Orbita - z czego się składa i jaki ma kształt?

● Orbita to tor ciała niebieskiego i sztucznego satelity. Po orbicie poruszają się planety, komety, planetoidy i inne ciała niebieskie. ● Orbita składa się z sześciu elementów, tzw. elementów Keplera. ● Ruch większości planet i ciał w Układzie Słonecznym można opisać prawem powszechnego ciążenia Newtona. 

Orbitę zdefiniować można najprościej jako tor ciała niebieskiego lub sztucznego satelity, które poruszają się pod wpływem siły grawitacji. To właśnie po orbicie poruszają się planety, komety, planetoidy i inne ciała niebieskie. Orbity to także tor ruchu księżyców.

Orbity mogą mieć różne kształty: eliptyczne, kołowe, wydłużone, paraboliczne, hiperboliczne. Bez względu na swój kształt zawsze składają się one z sześciu elementów. Do tzw. elementów Keplera zalicza się:

– nachylenie płaszczyzny orbity – „i” – długość węzła wstępującego – „Ω” – mimośród lub stopień odchylenia od obwodu – „e” – połowa najdłuższej średnicy, czyli półoś wielka – „a” – peryhelium lub parametr peryhelium, kąt od węzła wstępującego do peryhelium – „ω” – średnia anomalia epoki lub ułamek upływającego czasu, które wyrażona jest za pomocą kąta – „M0”.

 Za pomocą powyższych elementów opisane są poszczególne cechy orbity:

– „e” i „a” opisują kształt i rozmiar; – „i” i „Ω” opisują położenie płaszczyzny w przestrzeni; – „M0” i „ω” opisują orientację orbity w płaszczyźnie i położenie ciała niebieskiego na orbicie.

Ruch większości planet Układu Słonecznego można opisać dzięki prawu powszechnego ciążenia Newtona. Zakłada ono, że każdy obiekt we wszechświecie przyciąga każdy inny z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między ich środkami. Newton wykazał zatem, że ruchem ciał niebieskich rządzą te same zasady, co ruchem na Ziemi, a im większe ciało, tym silniejsze jego przyciąganie. 

Jeżeli mamy do czynienia z masami położonymi blisko siebie lub poruszającymi się bardzo szybko, wówczas zastosowanie ma teoria względności Alberta Einsteina. 

Ziemia – tak, jak inne planety w Układzie Słonecznym – porusza się po orbicie wokół Słońca. Orbita ziemska ma nieco eliptyczny kształt, a czas, jaki zajmuje Ziemi całe jej przemierzenie, wynosi 365 dni. Od orbity ziemskiej należy odróżnić pojęcie orbit okołoziemskich, czyli orbit, który wykorzystywane są przez sztuczne satelity do prowadzenia obserwacji. Z uwagi na wysokość nad powierzchnią Ziemi wyróżnia się następujące rodzaje orbit okołoziemskich:

– orbity niskie tzw. LEO, – orbity średnie tzw. MEO, – orbita geostacjonarna tzw. GEO.

Dodatkowo w niektórych publikacjach można spotkać się także z wyróżnieniem orbit silnie eliptycznych HEO, czyli Highly Elliptical Orbit. Orbity te mają perygeum, czyli punkt najbliższy Ziemi, na około 500 km od niej, a apogeum wynosi 35786 km. Orbity typu HEO służą do opracowania systemu satelitarnego dla wydzielonego obszaru Ziemi. 

LEO, czyli Low Earth Orbit, to kołowe lub eliptyczne orbity, które znajdują się od 200 do 2000 km nad powierzchnią Ziemi. Ich zakres wyznaczany jest z jednej strony przez gęstość atmosfery, a z drugiej przez strefy silnej radiacji, tzw. strefy Van Allena. To właśnie na orbitach LEO znajduje się większość sztucznych satelitów, statków kosmicznych i stacji orbitalnych. Niskie orbity używane są m.in. do przesyłania danych takich jak poczta e-mail, czy wideokonferencje.  

MEO, czyli Medium Earth Orbit, nazywane też ICO, czyli Intermedium Circular Orbit, to orbity kołowe położone od 2000 do 35786 km, czyli orbity geostacjonarnej. Satelity na orbitach średnich wykorzystywane są na ogół w nawigacji, a także obejmują obszary biegunów – północnego i południowego.

GEO, czyli Geostationary Earth Orbit, to orbita kołowa, która zawarta jest w płaszczyźnie równika. Znajduje się ona na wysokości 35 786 km nad równikiem, czyli 42 160 km od środka Ziemi. Orbita geostacjonarna wykorzystywana jest przede wszystkim do celów telekomunikacyjnych, meteorologicznych i telefonii satelitarnej. Znajdują się na niej także satelity SBAS, które wspomagają system GPS. 

Koncepcję orbity geostacjonarnej spopularyzował Arthur Clarke, który w 1945 roku opublikował artykuł, w którym spekulował na temat możliwości umieszczenia na orbicie geostacjonarnej satelit i wykorzystaniu ich w celach telekomunikacyjnych. Co ciekawe, Arthur Clarke znany był przede wszystkim jako pisarz fantastycznonaukowy.