Naukowcy proponują konfigurację motylkową dla przyszłych misji satelitarnych

Zespół polskich naukowców z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu proponuje umieszczenie satelitów w konfiguracji motylkowej (butterfly configuration), w tym satelitów na orbicie wstecznej, gdzie obecnie nie ma żadnych obiektów okrążających Ziemię. Jak przekonują, taka konfiguracja orbitalna jest bardzo korzystna w zakresie badania zmian globalnych, m.in. zmian w ruchu obrotowym czy też spłaszczenia Ziemi spowodowanego topnieniem lodowców na biegunach. Wyniki badań nad optymalną konfiguracją przyszłych misji satelitarnych ukazały się w czasopiśmie „Journal of Geophysical Research: Solid Earth”.

Satelity w konfiguracji motylkowej

Sztuczne satelity umieszczane są zazwyczaj na orbitach okołobiegunowych z kątem nachylenia względem równika około 90° (np. do obserwacji zmian w obszarach polarnych) albo na orbitach o mniejszych kątach nachylenia (np. 55° w przypadku systemu GPS, 56° w przypadku Galileo lub 0° w przypadku satelitów geostacjonarnych). Pod kątami nachylenia od 120° do 180° nie ma prawie żadnych satelitów okrążających Ziemię.
W umieszczeniu satelitów pod kątem mniejszym niż 90° pomaga ruch obrotowy Ziemi, dzięki któremu wyniesienie obiektu na orbitę wymaga zużycia mniejszej ilości paliwa. Umieszczenie satelity na orbicie wstecznej powyżej 90° jest o wiele bardziej kosztowne.

Jak się jednak okazuje, tzw. orbita wsteczna, na której satelity poruszają się przeciwnie do kierunku obrotu Ziemi, jest bardzo korzystna w badaniach naszej planety. W ciągu tego samego okresu satelity na orbitach wstecznych wykonują więcej przelotów nad tymi samymi obszarami względem obserwatora na Ziemi. Przeloty satelitów są krótsze, ale za to częstsze niż ma to miejsce na standardowych orbitach.
Z symulacji przeprowadzonych przez polskich naukowców wynika, że najlepiej stosować orbity wsteczne jeżeli chcemy lepiej poznać procesy globalne i ich zmiany w czasie. Dzięki takim orbitom można lepiej wyznaczyć zmiany spłaszczenia Ziemi, które spowodowane są topnieniem lodowców na Grenlandii i Antarktydzie, zmiany w pozycji bieguna oraz zmiany w środku ciężkości masy planety, czyli punktu, wokół którego orbitują wszystkie sztuczne satelity.

W artykule opublikowanym w „Journal of Geophysical Research: Solid Earth” zespół naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu przeprowadził symulacje różnych konfiguracji orbitalnych oraz wskazał optymalną orbitę dla przyszłym misji geodezyjnych. Naukowcy zaproponowali uzupełnienie istniejącej konfiguracji satelitów geodezyjnych LAGEOS i LARES o nowe satelity, które pozwalają zachować symetrię konfiguracji względem osi obrotu Ziemi. Dzięki temu powstaje konfiguracja motylkowa „butterfly configuration”.
Przykładowo dla satelity nachylonego pod kątem 70° względem bieguna proponuje się satelitę na tej samej wysokości nachylonego o 180° – 70° = 110° względem bieguna. Zarówno pierwszy, jak i drugi satelita będzie orbitował nad tymi samymi obszarami Ziemi, jednak ten drugi na orbicie wstecznej będzie poruszał się przeciwnie do ruchu obrotowego planety.

Konfiguracja motylkowa ma wiele zalet, m.in. taką, że niektóre efekty działające na satelity będą takie same, np. efekt związany z anomaliami w ruchu obrotowym Ziemi, a niektóre efekty będą miały przeciwne znaki, np. efekt obracania się płaszczyzny orbity za sprawą spłaszczenia Ziemi. Zatem dzięki konfiguracji motylkowej można skutecznie oddzielić od siebie różne efekty obserwowane w anomaliach ruchu sztucznych satelitów, które są nierozróżnialne w przypadku pojedynczego satelity, a tym samym lepiej poznać procesy zachodzące na Ziemi i powodujące te anomalia.

Najbardziej optymalnym miejscem umieszczenia przyszłego satelity geodezyjnego okazał się kąt nachylenia 127° i wysokość 5620 km. Taka konfiguracja zapewnia odbicie lustrzane parametrów orbitalnych satelity LAGEOS-2 w konfiguracji motylkowej. Satelita poruszając się na orbicie wstecznej, będzie miał okres obiegu względem stacji na obracającej się Ziemi 3 h 13 min, podczas gdy satelita LAGEOS-2 posiada ten sam okres obiegu równy 4 h 22 min mimo tej samej wysokości. Dzięki temu stacja laserowa znajdująca się na Ziemi będzie mogła zarejestrować więcej przelotów satelity w ciągu dnia (średnio o 36% więcej), a satelita lepiej „zeskanuje” powierzchnię Ziemi, gdyż wykona więcej przelotów w tym samym czasie.

Satelity geodezyjne mają kształt kuli oraz wyposażone są w reflektory odbijające wiązkę lasera dokładnie w tym samym kierunku, co kierunek wiązki padającej, umożliwiając tym samym bardzo dokładne pomiary odległości z teleskopów naziemnych. Takie satelity stanowią podstawę w badaniu zmian kształtu Ziemi spowodowanego procesami zachodzącymi w atmosferze, hydrologii lądowej, oceanach i skorupie ziemskiej, oraz pozwalają na wyznaczenie zmian w pozycji bieguna. Jednak dotychczas wynoszone satelity nie zawsze były umieszczane w najkorzystniejszych miejscach, gdyż wszystkie mają kąt nachylenie nie większy niż 110°. Dlatego, pomimo większych kosztów wyniesienia satelitów, warto umieszczać je tam, gdzie ich obecnie nie ma – na orbitach wstecznych.

Więcej informacji w artykule:
Najder, J., Sośnica, K., Strugarek, D., & Zajdel, R. (2023); „A simulation study for future geodetic satellites tracked by satellite laser ranking”. „Journal of Geophysical Research: Solid Earth”, 128(12), e2022JB026192. https://doi.org/10.1029/2022JB026192

Źródło: IGiG UPWr