Orbiit – määratlus, tüübid ja mõju planeetidele ja satelliitidele

Avasta orbiidi mõiste, orbiiditüübid ja gravitatsiooni mõju planeetidele ning satelliitidele — selge ülevaade ring- ja elliptilistest radadest ja nende tagamaadest.

Orbita on ka sõna, mis tähistab silmakoobast.

Orbiit on tee, mille objekt läbib kosmoses, kui see tiirleb ümber tähe, planeedi või kuu. Seda võib kasutada ka verbina. Näiteks: "Maa tiirleb ümber Päikese." Sõnal "pöörleb" on sama tähendus, kuid "pöörleb" on objekti pöörlemine.

Palju aastaid tagasi arvasid inimesed, et Päike tiirleb ümber Maa. Igal hommikul tõusis Päike idas ja läks läänes alla. See tundus lihtsalt loogiline, et see käib ümber Maa. Nüüd aga teame tänu sellistele inimestele nagu Kopernik ja Galileo Galilei, et Päike on Päikesesüsteemi keskpunkt ja Maa tiirleb ümber selle. Isaac Newton avastas, et gravitatsioon juhib planeetide ja kuude orbiiti. Kuna satelliit on objekt kosmoses, mis pöörleb ümber teise objekti, siis on Maa Päikese satelliit, nagu ka Kuu on Maa satelliit! Päikese ümber tiirleb palju satelliite, nagu planeedid, ning tuhandeid asteroide, komeete ja meteoriide. Maal on vaid üks looduslik satelliit (Kuu), kuid Maa ümber tiirleb palju kunstlikke satelliite.

Kui inimesed hakkasid esimest korda orbiitidest mõtlema, arvasid nad, et kõik orbiidid peavad olema täiuslikud ringid, ja nad arvasid, et ring on "täiuslik" kuju. Nii arvasid näiteks Kopernik ja Galilei. Kuid kui inimesed hakkasid hoolikalt uurima planeetide liikumist, nägid nad, et planeedid ei liigu täiusliku ringina. Mõnede planeetide orbiidid on peaaegu täiuslikud ringid ja teiste orbiidid on pigem piklikumad (munakujulised).

Mis on orbiidi põhialus?

Orbiidi kujunemise ja säilimise põhialuseks on gravitatsioon ja liikumise inerts — objekt oma liikumise tõttu tahab sirgjooneliselt jätkata, gravitatsioon tõmbab seda keskpunkti suunas. Tasakaalu tulemuseks on ring- või munakujuline trajektoor. Newtoni gravitatsiooniseadus selgitab, miks objektid jäävad tiirlema suurte masside ümber.

Orbiidi tüübid

• Ringi- ehk peaaegu-ringi orbiit – eendumus (ekstsentrilisus) on väga väike, trajektoor on peaaegu täiuslik ring.
• Elliptiline orbiit – enamik planeete ja looduslikke satelliite liigub ellipsi kujul; ellipsi kuju määrab ekstsentrilisus (0 = ring, lähemal 1 = väga piklik).
• Paraboolne ja hüperboolne trajektoor – üksikute kehade (nt mõned komeedid) trajektoorid, mis ei ole seotud püsiva orbiidiga ümber antud keha ja võivad süsteemist välja viia.
• Erirühmad kunstlike satteliitide puhul: madal Maa orbiit (LEO), keskmine Maa orbiit (MEO, nt GPS), geoostationaarne orbiit (GEO, ~35 786 km kõrgusel Maa ekvaatorist) ja polaar- või päikesesünkroonsed orbiidid.

Orbiidi kirjeldus — peamised parameetrid

Orbiiti kirjeldatakse tavaliselt kuue põhiparameetriga (Kepleri elemendid):

• Suurtelg (a) – määrab orbiidi suuruse (poolsuhtumine perioodile ja keskmisele kaugusele).
• Ekstsentrilisus (e) – kirjeldab orbiidi kuju (0 = ring, 0–1 = ellips).
• Kaldenurk (i) – orbiidi ja referentsitasandi (nt ekvaatori või ekliptika) vaheline nurk.
• Tõusva sõlme pikkuskraad (Ω) – näitab, kus orbiit läbib referentsitasandi lääne-ida suunalisel joonele.
• Periapsise argument (ω) – kirjeldab, kus orbiidi lähim punkt keskkehale asub.
• Anomaalia (v või M) – näitab, kus mööduv objekt orbiidil parasjagu asub.

Mõned põhimõisted ja lihtvalemid

Orbiidi kiirus ja periood sõltuvad keskkeha massist ja kaugusest. Lihtsam kujul kehtib ringorbiidi kiiruse ligikaudne valem:

v ≈ √(GM / r), kus G on gravitatsioonikonstant, M on keskkeha mass ja r on kaugus keskkehast.

Sarnane mõiste on põgenemiskiirus (escape velocity), see on kiirus, mille korral satelliit ei jää keskkeha gravitatsioonivälja piiresse.

Orbiidi muutused ja häirivad tegurid

Orbiidid ei ole täiesti püsivad; neid mõjutavad erinevad jõud ja efektid:

• Häired teistelt kehade gravitatsioonilt – näiteks Jupiteri mõjul tekivad asteroidivöös Kirkwood’ tühimikud ja resonantsid.
• Atmosfääriline hõõrdumine – madalalt tiirlevatel kunstsatelliitidel põhjustab õhuhõõrdumine aeglustumist ja orbitaalkõrgenemise langust (orbitaalne lagunemine).
• Radiatsioonijõud ja päikesetuul – eriti väikeste ja kergemate objektide puhul võivad need põhjustada väikseid, kuid pikaajalisi muutusi.
• Tõmbetõmbejõud ja Maa oblatsus (J2 efekt) – Maa mitte-täiuslik kuju põhjustab sõlmede ja periapsise aeglast ebaühtlast pretsessiooni.

Mõju planeetidele ja satelliitidele

Orbiidil on otsene mõju nii objektide geofüüsikale kui ka kliimale ja stabiilsusele:

• Rannikulained ja tõusud (tõusud ja mõõnad) – Kuu ja Päikese gravitatsioonist tulenev tüsistamatu tõmbepaar põhjustab Maal tõusu- ja mõõnaperioode.
• Orbitaalresonantsid – planeetide ja kuude resonantsid võivad suurendada eksentrilisust või kaldenurka; see mõjutab stabiilsust ja näiteks asteroidide jaotust.
• Orbiidi-ekstsentrilisuse mõju kliimale – väiksed muutused Maa orbiidis (Milankovitchi tsüklid) mõjutavad pikkadel ajaskaaladel Maa kliimat ja jäätumistsükleid.
• Satelliitide eluiga ja operaatorite planeerimine – kunstlike satelliitide puhul määravad orbiidi kõrgus, kaldenurk ja keskkonnatingimused ära tööaja, raadioside leviku ja hooldusvajaduse. Näiteks geostationaarne orbiit võimaldab pidevat suhtlust sama maapinnapunktiga, samas kui madala Maa orbiidi satelliidid vajavad sagedast asendamist või tõhusat päevaenergiat.

Rakendused ja inimtegevus

Orbiite kasutatakse teadusuuringutes, side- ja navigatsioonisüsteemides, kliimaseireks ja kosmosetööstuses. Orbiidimanöövrid (nt Hohmanni siirded) võimaldavad satelliitide liigutamist ühest orbiidist teise efektiivselt, kokkuhoiulise kütusega. Samuti planeeritakse tulevikus täiendavaid orbiittasemeid ja kuurundeid süvakosmoselaevade jaoks.

Kokkuvõte

Orbiit on keskne mõiste astronoomias ja kosmosetehnoloogias — see määrab, kuidas ja kus objektid liiguvad, kui tugevasti neid mõjutab gravitatsioon ja millised tagajärjed sellest tulenevad planeetide ja satelliitide füüsikale, stabiilsusele ja kliimale. Kuigi ajalooliselt arvasid paljud teadlased, et orbiidid peavad olema täiuslikud ringid, näitasid täpsemad vaatlused ja Kepleri seadused, et ellipsid on reeglina õigem kirjeldus; tänapäeval lisab Newtoni gravitatsioon ning mitmed häirivad efektid sellesse pildi dünaamilist keerukust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on orbiit?

K: Kuidas vaadeldi Päikese orbiiti aastaid tagasi?

K: Kes avastas, et gravitatsioon kontrollib orbiite?

K: Kas Maa on mõne teise objekti satelliit?

K: Mitu satelliiti tiirleb ümber Päikese?

Otsing