星。,國際空間站(ISS)處于距離地球越250英里的軌道上,為研究生物學,物理學與天文學提供了一個良好的微重力環境,并且自2000年11月起開始持續使用。
參考資料1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. Sabrina Stierwalt- Greta
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