В новом выпуске программы StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Ниц обсуждают устройство околоземного пространства. Разговор посвящен трем основным уровням орбит, на которых работают современные спутники: от международной космической станции до систем глобального позиционирования и телекоммуникационных гигантов.
🍎 От яблока Ньютона до «второй Луны» 0:00
История спутников началась задолго до запуска «Спутника-1». Нил Деграсс Тайсон напоминает, что теоретическую базу под концепцию орбитального движения заложил еще Исаак Ньютон . В своих трудах Ньютон приводил мысленный эксперимент: если бросить объект (например, яблоко) горизонтально, он упадет на землю на некотором расстоянии. Если придать ему бо́льшую скорость, он упадет еще дальше. Тайсон объясняет логику Ньютона: при достижении определенной скорости объект будет падать «за горизонт» с той же скоростью, с которой изгибается поверхность Земли .
Фактически, спутник — это объект, который постоянно находится в состоянии свободного падения, но промахивается мимо Земли из-за своей колоссальной боковой скорости . Когда в 1957 году СССР запустил первый искусственный спутник, у общества еще не было устоявшейся терминологии. Газеты того времени писали, что Россия запустила «вторую Луну» вокруг Земли, так как Луна была единственным знакомым примером небесного тела на орбите .
🛰️ Низкая околоземная орбита (LEO): Космические «лежачие полицейские» 2:16
Первый уровень — это Низкая околоземная орбита (Low Earth Orbit, LEO). На этой высоте, составляющей несколько сотен миль, находятся почти все объекты, созданные для пребывания человека в космосе:
- Международная космическая станция (МКС);
- Телескоп «Хаббл»;
- Все пилотируемые космические корабли .
Полный оборот вокруг планеты на этой высоте занимает около 90 минут . Из-за такой скорости астронавты на МКС наблюдают 16 восходов и закатов каждые сутки .
Однако у LEO есть серьезная техническая проблема — атмосфера. Тайсон подчеркивает, что даже на такой высоте присутствуют частицы газов, которые создают сопротивление. Он сравнивает это с «лежачим полицейским» . Трение о разреженный воздух постепенно замедляет объект, заставляя его опускаться в более плотные слои атмосферы, что приводит к лавинообразному процессу падения. Чтобы МКС не сгорела в атмосфере, ее необходимо периодически «подталкивать» вверх . Для этого используются двигатели пристыкованных грузовых кораблей. Этот процесс происходит очень медленно и плавно, чтобы не повредить хрупкую структуру станции .
📡 Геостационарная орбита (GEO): Наследие Артура Кларка 4:30
Идея использования высоких орбит принадлежит писателю-фантасту Артуру Кларку. В 1940-х годах он осознал, что существует определенная высота, на которой время обращения спутника вокруг Земли в точности совпадает с периодом вращения самой планеты вокруг своей оси .
Особенности Геостационарной орбиты (Geostationary Orbit, GEO):
- Высота: около 22 236 миль (почти 36 000 км) над уровнем моря .
- Свойство: спутник кажется «зависшим» над одной точкой экватора.
- Назначение: идеальна для телекоммуникаций. Кларк предложил размещать спутники над океанами, чтобы передавать радиосигналы между континентами (например, из США в Европу), обходя проблему кривизны Земли .
Тайсон отмечает, что в эпоху первых спутников связи, таких как знаменитый Telstar, космическая тематика была настолько популярна, что в честь спутников даже называли модели автомобилей .
🗺️ Средняя околоземная орбита (MEO) и система GPS 6:29
Пространство между LEO и GEO занимает Средняя околоземная орбита (Medium Earth Orbit, MEO), которую Тайсон в шутку называет «Орбитой Средиземья» (Middle Earth Orbit) . Именно здесь на высоте около 12 000 миль располагаются спутники системы GPS .
В отличие от геостационарных аппаратов, GPS-спутники постоянно перемещаются относительно поверхности. Чтобы ваш телефон всегда знал свои координаты, над головой в любой момент времени должно находиться минимум несколько таких спутников . Тайсон напоминает, что GPS изначально была чисто военной разработкой ВВС США, и подчеркивает тесную связь между астрофизикой и военными технологиями, о чем он написал книгу «Accessory to War» .
Для полного покрытия планеты используются не только экваториальные, но и приполярные орбиты, чтобы сигнал доходил даже до жителей высоких широт (в шутку упоминая Санта-Клауса на Северном полюсе) .
📶 Проблема задержки и современные спутниковые созвездия 8:54
Главный недостаток высоких орбит (GEO) — это задержка сигнала (лаг). Радиоволны движутся со скоростью света, но при полете на расстояние 23 000 миль вверх и столько же вниз возникает задержка примерно в полсекунды . С учетом обработки сигнала общая задержка может составлять секунду, что делает невозможным комфортный диалог («острые реплики» не получатся) .
По словам Тайсона, именно поэтому современные компании (например, Starlink) возвращаются к использованию LEO . Из-за того, что на низкой высоте один спутник покрывает лишь малую площадь поверхности, приходится запускать огромные «созвездия» из тысяч аппаратов . Тайсон вспоминает, что в детстве он, будучи «ребенком-гиком», замерял задержку телетрансляций Олимпиад из Европы, когда на экране мелькала надпись «Live via satellite» . Современные технологии сделали спутниковую связь настолько обыденной, что пользователи больше не замечают этих долей секунды .
