Begyndende i 1950'erne med Sputnik , Vostok og Merkur programmer, begyndte mennesker at 'glide Jordens sure bånd'. Og i en periode var alle vores missioner det, der er kendt som Low-Earth Orbit (LEO). Over tid, med Apollo missioner og dybe rummissioner, der involverer robot-rumfartøjer (som Rejsemissioner ), begyndte vi at vove os udover, og nåede Månen og andre planeter i solsystemet.
Men i det store og hele har langt de fleste missioner til rummet gennem årene – hvad enten de er bemandet eller ubemandet – været til Low-Earth Orbit. Det er her, at Jordens store udvalg af kommunikations-, navigations- og militærsatellitter befinder sig. Og det er her, at International rum Station (ISS) udfører sine operationer, hvilket også er der, hvor størstedelen af bemandede missioner går i dag. Så hvad er LEO, og hvorfor er vi så opsatte på at sende ting dertil?
Definition:
Teknisk set er objekter i lav kredsløb om Jorden i en højde på mellem 160 til 2.000 km (99 til 1200 mi) over jordens overflade. Enhver genstand under denne højde vil lide af orbital henfald og vil hurtigt falde ned i atmosfæren, enten brænde op eller styrte ned på overfladen. Objekter i denne højde har også en omløbsperiode (dvs. den tid, det vil tage dem at kredse om Jorden én gang) på mellem 88 og 127 minutter.
Lagene i vores atmosfære, der viser højden af de mest almindelige nordlys. Kredit: Wikimedia Commons
Objekter, der befinder sig i et lavt kredsløb om Jorden, er udsat for atmosfærisk modstand, da de stadig er inden for de øverste lag af Jordens atmosfære – specifikt termosfæren (80 – 500 km; 50 – 310 mi), themopause (500–1000 km; 310– 620 mi), og exosfæren (1000 km; 620 mi og videre). Jo højere objektets kredsløb er, jo lavere er 1atmosfærisk tæthed og træk.
Men ud over 1000 km (620 mi) vil objekter være underlagt Jordens Van Allen strålingsbælte - en zone af ladede partikler, der strækker sig til en afstand på 60.000 km fra Jordens overflade. I disse bælter er solvind og kosmiske stråler blevet fanget af Jordens magnetfelt, hvilket fører til varierende niveauer af stråling. Derfor sigter missioner til LEO efter holdninger mellem 160 og 1000 km (99 til 620 mi).
Egenskaber:
Inden for termosfæren, termopausen og exosfæren varierer de atmosfæriske forhold. For eksempel indeholder den nederste del af termosfæren (fra 80 til 550 kilometer; 50 til 342 mi) ionosfæren, som er såkaldt, fordi det er her i atmosfæren, at partikler ioniseres af solstråling. Som et resultat skal ethvert rumfartøj, der kredser i denne del af atmosfæren, være i stand til at modstå niveauerne af UV og hård ionstråling.
Temperaturerne i denne region stiger også med højden, hvilket skyldes den ekstremt lave tæthed af dets molekyler. Så mens temperaturerne i termosfæren kan stige så højt som 1500 °C (2700 °F), betyder afstanden mellem gasmolekylerne, at det ikke ville føles varmt for et menneske, der var i direkte kontakt med luften. Det er også i denne højde, at fænomenerne kendt som Nordlys og Aurara Australis vides at finde sted.
Exosfæren, som er det yderste lag af Jordens atmosfære, strækker sig fra exobasen og smelter sammen med det ydre rums tomhed, hvor der ikke er nogen atmosfære. Dette lag er hovedsageligt sammensat af ekstremt lave tætheder af brint, helium og flere tungere molekyler, herunder nitrogen, oxygen og kuldioxid (som er tættere på exobase).
For at opretholde et lavt kredsløb om jorden skal et objekt have en tilstrækkelig kredsløbshastighed. For objekter i en højde på 150 km og derover skal en kredsløbshastighed på 7,8 km (4,84 mi) pr. sekund (28.130 km/t; 17.480 mph) opretholdes. Dette er lidt mindre end den flugthastighed, der er nødvendig for at komme i kredsløb, som er 11,3 kilometer (7 miles) i sekundet (40.680 km/t; 25277 mph).
På trods af at tyngdekraften i LEO ikke er væsentlig mindre end på Jordens overflade (ca. 90%), er mennesker og genstande i kredsløb i konstant frit fald, hvilket skaber følelsen af vægtløshed.
Anvendelser af LEO:
I denne rumforskningshistorie har det store flertal af menneskelige missioner været i Low Earth Orbit. Det International rum Station kredser også i LEO, mellem en højde på 320 og 380 km (200 og 240 mi). Og LEO er det sted, hvor størstedelen af kunstige satellitter er installeret og vedligeholdt. Årsagerne til dette er ret simple.
For det første ville udsendelse af raketter og rumfærger til højder over 1000 km (610 mi) kræve betydeligt mere brændstof. Og inden for LEO oplever kommunikations- og navigationssatellitter, såvel som rummissioner, høj båndbredde og lav kommunikations-tidsforsinkelse (aka. latency).
For jordobservation og spionsatellitter er LEO stadig lav nok til at få et godt kig på Jordens overflade og løse store objekter og vejrmønstre på overfladen. Højden giver også mulighed for hurtige omløbsperioder (lidt over en time til to timer lange), hvilket giver dem mulighed for at se det samme område på overfladen flere gange på en enkelt dag.
Og selvfølgelig, i højder mellem 160 og 1000 km fra jordens overflade, er objekter ikke udsat for den intense stråling fra Van Allen-bælterne. Kort sagt, LEO er den enkleste, billigste og sikreste placering til udsendelse af satellitter, rumstationer og bemandede rummissioner.
Problemer med rumaffald:
På grund af sin popularitet som destinationer for satellitter og rummissioner, og med stigninger i rumopsendelser i løbet af de sidste par årtier, bliver LEO også mere og mere overfyldt med rumaffald. Dette tager form af kasserede rakettrin, ikke-fungerende satellitter og affald skabt af kollisioner mellem store stykker affald.
Eksistensen af dette affaldsfelt i LEO har ført til stigende bekymring i de senere år, da kollisioner ved høje hastigheder kan være katastrofale for rummissioner. Og med hver kollision skabes der yderligere affald, hvilket skaber en destruktiv cyklus kendt som Kessler-effekten – som er opkaldt efter NASA-forskeren Donald J. Kessler, som foreslog det første gang i 1978.
I 2013 anslog NASA, at der kan være så meget som 21.000 skrammelstykker større end 10 cm, 500.000 partikler mellem 1 og 10 cm og mere end 100 millioner mindre end 1 cm. Som følge heraf er der i de seneste årtier blevet truffet adskillige foranstaltninger for at overvåge, forhindre og afbøde rumaffald og kollisioner.
For eksempel blev NASA i 1995 det første rumagentur i verden til at udsende et sæt omfattende retningslinjer for, hvordan man afbøder kredsløbsaffald. I 1997 reagerede den amerikanske regering ved at udvikle Orbital Debris Mitigation Standard Practices , baseret på NASAs retningslinjer.
NASA har også etableret Orbital Debris Program Office , som koordinerer med andre føderale afdelinger for at overvåge rumaffald og håndtere forstyrrelser forårsaget af kollisioner. Hertil kommer US Space Surveillance Network overvåger i øjeblikket omkring 8.000 objekter i kredsløb, der betragtes som kollisionsfarer, og giver en kontinuerlig strøm af kredsløbsdata til forskellige instanser.
Den Europæiske Rumorganisation (ESA) Space Debris Office fastholder også Database og informationssystem, der karakteriserer objekter i rummet (DISCOS), som giver information om opsendelsesdetaljer, orbitalhistorier, fysiske egenskaber og missionsbeskrivelser for alle objekter, der i øjeblikket spores af ESA. Denne database er internationalt anerkendt og bruges af næsten 40 bureauer, organisationer og virksomheder verden over.
I over 70 år har Low-Earth Orbit været legepladsen for menneskelig rumkapacitet. Nogle gange har vi vovet os ud over legepladsen og længere ud i solsystemet (og endda videre). I de kommende årtier forventes en hel del mere aktivitet at finde sted i LEO, hvilket inkluderer udsendelse af flere satellitter, cubesats, fortsatte operationer ombord på ISS og endda rumfartsturisme.
Det er overflødigt at sige, at denne stigning i aktiviteten vil kræve, at vi gør noget ved alt det skrammel, der gennemsyrer rumbanerne. Med flere rumbureauer, private rumfartsvirksomheder og andre deltagere, der ønsker at drage fordel af LEO, skal der foretages en seriøs oprydning. Og nogle yderligere protokoller skal helt sikkert udvikles for at sikre, at det forbliver rent.
Vi har skrevet mange interessante artikler om at kredse om jorden her på Universe Today. Her er Hvad er Jordens bane? , Hvor høj er pladsen? , Hvor mange satellitter er der i rummet? , Nord- og sydlys - Hvad er en Aurora? og Hvad er den internationale rumstation?
Hvis du gerne vil have mere information om lav kredsløb om jorden, så tjek kredsløbstyperne fra Den Europæiske Rumorganisations hjemmeside . Her er også et link til NASAs artikel om Low Earth Orbit .
Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast, der handler om at komme rundt i solsystemet. Hør her, Afsnit 84: At komme rundt i solsystemet .
Kilder: