Спутник – это что? Естественные и искусственные спутники планет

В астрономии понятие «спутник» впервые появилось благодаря ученому Иоганну Кеплеру. Он употребил его ещё в 1611 году в своей работе Narratio de Iovis Satellitibus. В обычном понимании планетные спутники – это космические тела, которые вращаются вокруг планет. Они обращаются по собственной орбите под действием гравитационных сил своего «старшего компаньона».

Естественные спутники – это тела, которые появились природным путем, без участия человека. Они могут образоваться из газа и пыли или же из осколка какого-либо небесного тела, захваченные силами притяжения планеты. Попадая под влияние гравитационных сил, они преобразовываются, например, сжимаются и уплотняются, приобретают шарообразную форму (не всегда) и т. д.

Предполагается, что большинство современных спутников планет – их осколки, отколовшиеся в результате столкновения, или бывшие астероиды. Как правило, они состоят изо льда и минералов, в отличие от планет, не имеют металлического ядра, усеяны кратерами и разломами.

При открытии спутника ему присваивают номер. Затем первооткрыватель имеет право его назвать по собственному усмотрению. Традиционно их имена связывают с мифологией. Лишь у Урана они названы в честь литературных персонажей.

Некоторые спутники в истории

Спутник-1 был размером с баскетбольный мяч весом около трех с половиной килограмм. Он находился на орбите до 8 января 1958 года, когда он был сожжен после возвращения в атмосферу. Выданный им сигнал позволил измерить концентрацию ионов и предоставил другие важные данные.

В 1958 году НАСА запустила первый спутник под названием Explorer 1. Первое снятое изображение Земли было сделано в 1959 году одним из его преемников Explorer 6..

В 1969 году Соединенные Штаты предприняли космическую миссию под названием «Аполлон-11», которая стала первым пилотируемым полетом на поверхность Луны..

В настоящее время, согласно спутниковой базе данных UCS, в 2016 году на орбите вокруг Земли находилось 1459 действующих спутников. Из них 593 принадлежат США, 192 – Китаю, 135 – России и 539 – другим странам..

В 2016 году офис Программы космического мусора НАСА обнаружил на орбите около 17 817 объектов космического мусора. Если принять во внимание объекты менее 10 см на околоземной орбите, они могут достичь 750 тысяч мусорных объектов, представляющих риск из-за возможности воздействия на работающие спутники..

Самый старый спутник, все еще находящийся на орбите, – это «Авангард-1», запущенный в 1958 году. Размер спутников различается в зависимости от их функции: самый большой спутник, который в настоящее время существует, – это Международная космическая станция и самый маленький спутник НАСА. весит 64 грамма и был создан 3D-принтером, хотя в невесомости он выдерживает только 12 минут.

Далее описаны некоторые различия, характеристики, функции и типы каждого естественного и искусственного спутника..

Искусственные спутники

Первый искусственный спутник Земли «Спутник 1» вывели на геоцентрическую орбиту. Сейчас на ней вращается больше 2500 аппаратов. Чтобы классифицировать высоты, используют низкую околоземную орбиту, среднюю и высокую.

• Низкая околоземная орбита (LEO): от 0-2000 км.
• Средняя орбита Земли (MEO): от 2000 км – 35786 км. Ее также именуют промежуточной круговой орбитой.
• Высокая орбита (HEO): выше 35786 км.

• Наклонная орбита: наклон относительно экваториальной плоскости не равняется нулю.
• Полярная орбита: простирается над полюсами планеты на каждом обороте. Наклон – 90 градусов.
• Полярная солнечная синхронная орбита: почти полярная, проходящая через экватор в одно и то же местное время на каждом проходе. Удобная для фотографирования, потому что тени будут почти одинаковыми на каждом проходе.

• Круговая орбита: эксцентриситет 0, а траектория проходит по кругу.
• Гомановская траектория: орбитальный маневр, перемещающий космический корабль с одной круговой орбиты на другую с использованием двух двигательных импульсов.
• Эллиптическая орбита: эксцентриситет больше 0 и меньше 1 (эллипс).
• Геосинхронная орбита переноса: эллиптическая орбита, где перигей находится на высоте Низкой околоземной орбиты (LEO), а апогей – на высоте геосинхронной орбиты.
• Геостационарная орбита переноса: эллиптическая орбита, где перигей находится на высоте околоземной орбиты (LEO) и апогей – на геостационарной.

Известные виды

Спутники делятся на группы в зависимости от их назначения. Некоторые используются для исследования планет, другие предназначены для проведения научных экспериментов. Существует довольно большой список искусственных спутников земли, их можно разделить на виды:

• астрономические;
• биологические;
• метеорологические;
• малые;
• прикладные;
• военные;
• навигационные;
• космические станции и корабли.

Астрономические аппараты предназначены для исследования галактик, планет и других объектов. Биологический тип необходим для изучения и проведения научных экспериментов над живыми организмами в космических условиях. Есть ещё спутники дистанционного зондирования земли — они позволяют ученым наблюдать за поверхностью планеты и делать её снимки.

С помощью метеорологических объектов можно предсказывать погоду и исследовать изменения климата. Военные аппараты используются в целях обеспечения разведывательной деятельности. А спутник связи позволяет реконструировать радиосигнал между разными точками на поверхности Земли. Прикладные помогают решать технические и хозяйственные задачи. Навигационный тип позволяет определить местоположение водных, наземных и воздушных объектов. Корабли и станции предназначены для выхода человека в открытое космическое пространство.

Интересные факты о самых интересных спутниках

Харон, снимок зонда Новые Горизонты

Одним из интереснейших естественных спутников планет Солнечной системы является Харон – естественный спутник Плутона. Харон, в сравнении с Плутоном, настолько огромен, что многие астрономы называют эти два космических объекта не иначе, как двойной карликовой планетой. Планета Плутон всего в два раза больше своего естественного спутника.

Титан спутник Сатурна

Живой интерес астрономов вызывает естественный спутник Сатурна – Титан. Большинство естественных спутников планет Солнечной системы состоят в основном изо льда, камня или обеих этих составляющих, в результате чего у них отсутствует атмосфера. Однако у Титана эта атмосфера есть, причем достаточно плотная, а также озера из жидких углеводородов.

Изображение спутника Юпитера Европа

Еще один естественный спутник, который дает надежду ученым на обнаружение внеземных форм жизни, является спутник Юпитера – Европа. Считается, что под толстым слоем льда, который покрывает спутник, находится океан, внутри которого действуют термальные источники – точно такие же, как и на Земле. Поскольку некоторые глубоководные формы жизни на Земле существуют благодаря этим источникам, то считается, что схожие формы жизни могут существовать и на Титане.

Ио спутник Юпитера

У планеты Юпитер есть еще один интересный естественный спутник – Ио. Ио – это единственный спутник планеты Солнечной системы, на котором ученые-астрофизики впервые обнаружили действующие вулканы. Именно по этой причине он представляет особый интерес для исследователей космоса.

Орбиты спутников

Выделяется 3 типа орбит.

Полярная наклонена к экваториальной плоскости планеты под прямым углом.

Траектория наклонной орбиты смещена по отношению к экваториальной плоскости на угол менее 90 0 .

Экваториальная (также носит название геостационарная) располагается в одноименной плоскости, по ее траектории небесное тело движется со скоростью обращения планеты вокруг своей оси.

Также орбиты спутников по своей форме подразделяются на два базовых типа – круговые и эллиптические. На круговой орбите небесное тело движется в одной из плоскостей планеты с постоянным расстоянием над поверхностью планеты. Если спутник движется по эллиптической орбите, это расстояние изменяется в рамках периода одного витка.

Квазиспутники

Круитни — это квазиспутник, он не является естественным спутником Земли.

В 21 веке ученые обнаружили небесные тела, которые были похожи на спутники. Эти тела назвали квазиспутниками. В отличие от Луны, квазиспутники обращаются вокруг Солнца и находятся от него примерно на том же расстоянии, что и Земля. Их орбиты нестабильны, и они периодически приближаются к Земле. В научно-популярной литературе квазиспутники называют «вторыми лунами» или «вторыми спутниками». Это упрощенное название, но из-за него порой возникает путаница: одно время в интернете появлялись –>статьи об обнаружении второго естественного спутника у Земли –> — Круитни. На самом деле, Круитни — это квазиспутник.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Искусственные спутники Земли”

На прошлом уроке мы с вами говорили о том, что в случае, когда скорость тела и сила, действующая на тело, направлены вдоль пересекающихся прямых, то тело будет двигаться по криволинейной траектории. Однако, через некоторое время, описав дугу, тело остановится. Причиной этого являются действия на него сил трения и сопротивления воздуха, которые и уменьшают его скорость. Но если нам удастся свести действие этих сил к минимуму, то шарик сможет описать вокруг крепления шнура́ одну или даже несколько окружностей.

Примером такого движения может служить обращение планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет.

Все спутники делятся на две категории: естественные и искусственные.

Естественные спутники планет — это космические тела естественного происхождения, которые вращаются вокруг планет. Самым известным нам естественным спутником является Луна.

Искусственные спутники — это космические аппараты, созданные людьми, которые позволяют наблюдать за планетой, около которой они вращаются, а также другими астрономическими объектами из космоса.

Чтобы понять, при каких условиях тело способно стать искусственным спутником Земли, обратимся к размышлениям Ньютона. Их суть такова: если бросить с высокой горы камень в горизонтальном направлении, то, двигаясь по ветви параболы, он со временем упадёт на Землю.

Сообщив ему большую скорость, он упадёт дальше. Поскольку Земля имеет шарообразную форму, то одновременно с продвижением камня по его траектории поверхность Земли удаляется от него. Значит можно подобрать такое значение скорости камня, при котором поверхность Земли из-за её кривизны будет удаляться от камня ровно на столько, на сколько камень приближается к Земле под действием силы тяжести. Тогда тело будет двигаться на постоянном расстоянии от поверхности Земли, то есть станет её искусственным спутником.

Так как за пределами атмосферы силы сопротивления движению спутнику отсутствуют, то на него будет действовать только сила притяжения к Земле. Поэтому спутник движется как свободно падающее тело с ускорением свободного падения.

Искусственным спутником Земли может стать любое тело произвольной массы. Важно, чтобы ему сообщили за пределами земной атмосферы горизонтальную скорость, при которой оно начнёт двигаться по окружности вокруг Земли.

Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может стать её искусственным спутником, называется первой космической скоростью.

Давайте подсчитаем значение первой космической скорости.

По этой же формуле мы можем рассчитать и первую космическую скорость спутника для любой планеты, заменив в ней радиус и массу Земли, на радиус и массу данной планеты.

Если можно пренебречь высотой в сравнении с радиусом Земли, то первая космическая скорость может быть рассчитана по формуле:

Сравнивая эту формулу с формулой определения ускорения свободного падения вблизи поверхности Земли, не трудно заметить, что первая космическая скорость может быть найдена, как квадратный корень из произведения ускорения свободного падения и радиуса Земли.

Приняв радиус земли равным 6400 километрам, а ускорение свободного падения — 9,8 м/с 2 , получим, что для Земли первая космическая скорость равна:

Именно такую скорость в горизонтальном направлении нужно сообщить телу на небольшой, сравнительно с радиусом Земли, высоте, чтобы оно не упало на Землю, а стало её спутником, движущимся по круговой орбите.

Возникает закономерный вопрос: «Почему же тогда свободно падающий спутник не падает на Землю?»

Примем для простоты расчётов, что ускорение свободного падения равно 10 м/с 2 , а скорость спутника — 8 км/с. Тогда за одну секунду свободного падения спутник пройдёт по направлению к Земле 5 метров и одновременно с этим переместиться перпендикулярно этому направлению на 8 километров. В результате этих двух движений спутник и движется по своей орбите. Так, например, наша Луна уже более 4,5 миллиардов лет вращается вокруг Земли.

8 км/с — это почти 29 000 км/ч! Сообщить телу такую скорость, конечно, не просто. Только 1957 году советским учёным впервые в истории человечества удалось с помощью мощной ракеты сообщить телу массой около 85 килограмм первую космическую скорость, и оно стало первым искусственным спутником Земли.

А уже в 1961 году 12 апреля Юрий Алексеевич Гагарин совершил полёт в космос на корабле «Восток», став первым человеком на планете, побывавшем в космосе.

Сейчас в околоземном пространстве движутся многие тысячи искусственных спутников Земли, запущенных учёными разных стран. Но старт в космос человечеству был дан с территории нашей страны советскими учёными.

— А что произойдёт, если телу сообщить скорость, большую, чем первая космическая на данной высоте?

В этом случае орбита спутника будет представлять собой эллипс. И чем больше сообщённая телу скорость, тем более вытянутой будет его орбита.

Скорость, при достижении которой космический аппарат, запускаемый с Земли, может преодолеть земное притяжение и осуществить полёт к другим планетам Солнечной системы, называется второй космической скоростью. Для Земли она примерно равна 11,2 км/с.

Если же телу сообщить скорость порядка 16,67 км/с, то оно сможет преодолеть притяжение не только Земли, но и Солнца. Тело начнёт двигаться по гиперболе и уйдёт в межзвёздное пространство. Эта скорость называется третьей космической скоростью.