Почему орбитальные спутники такие нестабильные?

Может показаться, что спутники на орбите Земли — это самое простое, привычное и родное, что есть в этом мире. В конце концов, Луна висит на небе уже более четырех миллиардов лет и в ее движениях нет ничего сверхъестественного. Но если мы сами запускаем спутники на орбиту Земли, они держатся там всего несколько или десятки лет, а после повторно входят в атмосферу и либо сгорают, либо падают в океан и на землю.

Более того, если взглянуть на естественные спутники на других планетах, все они держатся значительно дольше, чем антропогенные спутники, которые вращаются вокруг Земли. Международная космическая станция (МКС), например, обращается вокруг Земли каждые 90 минут, в то время как нашей Луне нужно порядка месяца на это. Даже спутники, которые находятся близко к своим планетами — вроде Ио у Юпитера, приливные силы которого согревают мир и разрывают его вулканическими катастрофами, — стабильно держатся на своих орбитах.

Ио, как ожидается, останется на орбите Юпитера на весь оставшийся срок жизни Солнечной системы, а вот МКС, если не принимать никаких мер, будет на своей орбите меньше 20 лет. Та же участь справедлива практически для всех спутников, присутствующих на низкой околоземной орбите: ко времени, когда нагрянет следующее столетие, почти все нынешние спутники войдут в атмосферу Земли и сгорят. Самые крупные (вроде МКС со своей 431 тонной веса) упадут в виде крупных обломков на сушу и в воду.

Почему так происходит? Почему этим спутникам плевать на законы Эйнштейна, Ньютона и Кеплера и почему они не хотят соблюдать стабильную орбиту постоянно? Оказывается, есть ряд факторов, вызывающих эту орбитальную суматоху.

1. Атмосферное сопротивление

Это, пожалуй, самый важный эффект, который также является причиной того, почему спутники на низкой околоземной орбите нестабильны. Другие спутники — вроде геостационарных спутников — тоже сходят с орбиты, но не так быстро. Мы привыкли считать «космосом» все, что находится выше 100 километров: выше линии Кармана. Но любое определение границы космоса, где начинается космос и заканчивается атмосфера планеты, будет притянутым за уши. В реальности частицы атмосферы простираются далеко и высоко, просто плотность их становится все меньше и меньше. В конечном счете плотность падает — ниже микрограмма на кубический сантиметр, потом нанограмма, потом пикограмма — и тогда мы все с большей уверенностью можем называть это космосом. Но атомы атмосферы могут присутствовать и на расстоянии тысяч километров, и когда спутники сталкиваются с этими атомами, они теряют импульс и замедляются. Поэтому спутники на низкой околоземной орбиты нестабильны.

2. Частицы солнечного ветра

Солнце постоянно испускает поток высокоэнергетических частиц, по большей части протонов, но есть также электроны и ядра гелия, которые сталкиваются со всем, что встретят. Эти столкновения, в свою очередь, изменяют импульс спутников, с которыми сталкиваются, и постепенно их замедляют. По прошествии достаточного времени, начинают нарушаться и орбиты. И хотя это не основная причина схода с орбиты спутников на НОО, для спутников подальше это имеет более важное значение, поскольку они приближаются, а вместе с этим растет и атмосферное сопротивление.

3. Несовершенное гравитационное поле Земли

Если бы у Земли не было атмосферы, как у Меркурия или Луны, смогли бы наши спутники оставаться на орбите всегда? Нет, даже если бы мы убрали солнечный ветер. Это потому, что Земля — как и все планеты — не является точечной массой, а скорее структурой с непостоянным гравитационным полем. Это поле и изменения по мере того, как спутники вращаются вокруг планеты, выливаются в воздействие приливных сил на них. И чем ближе спутник к Земле, тем больше воздействие этих сил.

4. Гравитационное влияние остальной части Солнечной системы

Очевидно, Земля не является полностью изолированной системой, в которой единственная гравитационная сила, которая влияет на спутники, рождается на самой Земле. Нет, Луна, Солнце и все остальные планеты, кометы, астероиды и другое вносят вклад в виде гравитационных сил, которые расталкивают орбиты. Даже если бы Земля была бы идеальной точкой — скажем, сжалась бы в невращающуюся черную дыру — без атмосферы, а спутники на 100% были бы защищены от солнечного ветра, эти спутники постепенно начали бы падать по спирали в центр Земли. Они оставались бы на орбите дольше, чем существовало бы само Солнце, но и эта система не была бы идеально стабильной; орбиты спутников в конечном счете нарушались бы.

5. Релятивистские эффекты

Законы Ньютона — и кеплеровых орбит — это не единственное, что определяет движение небесных тел. Та же сила, которая заставляет орбиту Меркурия прецессировать на лишние 43» в век, приводит к тому, что орбиты нарушаются за счет гравитационных волн. Скорость этого нарушения невероятно мала для слабых гравитационных полей (вроде тех, что мы нашли в Солнечной системе) и для больших расстояний: потребуется 10¹⁵⁰ лет, чтобы Земля по спирали спустилась к Солнцу, а степень нарушения орбит околоземных спутников в сотни тысяч раз меньше этого. Но эта сила присутствует и является неизбежным следствием общей теории относительности, эффективно проявляясь на более близких спутниках планеты.

Все это не просто влияет на созданные нами спутники, но и на естественные спутники, которые мы находим на орбите других миров. Ближайшая к Марсу луна Фобос, например, обречена быть разорванной приливными силами и по спирали спуститься в атмосферу Красной планеты. Несмотря на наличие атмосферы, которая составляет всего 1/140 земной, атмосфера Марса большая и диффузная, и, кроме того, Марс не имеет защиты от солнечного ветра (в отличие от Земли с ее магнитным полем). Поэтому через десятки миллионов лет Фобос всё. Может показаться, что это случится не скоро, но это ведь меньше 1% от того времени, которое Солнечная система уже существует.

Но ближайшим спутником Юпитера не является Ио: это Метис, по мифологии первая жена Зевса. Ближе Ио есть четыре небольших спутника, из которых Метис ближе всего — всего в 0,8 радиуса Юпитера от атмосферы планеты. В случае с Юпитером за нарушение орбит отвечают не атмосферные силы и не солнечный ветер; с орбитальной полуосью в 128 000 километров, Метис испытывает внушительные приливные силы, которые несут ответственность за нисхождение по спирали этой луны к Юпитеру.

В качестве примера того, что бывает, когда преобладают мощные приливные силы, можно отметить комету Шумейкера — Леви 9 и ее столкновение с Юпитером в 1994 году, после того как она была полностью разорвана приливными силами. Такова судьба всех спутников, которые по спирали идут к своему родному миру.

Сочетание всех этих факторов делает любой спутник фундаментально нестабильным. Учитывая достаточное время и отсутствие других стабилизирующих эффектов, нарушаться будут абсолютно все орбиты. В конце концов, все орбиты нестабильны, но некоторые — нестабильнее других.