مدار أرضي منخفض

المدار الأرضي المنخفض ( LEO ) هو مدار حول الأرض بفترة 128 دقيقة أو أقل (يُكمل ما لا يقل عن 11.25 دورة في اليوم) وانحراف مركزي أقل من 0.25. ^{[ 1 ]} تقع معظم الأجسام الاصطناعية في الفضاء الخارجي في المدار الأرضي المنخفض، ويبلغ عددها ذروتها على ارتفاع حوالي 800 كيلومتر (500 ميل) ، ^{[ 2 ]} بينما تقع أبعد الأجسام في المدار الأرضي المنخفض، قبل المدار الأرضي المتوسط ​​(MEO)، على ارتفاع 2000 كيلومتر، أي حوالي ثلث نصف قطر الأرض وبالقرب من بداية حزام فان ألين الإشعاعي الداخلي .  

يُستخدم مصطلح منطقة المدار الأرضي المنخفض (LEO) للإشارة إلى المنطقة الفضائية التي تقع على ارتفاع أقل من 2000 كيلومتر (1200 ميل) (حوالي ثلث نصف قطر الأرض). ^{[ 3 ]} تُراقَب الأجسام التي تدور في مدارات تمر عبر هذه المنطقة بدقة، حتى لو كان لها أوج أبعد أو كانت تدور في مدارات دون مدارية ، لأنها تُشكّل خطر اصطدام على العديد من أقمار المدار الأرضي المنخفض.  

الرحلات الفضائية البشرية الوحيدة التي تجاوزت مدار الأرض المنخفض كانت مهمات برنامج أبولو القمرية من عام 1968 إلى عام 1972، ومهمات أرتميس 2 القمرية في عام 2026. ^{[ 4 ]} جميع المحطات الفضائية اعتبارًا من عام 2026وقد عملت في مدارات مركزية الأرض ضمن مدار أرضي منخفض.

تُعرّف مصادر عديدة ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} المدار الأرضي المنخفض (LEO) بدلالة الارتفاع . ويمكن أن يختلف ارتفاع الجسم في مدار إهليلجي اختلافًا كبيرًا على امتداد المدار. حتى في المدارات الدائرية ، قد يختلف الارتفاع فوق سطح الأرض بما يصل إلى 30 كيلومترًا (19 ميلًا) (خاصةً في المدارات القطبية ) نظرًا لتفلطح شكل الأرض وتضاريسها المحلية . وبينما تتسم التعريفات القائمة على الارتفاع بالغموض بطبيعتها، فإن معظمها يقع ضمن النطاق المحدد بفترة مدارية تبلغ 128 دقيقة، لأنه وفقًا لقانون كبلر الثالث ، يتوافق هذا مع نصف محور رئيسي يبلغ 8413 كيلومترًا (5228 ميلًا) . وبالنسبة للمدارات الدائرية، يتوافق هذا بدوره مع ارتفاع يبلغ 2042 كيلومترًا (1269 ميلًا) فوق متوسط ​​نصف قطر الأرض، وهو ما يتوافق مع بعض حدود الارتفاع العليا في بعض تعريفات المدار الأرضي المنخفض.      

تُعرّف بعض المصادر منطقة المدار الأرضي المنخفض (LEO) بأنها منطقة في الفضاء تشغلها مدارات LEO. ^{[ 3 ] [ 8 ] [ 9 ]} قد تمر بعض المدارات الإهليلجية للغاية عبر منطقة LEO بالقرب من أدنى ارتفاع لها (أو نقطة الحضيض )، لكنها لا تُعتبر في مدار LEO لأن أعلى ارتفاع لها (أو نقطة الأوج) يتجاوز 2000 كيلومتر (1243 ميلًا) . كما يمكن للأجسام شبه المدارية أن تصل إلى منطقة LEO، لكنها لا تُعتبر في مدار LEO لأنها تعود إلى الغلاف الجوي . يُعد التمييز بين مدارات LEO ومنطقة LEO بالغ الأهمية لتحليل التصادمات المحتملة بين الأجسام التي قد لا تكون هي نفسها في مدار LEO، ولكنها قد تصطدم بالأقمار الصناعية أو الحطام في مدارات LEO.  

يبلغ متوسط ​​السرعة المدارية اللازمة للحفاظ على مدار أرضي منخفض مستقر حوالي 7.8 كم/ث (4.8 ميل/ث) ، أي ما يعادل 28,000 كم/س (17,000 ميل/س) . ومع ذلك، يعتمد هذا على الارتفاع الدقيق للمدار. ففي مدار دائري على ارتفاع 200 كم (120 ميل)، تبلغ السرعة المدارية 7.79 كم/ث (4.84 ميل/ث) ، بينما تنخفض إلى 7.12 كم/ث (4.42 ميل/س) في مدار أعلى على ارتفاع 1,500 كم (930 ميل) . ^{[ 10 ]} أما التغير في السرعة (دلتا-في) اللازم لمركبة الإطلاق للوصول إلى مدار أرضي منخفض فيبدأ من حوالي 9.4 كم/ث (5.8 ميل/س) .              

قوة الجاذبية في المدار الأرضي المنخفض أقل بقليل من قوتها على سطح الأرض. ويعود ذلك إلى أن المسافة بين المدار الأرضي المنخفض وسطح الأرض أقل بكثير من نصف قطر الأرض. ومع ذلك، فإن أي جسم في مداره يكون في حالة سقوط حر دائم حول الأرض، لأن قوة الجاذبية وقوة الطرد المركزي تتوازنان في المدار. ^{[ أ ]} ونتيجة لذلك، تبقى المركبات الفضائية في مدارها، ويشعر الأشخاص داخلها أو خارجها بانعدام الوزن بشكل مستمر .

تدور الأجسام في مدار أرضي منخفض حول الأرض بين الجزء الأكثر كثافة من الغلاف الجوي وتحت حزام فان ألين الإشعاعي الداخلي . وتواجه هذه الأجسام مقاومة جوية ناتجة عن الغازات الموجودة في الغلاف الحراري (على ارتفاع يتراوح بين 80 و600  كيلومتر تقريبًا فوق سطح الأرض) أو الغلاف الخارجي (على ارتفاع 600 كيلومتر أو 400 ميل فأكثر تقريبًا)، وذلك تبعًا لارتفاع المدار. وتتعرض الأقمار الصناعية في مدارات على ارتفاعات تقل عن 300 كيلومتر (190 ميلًا) لانخفاض سريع في مدارها بسبب المقاومة الجوية.    

تُعدّ المدارات الأرضية المنخفضة الاستوائية ( ELEO ) نوعًا فرعيًا من المدارات الأرضية المنخفضة (LEO). تسمح هذه المدارات، ذات الميل المداري المنخفض، بتكرار الزيارات بسرعة إلى المناطق ذات خطوط العرض المنخفضة على الأرض. كما تتميز المدارات الأرضية المنخفضة الاستوائية ذات الحركة الأمامية بمتطلبات إطلاق أقل من حيث دلتا-في، نظرًا لاستفادتها من دوران الأرض. أما المدارات الأرضية المنخفضة المفيدة الأخرى، بما في ذلك المدارات القطبية والمدارات المتزامنة مع الشمس ، فتتميز بميل مداري أعلى بالنسبة لخط الاستواء، مما يوفر تغطية لخطوط العرض العليا على الأرض. وقد استخدمت بعض أقمار الجيل الأول من ستارلينك مدارات قطبية توفر تغطية شاملة على سطح الأرض. بينما تدور مجموعات ستارلينك اللاحقة بميل مداري أقل، مما يوفر تغطية أوسع للمناطق المأهولة بالسكان.

تشمل المدارات الأعلى مدار الأرض المتوسط ​​(MEO)، والذي يُسمى أحيانًا المدار الدائري المتوسط ​​(ICO)، وأعلى منه مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض (GEO). ويمكن أن تؤدي المدارات الأعلى من المدار المنخفض إلى تلف مبكر للمكونات الإلكترونية نتيجة الإشعاع المكثف وتراكم الشحنات.

في عام 2017، بدأت تظهر مصطلحات " المدارات الأرضية المنخفضة جدًا " ( VLEO ) في الملفات التنظيمية . تتطلب هذه المدارات، التي تقل عن 450 كيلومترًا (280 ميلًا) ، استخدام تقنيات جديدة لرفع المدار لأنها تعمل في مدارات تتلاشى عادةً بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا تكون مجدية اقتصاديًا. ^{[ 11 ] [ 12 ]}  

يتطلب المدار الأرضي المنخفض أقل قدر من الطاقة لوضع الأقمار الصناعية، ويوفر نطاقًا تردديًا عاليًا وزمن استجابة منخفضًا للاتصالات . كما أن الأقمار الصناعية والمحطات الفضائية في المدار الأرضي المنخفض أسهل وصولًا للطاقم ولخدمات الصيانة.

نظرًا لأن وضع قمر صناعي في مدار أرضي منخفض يتطلب طاقة أقل ، ولأن القمر الصناعي هناك يحتاج إلى مضخمات أقل قوة للإرسال الناجح، يُستخدم المدار الأرضي المنخفض في العديد من تطبيقات الاتصالات، مثل نظام هاتف إيريديوم . وتستخدم بعض أقمار الاتصالات مدارات أرضية ثابتة أعلى بكثير ، وتتحرك بنفس السرعة الزاوية للأرض بحيث تبدو ثابتة فوق موقع معين على سطح الكوكب.

يشهد المدار الأرضي المنخفض ازدحامًا متزايدًا بالحطام الفضائي نتيجةً لتكرار عمليات إطلاق الأجسام الفضائية. ^{[ 18 ]} وقد أثار هذا الأمر قلقًا متزايدًا في السنوات الأخيرة، نظرًا لأن الاصطدامات عند السرعات المدارية قد تكون خطيرة أو مميتة. ويمكن أن تُنتج هذه الاصطدامات المزيد من الحطام الفضائي، مما يُحدث تأثيرًا متسلسلًا يُعرف بمتلازمة كيسلر . يتتبع برنامج ناسا لرصد الحطام المداري أكثر من 25,000 جسم يزيد قطرها عن 10 سم في المدار الأرضي المنخفض، بينما يُقدّر عدد الأجسام التي يتراوح قطرها بين 1 و10 سم بنحو 500,000 جسم، ويتجاوز عدد الجسيمات التي يزيد قطرها عن 1 مم 100 مليون جسيم. ^{[ 19 ]} تتحرك هذه الجسيمات بسرعات تصل إلى 7.8 كم/ث (28,000 كم/س؛ 17,500 ميل/س) ، لذا حتى الاصطدام الطفيف قد يُلحق أضرارًا جسيمة بالمركبة الفضائية. ^{[ 20 ]}   

يتفاوت عمر الحطام الفضائي بشكل كبير تبعًا لمعامل المقذوفات الخاص به ، والأهم من ذلك، ارتفاع مداره الابتدائي. ففي مدارات منخفضة، مثل 400 كيلومتر، قد تتحلل المركبات الفضائية الصغيرة في غضون 5 سنوات. أما في مدارات أعلى من 500 كيلومتر، فقد تستغرق بعض المركبات الفضائية أكثر من 25 عامًا للخروج من مدارها. ^{[ 21 ]} يُعد القمر الصناعي "فانغارد 1" وصاروخه من المرحلة الثالثة أقدم قطعة من الحطام الفضائي الموجودة في المدار الأرضي المنخفض. أُطلق القمر الصناعي عام 1958، ويبلغ ارتفاعه الحالي 651 كيلومترًا عند الحضيض و4226 كيلومترًا عند الأوج ^{[ 22 ]} ، مما يضع جزءًا من مداره ضمن المنطقة العليا من المدار الأرضي المنخفض ويمتد إلى المدار الأرضي المتوسط . ومن المتوقع حاليًا أن يبقى في مداره لمدة 240 عامًا. ^{[ 23 ]}

 تتضمن هذه المقالة مواداً متاحة للعموم من مواقع إلكترونية أو وثائق تابعة لوكالة ناسا .