Med början på 1950-talet med Sputnik , Vostok och Merkurius program, började människor 'glida jordens sura band'. Och under en tid var alla våra uppdrag vad som kallas Low-Earth Orbit (LEO). Med tiden, med Apollo-uppdrag och djupa rymduppdrag som involverar robotrymdfarkoster (som Reseuppdrag ), började vi våga oss bortom och nå månen och andra planeter i solsystemet.
Men i stort sett har den stora majoriteten av uppdragen till rymden genom åren – vare sig de är bemannade eller obemannade – varit till Low-Earth Orbit. Det är här som jordens stora utbud av kommunikations-, navigerings- och militärsatelliter finns. Och det är här som Internationell rymdstation (ISS) bedriver sin verksamhet, vilket också är dit de flesta besättningsuppdrag idag går. Så vad är LEO och varför är vi så inställda på att skicka saker dit?
Definition:
Tekniskt sett befinner sig objekt i låg omloppsbana runt jorden på en höjd av mellan 160 till 2 000 km (99 till 1200 mi) över jordens yta. Alla föremål under denna höjd kommer att drabbas av orbital förfall och kommer snabbt att sjunka ner i atmosfären, antingen brinna upp eller krascha på ytan. Objekt på denna höjd har också en omloppsperiod (dvs den tid det tar dem att kretsa runt jorden en gång) på mellan 88 och 127 minuter.
Lagren i vår atmosfär visar höjden för de vanligaste norrskenen. Kredit: Wikimedia Commons
Objekt som befinner sig i en låg omloppsbana om jorden utsätts för luftmotstånd eftersom de fortfarande befinner sig i de övre lagren av jordens atmosfär – närmare bestämt termosfären (80 – 500 km; 50 – 310 mi), themopause (500–1000 km; 310– 620 mi), och exosfären (1000 km; 620 mi och längre). Ju högre objektets omloppsbana är, desto lägre är 1atmosfärens densitet och luftmotstånd.
Men bortom 1000 km (620 mi) kommer objekt att bli föremål för jordens Van Allen strålningsbälten – en zon av laddade partiklar som sträcker sig till ett avstånd av 60 000 km från jordens yta. I dessa bälten har solvinden och kosmiska strålar fångats av jordens magnetfält, vilket leder till varierande strålningsnivåer. Därav varför uppdrag till LEO syftar till attityder mellan 160 till 1000 km (99 till 620 mi).
Egenskaper:
Inom termosfären, termopausen och exosfären varierar atmosfäriska förhållanden. Till exempel innehåller den nedre delen av termosfären (från 80 till 550 kilometer; 50 till 342 mi) jonosfären, som kallas så eftersom det är här i atmosfären som partiklar joniseras av solstrålning. Som ett resultat måste alla rymdfarkoster som kretsar i denna del av atmosfären kunna motstå nivåerna av UV och hård jonstrålning.
Temperaturerna i denna region ökar också med höjden, vilket beror på den extremt låga densiteten hos dess molekyler. Så medan temperaturerna i termosfären kan stiga så högt som 1500 °C (2700 °F), betyder avståndet mellan gasmolekylerna att det inte skulle kännas varmt för en människa som var i direkt kontakt med luften. Det är också på denna höjd som de fenomen som kallas norrsken och Aurara Australis är kända för att äga rum.
Exosfären, som är det yttersta lagret av jordens atmosfär, sträcker sig från exobasen och smälter samman med tomheten i yttre rymden, där det inte finns någon atmosfär. Detta lager består huvudsakligen av extremt låga densiteter av väte, helium och flera tyngre molekyler inklusive kväve, syre och koldioxid (som är närmare exobasen).
För att upprätthålla en låg omloppsbana måste ett föremål ha en tillräcklig omloppshastighet. För objekt på en höjd av 150 km och uppåt måste en omloppshastighet på 7,8 km (4,84 mi) per sekund (28 130 km/h; 17 480 mph) bibehållas. Detta är något mindre än flykthastigheten som krävs för att komma in i omloppsbana, vilket är 11,3 kilometer (7 miles) per sekund (40 680 km/h; 25277 mph).
Trots att tyngdkraften i LEO inte är nämnvärt mindre än på jordens yta (cirka 90%), befinner sig människor och föremål i omloppsbana i ett konstant tillstånd av fritt fall, vilket skapar en känsla av viktlöshet.
Användning av LEO:
I denna historia av rymdutforskning har den stora majoriteten av mänskliga uppdrag varit till Low Earth Orbit. De Internationell rymdstation kretsar också i LEO, mellan en höjd av 320 och 380 km (200 och 240 mi). Och LEO är där majoriteten av konstgjorda satelliter distribueras och underhålls. Orsakerna till detta är ganska enkla.
För det första skulle utplaceringen av raketer och rymdfärjor till höjder över 1000 km (610 mi) kräva betydligt mer bränsle. Och inom LEO upplever kommunikations- och navigationssatelliter, såväl som rymduppdrag, hög bandbredd och låg kommunikationsfördröjning (aka. latens).
För jordobservation och spionsatelliter är LEO fortfarande tillräckligt låg för att få en bra titt på jordens yta och lösa stora objekt och vädermönster på ytan. Höjden tillåter också snabba omloppsperioder (lite över en timme till två timmar långa), vilket gör att de kan se samma region på ytan flera gånger på en enda dag.
Och naturligtvis, på höjder mellan 160 och 1000 km från jordens yta, är föremål inte föremål för den intensiva strålningen från Van Allen-bälten. Kort sagt, LEO är den enklaste, billigaste och säkraste platsen för utplacering av satelliter, rymdstationer och rymduppdrag med besättning.
Problem med rymdskräp:
På grund av dess popularitet som destinationer för satelliter och rymduppdrag, och med ökningar av rymduppskjutningar under de senaste decennierna, blir LEO också alltmer överbelastad med rymdskräp. Detta tar formen av kasserade raketsteg, icke-fungerande satelliter och skräp som skapats av kollisioner mellan stora skräpbitar.
Förekomsten av detta skräpfält i LEO har lett till växande oro de senaste åren, eftersom kollisioner i höga hastigheter kan vara katastrofala för rymduppdrag. Och med varje kollision skapas ytterligare skräp, vilket skapar en destruktiv cykel känd som Kessler-effekten – som är uppkallad efter NASA-forskaren Donald J. Kessler, som först föreslog den 1978.
År 2013 uppskattade NASA att det kan finnas så mycket som 21 000 skräpbitar större än 10 cm, 500 000 partiklar mellan 1 och 10 cm och mer än 100 miljoner mindre än 1 cm. Som ett resultat av detta har många åtgärder vidtagits under de senaste decennierna för att övervaka, förhindra och mildra rymdskräp och kollisioner.
Till exempel, 1995, blev NASA den första rymdorganisationen i världen att utfärda en uppsättning omfattande riktlinjer för hur man kan lindra orbitalskräp. 1997 svarade den amerikanska regeringen med att utveckla Orbital Debris Mitigation Standard Practices , baserat på NASA:s riktlinjer.
NASA har också etablerat Orbital Debris Program Office , som samordnar med andra federala avdelningar för att övervaka rymdskräp och hantera störningar orsakade av kollisioner. Dessutom har US Space Surveillance Network övervakar för närvarande cirka 8 000 objekt i omloppsbana som anses vara kollisionsrisk, och tillhandahåller ett kontinuerligt flöde av omloppsdata till olika myndigheter.
Europeiska rymdorganisationens (ESA) Rymdskräpkontor upprätthåller också Databas och informationssystem som karaktäriserar objekt i rymden (DISCOS), som ger information om uppskjutningsdetaljer, omloppshistorik, fysiska egenskaper och uppdragsbeskrivningar för alla objekt som för närvarande spåras av ESA. Denna databas är internationellt erkänd och används av nästan 40 byråer, organisationer och företag världen över.
I över 70 år har Low-Earth Orbit varit lekplatsen för mänsklig rymdkapacitet. Ibland har vi gett oss bortom lekplatsen och längre ut i solsystemet (och till och med bortom). Under de kommande decennierna förväntas mycket mer aktivitet äga rum i LEO, vilket inkluderar utplacering av fler satelliter, cubesats, fortsatta operationer ombord på ISS och till och med flygturism.
Det behöver inte sägas att denna ökning av aktivitet kommer att kräva att vi gör något åt allt skräp som genomsyrar rymdbanorna. Med fler rymdbyråer, privata flygbolag och andra deltagare som vill dra nytta av LEO, kommer det att behövas en seriös sanering. Och några ytterligare protokoll kommer säkert att behöva utvecklas för att se till att det förblir rent.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om att kretsa runt Jorden här på Universe Today. Här är Vad är jordens bana? , Hur högt är utrymmet? , Hur många satelliter finns i rymden? , Norr- och södersken – vad är en norrsken? och Vad är den internationella rymdstationen?
Om du vill ha mer information om låg jordomloppsbana, kolla in typerna av omloppsbana från Europeiska rymdorganisationens webbplats . Här är också en länk till NASA:s artikel om Low Earth Orbit .
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast som handlar om att ta sig runt i solsystemet. Lyssna nu, Avsnitt 84: Getting Around the Solar System .
Källor: