Explainer: Wie umkreisen Satelliten die Erde?

Werfen Sie einen Blick auf den Mond und es ist nicht schwer, sich ihn als Planeten vorzustellen. Eine Felskugel mit einem Durchmesser von 3.476 Kilometern, mit Basaltebenen und Gebirgszügen, deren Anziehungskraft hier auf der Erde Gezeiten erzeugt.

Trotz seiner enormen Masse und Anziehungskraft leistet der Mond hervorragende Arbeit, um nicht auf die Erde zu fallen. Warum? Weil der Mond im Orbit ist.

Die Konzepte der Schwerkraft und der Umlaufbahnen wurden über Jahrhunderte von legendären Persönlichkeiten der Wissenschaft entwickelt, darunter Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton und Albert Einstein.

Satelliten im Orbit werden routinemäßig für Kommunikation, Bildgebung und Navigation verwendet – doch viele Menschen verstehen nicht, wie diese Satelliten im Weltraum bleiben.

Seitwärts gehen

Ein weit verbreitetes Missverständnis über Raumfahrt und Schwerelosigkeit ist, dass sie aus einer Abwesenheit der Schwerkraft resultieren. Während die Anziehungskraft von der Erde abnimmt, wenn man weiter in den Weltraum geht, verschwindet sie nie ganz. Lassen Sie einen Ball 100.000 km über der Erde los und er fällt allmählich.

Wie verhindern Satelliten und Monde, dass sie zusammenbrechen? Indem Sie seitwärts gehen.

Newton mag auf Partys keinen Spaß gemacht haben, aber er konnte ein krasses Gedankenexperiment schaffen. Um die Bewegung von Satelliten zu veranschaulichen, schuf er Newtons Kanone.

Wenn Sie eine Kanone horizontal auf die Erde abfeuern, geht die Kanonenkugel etwas weiter, wenn sie zu Boden fällt. Feuere die Kanonenkugel schneller aus der Kanone und sie wird weiter um die Erde reisen, bevor sie abstürzt.

Was wäre, wenn man die Kanonenkugel mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von 8 Kilometern pro Sekunde abfeuern könnte? Die Kanonenkugel würde der Krümmung der Erde folgen, durch die Schwerkraft zur Erde gezogen werden, aber niemals den Boden erreichen.

Zumindest in Newtons Gedankenexperiment, ohne Luftwiderstand und mit einer magisch mächtigen Kanone.Newtons Kanone bleibt ein Gedankenexperiment, aber im 20.Jahrhundert wurde es schließlich möglich, mit Geschwindigkeiten von 8 Kilometern pro Sekunde zu reisen. Nicht mit Kanonen, sondern mit Raketen.

Eine Rakete ist nicht nur komfortabler als eine Kanone, sondern kann auch über 100 Kilometer Höhe fliegen und dann in der Leere des Weltraums auf 8 Kilometer pro Sekunde beschleunigen. Bei dieser Geschwindigkeit dauert es nur 90 Minuten, um den Globus zu umrunden.

Im Orbit können die Raketenmotoren abgeschaltet werden und ein Raumschiff kann die Erde umrunden. Es ist ein Science-Fiction-Mythos, dass Raumfahrzeuge aus der Umlaufbahn stürzen, wenn ihre Motoren ausgeschaltet sind.Die Erdatmosphäre in Höhen zwischen 100 und 1.000 Kilometern ist außergewöhnlich dünn, so dass es Tage bis Jahre dauert, bis ein Raumschiff zur Erde zurückgeschleppt wird.

Wenn Sie sich in einem Raumschiff befinden, hoch über der Welt, wird die Schwerkraft an Ihnen und Ihrem Raumschiff ziehen, und dennoch wären Sie schwerelos.

Schwerelosigkeit tritt immer dann auf, wenn Sie frei von der Schwerkraft gezogen werden, ohne Widerstand (von einer Oberfläche oder der Luft). Schwerelosigkeit ist sogar zu spüren, ohne 8 Kilometer pro Sekunde zu fahren, am Anfang eines Sprungs oder zu Beginn eines Tauchgangs.

Höher gehen

Was passiert, wenn Sie die Raketen abfeuern und auf eine Geschwindigkeit von 10 Kilometern pro Sekunde beschleunigen? Anstatt der Krümmung der Erde zu folgen, folgt Ihr Raumschiff einem Pfad, der es weit von der Erde entfernt.

Wenn sich Ihr Raumschiff von der Erde entfernt, verlangsamt es sich sowohl vertikal als auch horizontal (aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses). Schließlich wird es eine Spitzenhöhe (Apogäum) erreichen und in Richtung Erde zurückfallen und dabei beschleunigen.

Der Prozess kehrt sich nun um, wobei das Raumschiff an Geschwindigkeit zunimmt, bis es eine minimale Höhe (Perigäum) erreicht. Der Vorgang wiederholt sich dann, wobei das Raumschiff eine Ellipse um die Erde verfolgt.

Was passiert, wenn Sie die Raketen erneut abfeuern und auf eine Geschwindigkeit von 11 Kilometern pro Sekunde beschleunigen? Jetzt wird es interessant.Ihr Raumschiff wird sich von der Erde entfernen und durch die Schwerkraft verlangsamt werden, aber die Anziehungskraft der Erde sinkt so schnell, dass sie Sie niemals vollständig aufhalten wird. Ihr Raumschiff wird die Nähe der Erde verlassen, um durch unser Sonnensystem zu wandern.

Stillhalten

Während einige Satelliten in 90 Minuten um die Welt sausen, scheinen sich andere überhaupt nicht zu bewegen. Wetter- und Fernsehsatelliten scheinen über dem Äquator zu schweben.

Diese Satelliten befinden sich in geostationären Umlaufbahnen. Wenn man sich weiter von der Erde entfernt, nimmt die Geschwindigkeit ab, die erforderlich ist, um in der Umlaufbahn zu bleiben, und die Zeit, die erforderlich ist, um eine Umlaufbahn abzuschließen, nimmt zu.

In fast 36.000 km Höhe braucht eine Umlaufbahn einen ganzen Tag, um die Erde zu umkreisen. Da sich die Erde auch einmal am Tag um ihre Achse dreht, erscheinen diese Satelliten aus unserer (sich drehenden) erdgebundenen Perspektive fixiert.

Gehen Sie noch weiter von der Erde weg und Umlaufbahnen dauern noch länger. Der Mond ist ein natürlicher Satellit 384.000 km von der Erde entfernt und benötigt etwas mehr als 27 Tage, um eine einzige Umlaufbahn zu absolvieren. Obwohl der Mond jede Sekunde einen Kilometer nach Osten wandert, geht der Mond auf der sich drehenden Erde im Osten auf und im Westen unter.

Vorbeiziehen

Wir können tatsächlich Satelliten sehen, die vor Sonnenaufgang und nach Einbruch der Dunkelheit vorbeiziehen, wenn sie das Sonnenlicht auf uns zu reflektieren.

Einige Satelliten folgen der Rotation der Erde und bewegen sich von West nach Ost. Andere haben Umlaufbahnen, die sie über die Pole führen, und reisen von Norden nach Süden oder von Süden nach Norden.

Wählen Sie die richtige Nacht und Sie werden die riesige, aber schwerelose Internationale Raumstation sehen, die den Globus umkreist.

Stillschweigend passieren die Satelliten den Himmel und brauchen ein paar Minuten, um von Horizont zu Horizont zu reisen. Für uns scheint ihre Passage ziemlich ruhig zu sein, obwohl sie jede Sekunde viele Kilometer in Höhen von Hunderten von Kilometern zurücklegen.