مدار أرضي منخفض

مدار الأرض المنخفض ( LEO ) هو مدار حول الأرض بفترة 128 دقيقة أو أقل (ما يجعل 11.25 مدارًا على الأقل في اليوم) واختلاف مركزي أقل من 0.25. ^[1] معظم الأجسام الاصطناعية في الفضاء الخارجي موجودة في مدار أرضي منخفض، وتبلغ ذروتها في العدد عند ارتفاع حوالي 800 كم (500 ميل)، ^[2] بينما أقصى الأجسام في مدار أرضي منخفض، قبل مدار الأرض المتوسط (MEO)، يبلغ ارتفاعها 2000 كيلومتر، أي حوالي ثلث نصف قطر الأرض وبالقرب من بداية حزام فان ألين الإشعاعي الداخلي .

يُستخدم مصطلح منطقة المدار الأرضي المنخفض للإشارة إلى مساحة الفضاء التي تقع أسفل ارتفاع 2000 كيلومتر (1200 ميل) (حوالي ثلث نصف قطر الأرض). ^[3] يتم تتبع الأجسام الموجودة في المدارات التي تمر عبر هذه المنطقة بعناية، حتى لو كانت لها أوج أبعد أو كانت في مدار فرعي ، لأنها تشكل خطر تصادم مع العديد من أقمار المدار الأرضي المنخفض.

لم يتم إجراء أي رحلات فضائية بشرية أخرى غير البعثات القمرية لبرنامج أبولو (1968-1972) ورحلة بولاريس داون 2024 خارج مدار الأرض المنخفض. تعمل جميع محطات الفضاء حتى الآن في مدار الأرض المركزي داخل مدار الأرض المنخفض ^[4] .

الخصائص المميزة

تُعرِّف مجموعة متنوعة من المصادر ^[5]^[6]^[7] المدار الأرضي المنخفض من حيث الارتفاع . يمكن أن يختلف ارتفاع الجسم في مدار بيضاوي بشكل كبير على طول المدار. حتى بالنسبة للمدارات الدائرية ، يمكن أن يختلف الارتفاع فوق الأرض بما يصل إلى 30 كم (19 ميلًا) (خاصة بالنسبة للمدارات القطبية ) بسبب تسطيح شكل الأرض الكروي والتضاريس المحلية . في حين أن التعريفات القائمة على الارتفاع غامضة بطبيعتها، فإن معظمها يقع ضمن النطاق المحدد بفترة مدارية تبلغ 128 دقيقة لأنه وفقًا لقانون كبلر الثالث ، يتوافق هذا مع شبه محور رئيسي يبلغ 8413 كم (5228 ميل). بالنسبة للمدارات الدائرية، يتوافق هذا بدوره مع ارتفاع يبلغ 2042 كم (1269 ميلًا) فوق متوسط نصف قطر الأرض، وهو ما يتوافق مع بعض حدود الارتفاع العليا في بعض تعريفات المدار الأرضي المنخفض.

تُعرَّف منطقة المدار الأرضي المنخفض من قبل بعض المصادر على أنها منطقة في الفضاء تشغلها مدارات المدار الأرضي المنخفض. ^[3]^[8]^[9] قد تمر بعض المدارات شديدة الإهليلجية عبر منطقة المدار الأرضي المنخفض بالقرب من أدنى ارتفاع لها (أو الحضيض ) ولكنها ليست في مدار مدار أرضي منخفض لأن أعلى ارتفاع لها (أو أوج ) يتجاوز 2000 كم (1243 ميل). يمكن للأجسام دون المدارية أيضًا الوصول إلى منطقة المدار الأرضي المنخفض ولكنها ليست في مدار أرضي منخفض لأنها تعيد دخول الغلاف الجوي . يعد التمييز بين مدارات المدار الأرضي المنخفض ومنطقة المدار الأرضي المنخفض مهمًا بشكل خاص لتحليل الاصطدامات المحتملة بين الأجسام التي قد لا تكون هي نفسها في مدار أرضي منخفض ولكنها قد تصطدم بالأقمار الصناعية أو الحطام في مدارات المدار الأرضي المنخفض.

الخصائص المدارية

متوسط السرعة المدارية اللازمة للحفاظ على مدار أرضي منخفض مستقر هو حوالي 7.8 كم / ثانية (4.8 ميل / ثانية)، وهو ما يترجم إلى 28000 كم / ساعة (17000 ميل في الساعة). ومع ذلك، يعتمد هذا على الارتفاع الدقيق للمدار. تم حساب السرعة المدارية لمدار دائري يبلغ 200 كم (120 ميل) لتكون 7.79 كم / ثانية (4.84 ميل / ثانية)، ولكن بالنسبة لمدار أعلى يبلغ 1500 كم (930 ميل) تنخفض السرعة إلى 7.12 كم / ثانية (4.42 ميل / ثانية). ^{[10] تبدأ}دلتا في لمركبة الإطلاق اللازمة لتحقيق مدار أرضي منخفض عند حوالي 9.4 كم / ثانية (5.8 ميل / ثانية).

إن قوة الجاذبية في المدار الأرضي المنخفض أقل بقليل من تلك الموجودة على سطح الأرض. وذلك لأن المسافة بين المدار الأرضي المنخفض وسطح الأرض أقل بكثير من نصف قطر الأرض. ومع ذلك، فإن الجسم في المدار يكون في حالة سقوط حر دائم حول الأرض، لأن قوة الجاذبية وقوة الطرد المركزي في المدار تتوازنان مع بعضهما البعض. ^[أ] ونتيجة لذلك، تستمر المركبات الفضائية في المدار في البقاء في المدار، ويعاني الأشخاص داخل هذه المركبات أو خارجها من انعدام الوزن باستمرار .

تدور الأجسام في مدار أرضي منخفض حول الأرض بين الجزء الأكثر كثافة من الغلاف الجوي وأسفل حزام فان ألين الإشعاعي الداخلي . وتواجه مقاومة جوية من الغازات في الغلاف الحراري (حوالي 80-600 كم فوق السطح) أو الغلاف الخارجي (حوالي 600 كم أو 400 ميل وأعلى)، اعتمادًا على ارتفاع المدار. تتحلل الأقمار الصناعية في المدارات التي تصل إلى ارتفاعات أقل من 300 كم (190 ميل) بسرعة بسبب مقاومة الغلاف الجوي.

المدارات الأرضية المنخفضة الاستوائية ( ELEO ) هي مجموعة فرعية من المدارات الأرضية المنخفضة. تسمح هذه المدارات، ذات الميل المداري المنخفض، بأوقات إعادة زيارة سريعة فوق مواقع خطوط العرض المنخفضة على الأرض. كما أن المدارات الأرضية المنخفضة الاستوائية المباشرة لها متطلبات إطلاق دلتا في أقل لأنها تستفيد من دوران الأرض. المدارات الأرضية المنخفضة المفيدة الأخرى بما في ذلك المدارات القطبية والمدارات المتزامنة مع الشمس لها ميل أعلى إلى خط الاستواء وتوفر تغطية لخطوط العرض الأعلى على الأرض. استخدمت بعض أقمار ستارلينك من الجيل الأول مدارات قطبية توفر تغطية في كل مكان على الأرض. تدور مجموعات ستارلينك اللاحقة بميل أقل وتوفر تغطية أكبر للمناطق المأهولة بالسكان.

تتضمن المدارات الأعلى مدارًا متوسطًا للأرض (MEO)، ويُطلق عليه أحيانًا المدار الدائري المتوسط (ICO)، ومدارًا ثابتًا جغرافيًا (GEO) أعلى منه . يمكن أن تؤدي المدارات الأعلى من المدار المنخفض إلى فشل مبكر للمكونات الإلكترونية بسبب الإشعاع الشديد وتراكم الشحنات.

في عام 2017، بدأ ظهور " المدارات الأرضية المنخفضة جدًا " ( VLEO ) في الملفات التنظيمية . تتطلب هذه المدارات، التي تقع على ارتفاع أقل من 450 كيلومترًا (280 ميلًا)، استخدام تقنيات جديدة لرفع المدار لأنها تعمل في مدارات تتحلل عادةً قبل الأوان بحيث لا تكون مفيدة اقتصاديًا. ^[11]^[12]

يستخدم

حوالي نصف مدار محطة الفضاء الدولية

يتطلب المدار الأرضي المنخفض أقل قدر من الطاقة لوضع القمر الصناعي. فهو يوفر نطاق ترددي عالي وزمن انتقال منخفض للاتصالات . كما أن الأقمار الصناعية ومحطات الفضاء في المدار الأرضي المنخفض تكون أكثر سهولة في الوصول إليها بالنسبة للطاقم والخدمة.

نظرًا لأن وضع قمر صناعي في مدار أرضي منخفض يتطلب طاقة أقل، ويحتاج القمر الصناعي هناك إلى مكبرات صوت أقل قوة للإرسال الناجح، يتم استخدام مدار أرضي منخفض في العديد من تطبيقات الاتصالات، مثل نظام الهاتف Iridium . تستخدم بعض أقمار الاتصالات مدارات ثابتة جغرافيًا أعلى بكثير وتتحرك بنفس السرعة الزاوية للأرض بحيث تبدو ثابتة فوق موقع واحد على الكوكب.

العيوب

على عكس الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض ، تتمتع الأقمار الصناعية في المدار المنخفض بمجال رؤية صغير ولا يمكنها سوى مراقبة جزء صغير من الأرض والتواصل معه في وقت معين. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى شبكة كبيرة (أو كوكبة ) من الأقمار الصناعية لتوفير تغطية مستمرة.

إن الأقمار الصناعية الموجودة على ارتفاعات منخفضة من المدار تكون في الغلاف الجوي وتعاني من تدهور مداري سريع، مما يتطلب إما إعادة التعزيز الدوري للحفاظ على مدارات مستقرة، أو إطلاق بدائل لتلك التي تعود إلى الغلاف الجوي. إن تأثيرات إضافة مثل هذه الكميات من المعادن المتبخرة إلى طبقة الستراتوسفير للأرض قد تكون مثيرة للقلق ولكنها غير معروفة حاليًا. ^[13]

أمثلة

تقع محطة الفضاء الدولية في مدار أرضي منخفض على ارتفاع يتراوح بين 400 و420 كيلومترًا (250 إلى 260 ميلًا) فوق سطح الأرض. ^[14] يتناقص مدار المحطة بنحو 2 كيلومتر/شهر (1.2 ميل/شهر) وبالتالي تحتاج إلى إعادة التعزيز عدة مرات في السنة.
يدور قمر الاتصالات التابع لشركة إيريديوم على ارتفاع حوالي 780 كيلومترًا (480 ميلًا).
تستخدم أقمار مراقبة الأرض ، والمعروفة أيضًا باسم أقمار الاستشعار عن بعد ، بما في ذلك أقمار التجسس وأقمار تصوير الأرض الأخرى ، مدارًا أرضيًا منخفضًا لأنها قادرة على رؤية سطح الأرض بشكل أكثر وضوحًا من خلال الاقتراب منها. يتم وضع غالبية الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض. ^[15] يمكن للأقمار الصناعية أيضًا الاستفادة من الإضاءة المتسقة للسطح أدناه عبر مدارات مدار أرضي منخفض متزامنة مع الشمس على ارتفاع حوالي 800 كم (500 ميل) وميل قطبي قريب. إنفيسات (2002-2012) هو أحد الأمثلة.
يدور تلسكوب هابل الفضائي على ارتفاع حوالي 540 كيلومترًا (340 ميلًا) فوق الأرض.
مجموعات الأقمار الصناعية للإنترنت مثل Starlink .
تم إطلاق محطة الفضاء الصينية تيانجونج في أبريل 2021 وتدور حاليًا على ارتفاع يتراوح بين 340 و 450 كيلومترًا (210 و 280 ميلًا) فوق سطح الأرض.
تدور مهمة قياس الجاذبية GRACE-FO على ارتفاع حوالي 500 كيلومتر (310 ميل) كما فعلت سابقتها، GRACE .

سابق

GOCE (2009-2013)، وهي مهمة قياس الجاذبية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ، تدور على ارتفاع حوالي 255 كم (158 ميل).

قمر صناعي اختباري منخفض الارتفاع للغاية (2017-2019)، الملقب بـ Tsubame ، يدور على ارتفاع 167.4 كم (104.0 ميل)، وهو أدنى ارتفاع على الإطلاق بين أقمار مراقبة الأرض. ^[16]

في الخيال

في فيلم 2001: ملحمة الفضاء ، كانت محطة عبور الأرض ("محطة الفضاء الخامسة") "تدور على ارتفاع 300 كيلومتر فوق الأرض". ^[17]

حطام الفضاء

أصبحت بيئة المدار الأرضي المنخفض مكتظة بالحطام الفضائي بسبب تكرار إطلاق الأجسام. ^[18] وقد تسبب هذا في قلق متزايد في السنوات الأخيرة، حيث يمكن أن تكون الاصطدامات بسرعات مدارية خطيرة أو مميتة. يمكن أن تنتج الاصطدامات حطامًا فضائيًا إضافيًا، مما يخلق تأثير الدومينو المعروف باسم متلازمة كيسلر . يتتبع برنامج الحطام المداري التابع لوكالة ناسا أكثر من 25000 جسم يزيد قطرها عن 10 سم في المدار الأرضي المنخفض، بينما يبلغ العدد المقدر بين 1 و10 سم 500000، ويتجاوز عدد الجسيمات الأكبر من 1 مم 100 مليون. ^[19] تنتقل الجسيمات بسرعات تصل إلى 7.8 كم / ثانية (28000 كم / ساعة؛ 17500 ميل في الساعة)، لذلك حتى التأثير الصغير يمكن أن يلحق أضرارًا بالغة بالمركبة الفضائية. ^[20]

انظر أيضا

ملحوظات

^ من المهم أن نلاحظ هنا أن "السقوط الحر" بحكم التعريف يتطلب أن تكون الجاذبية هي القوة الوحيدة المؤثرة على الجسم. وهذا التعريف لا يزال محققًا عند السقوط حول الأرض، حيث أن القوة الأخرى، قوة الطرد المركزي، هي قوة وهمية .

مراجع

^ "ملفات الكتالوج الحالية". مؤرشف من الأصل في 26 يونيو 2018. تم الاسترجاع في 13 يوليو 2018. LEO: متوسط الحركة > 11.25 & الانحراف < 0.25
^ Muciaccia, Andrea (2021). التشظيات في مدار أرضي منخفض: اكتشاف الحدث وتحديد هوية الجسم الأم (أطروحة). doi :10.13140/RG.2.2.27621.52966.
^ "المبادئ التوجيهية لتخفيف الحطام الفضائي الصادرة عن لجنة التنسيق المشتركة بين الوكالات بشأن الحطام الفضائي" (PDF) . لجنة تنسيق الحطام الفضائي المشتركة بين الوكالات: أصدرتها مجموعة التوجيه ومجموعة العمل رقم 4. سبتمبر 2007. مؤرشف (PDF) من الأصل في 17 يوليو 2018. تم الاسترجاع في 17 يوليو 2018. المنطقة أ، منطقة المدار الأرضي المنخفض (أو LEO) - منطقة كروية تمتد من سطح الأرض حتى ارتفاع (Z) يبلغ 2000 كم
^ بارافانو، أليساندرو؛ روسو، بريندان؛ لوكاتيلي، جورجيو؛ وينزيرل، ماثيو؛ تروكو، باولو (1 مارس 2025). "نحو اقتصاد المدار الأرضي المنخفض: تقييم قيمة محطات الفضاء التجارية للمستخدمين الفضائيين وغير الفضائيين". أكتا أسترونوتيكا . 228 : 453-473. doi :10.1016/j.actaastro.2024.11.060. ISSN 0094-5765.
^ "تعريف المدار الأرضي المنخفض". قاموس ميريام وبستر . مؤرشف من الأصل في 8 يوليو 2018. تم الاسترجاع في 8 يوليو 2018 .
^ "الأسئلة الشائعة". إدارة الطيران الفيدرالية. مؤرشف من الأصل في 2 يونيو 2020. تم الاسترجاع في 14 فبراير 2020. يشير مصطلح المدار الأرضي المنخفض إلى المدارات التي يقل ارتفاعها عادةً عن 2400 كم (1491 ميل).
^ كامبل، آشلي (10 يوليو 2015). "SCaN Glossary". ناسا. مؤرشف من الأصل في 3 أغسطس 2020. تم الاسترجاع في 12 يوليو 2018. مدار أرضي منخفض (LEO): مدار مركزي على ارتفاع أقل بكثير من نصف قطر الأرض. تقع الأقمار الصناعية في هذا المدار على ارتفاع يتراوح بين 80 و2000 كيلومتر فوق سطح الأرض.
^ "ما هو المدار؟". ناسا . ديفيد هيت: خدمات تكنولوجيا التعليم التابعة لوكالة ناسا، أليس ويسون: مختبر الدفع النفاث، جيه دي هارينجتون: المقر الرئيسي؛ لاري كوبر: المقر الرئيسي؛ فلينت وايلد: مركز أبحاث الفضاء الوطني؛ آن ماري تروتا: المقر الرئيسي؛ ديدرا ويليامز: مركز أبحاث الفضاء الوطني. 1 يونيو 2015. مؤرشف من الأصل في 27 مارس 2018. تم الاسترجاع في 8 يوليو 2018. مدار الأرض المنخفض هو أول 100 إلى 200 ميل (161 إلى 322 كم) من الفضاء.{{cite news}}:CS1 maint: آخرون ( الرابط )
^ ستيل، ديلان (3 مايو 2016). "دليل الباحث إلى: التأثيرات البيئية الفضائية". ناسا . ص. 7. مؤرشف من الأصل في 17 نوفمبر 2016. تم الاسترجاع في 12 يوليو 2018. بيئة المدار الأرضي المنخفض (LEO)، والتي تُعرف بأنها 200-1000 كم فوق سطح الأرض
^ "LEO parameters". www.spaceacademy.net.au . مؤرشف من الأصل في 11 فبراير 2016 . تم الاسترجاع 12 يونيو 2015 .
^ Crisp, NH; Roberts, PCE; Livadiotti, S.; Oiko, VTA; Edmondson, S.; Haigh, SJ; Huyton, C.; Sinpetru, L.; Smith, KL; Worrall, SD; Becedas, J. (أغسطس 2020). "فوائد المدار الأرضي المنخفض للغاية لمهام مراقبة الأرض". التقدم في علوم الفضاء الجوي . 117 : 100619. arXiv : 2007.07699 . Bibcode : 2020PrAeS.11700619C. doi : 10.1016/j.paerosci.2020.100619. S2CID 220525689.
^ ميسييه، دوج (3 مارس 2017). "سبيس إكس تريد إطلاق 12000 قمر صناعي". Parabolic Arc . مؤرشف من الأصل في 22 يناير 2020 . تم الاسترجاع 22 يناير 2018 .
^ "النفايات الفضائية تلوث طبقة الستراتوسفير بالأرض بالمعادن المتبخرة". مجلة ساينتفك أمريكان .
^ "ارتفاع الارتفاع يحسن من كفاءة استهلاك الوقود في المحطة". وكالة ناسا. مؤرشف من الأصل في 15 مايو 2015. تم الاسترجاع في 12 فبراير 2013 .
^ Holli, Riebeek (4 September 2009). "NASA Earth Observatory". earthobservatory.nasa.gov . مؤرشف من الأصل في 27 مايو 2018 . تم الاسترجاع في 28 نوفمبر 2015 .
^ "القمر الصناعي الياباني المنخفض الارتفاع تسوبامي يسجل في موسوعة غينيس للأرقام القياسية". جابان تايمز . 30 ديسمبر 2019. تم الاسترجاع في 25 يونيو 2024 .
^ "محطة الفضاء من 2001: ملحمة الفضاء".
^ مكتب الأمم المتحدة لشؤون الفضاء الخارجي (2010). "المبادئ التوجيهية لتخفيف الحطام الفضائي الصادرة عن لجنة الاستخدامات السلمية للفضاء الخارجي". لجنة تنسيق الحطام الفضائي بين الوكالات (IADC) . تم استرجاعه في 19 أكتوبر 2021 .
^ "ARES | Orbital Debris Program Office | Frequently Asked Questions". NASA.gov . مؤرشف من الأصل في 2 سبتمبر 2022. تم الاسترجاع في 2 سبتمبر 2022 .
^ جارسيا، مارك (13 أبريل 2015). "حطام الفضاء والمركبات الفضائية البشرية". NASA.gov . مؤرشف من الأصل في 8 سبتمبر 2022. تم الاسترجاع 2 سبتمبر 2022 .