Zaproponowane przez niego nachylenie maksymalizuje prędkość obrotu płaszczyzny orbity satelity wokół Ziemi. W tej sytuacji można wyznaczyć spłaszczenie Ziemi z najmniejszym błędem.

"Optymalne nachylenie dla przyszłego satelity geodezyjnego wynosi 35-45 stopni lub 135-145 stopni przy wysokości około 1500-1700 km, aby najlepiej wyznaczył on spłaszczenie Ziemi oraz jej +gruszkowatość+, czyli asymetryczność względem płaszczyzny równika. W celu lepszego określenia współrzędnych środka masy Ziemi i wyznaczenia iloczynu stałej grawitacji oraz masy Ziemi, preferowana wysokość wynosi 2300–3500 km" – obliczył prof. dr hab. Krzysztof Sośnica z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki na UPWr.

Jak wyjaśnił serwisowi Nauka w Polsce naukowiec, pomimo tego, że wokół Ziemi orbitują obecnie setki tysięcy sztucznych satelitów – okazuje się, że żaden z nich nie posiada optymalnej orbity do wyznaczenia stałej grawitacji, współrzędnych środka Ziemi, czy też spłaszczenia i kształtu Ziemi, a więc najważniejszych parametrów opisujących jej kształt.

Skąd wiadomo, że proponowane nachylenie będzie optymalne? "Najlepsze nachylenie orbity względem równika wynika z efektów, jakie dane nachylenie wywołuje na położenie płaszczyzny orbity satelity. Te efekty są to tzw. perturbacje orbit. Sprawiają one, że orbita nie zachowuje swojego stałego położenia, lecz zaczyna obracać się wokół Ziemi" – tłumaczy.

W artykule w "Journal of Geodesy" naukowiec przedstawił projekt orbity przyszłego satelity, który pozwoli najlepiej wyznaczyć zarówno pole grawitacyjne, kształt Ziemi, jak i współrzędne jej środka (geocentrum), a także iloczyn stałej grawitacji oraz masy Ziemi. Opisał tam teoretyczne zależności pomiędzy perturbacjami orbit a polem grawitacyjnym Ziemi, który powoduje anomalia w ruchu satelitów.

Aby wysokość orbity była optymalna, satelita musi przede wszystkim być widoczny satelity ze stacji naziemnych, tak, aby można go było śledzić dalmierzami laserowym. Drugim czynnikiem, jaki naukowiec wziął pod uwagę, była liczba obiegów satelitów wokół Ziemi (ruch średni). Po trzecie, uwzględnił możliwość wyznaczenia współczynnika opisującego kształt Ziemi na zadanej wysokości.

Dodał, że nie ma satelitów geodezyjnych na wysokościach pomiędzy 1500 km (na tej wysokości umieszczone są satelity Ajisai i LARES-1) a 5800 km (gdzie znajdują się satelity LAGEOS-1/2 i LARES-2). Dlaczego nie ma ich akurat tam, gdzie – jak wynika z obliczeń – powinny zostać umieszczone na potrzeby badań geodezyjnych? Jak wyjaśnia prof. Sośnica, dotychczasowe misje satelitarne były projektowane pod kątem obserwacji Ziemi, telekomunikacji, badania poziomu mórz i oceanów, efektów relatywistycznych, nawigacji, a niekoniecznie badania kształtu Ziemi i jej pola grawitacyjnego.

W jego ocenie brakuje misji satelitarnej, która z najmniejszym możliwym błędem pozwoli wyznaczyć stałą grawitacji, położenie środka masy Ziemi i wartość jej spłaszczenia - dotąd misje satelitarne nie były optymalizowane pod tym kątem.

Większość satelitów umieszczana jest na orbitach niskich (poniżej 1500 km), geostacjonarnych lub w wysokiej strefie orbit średnich (np. GPS i Galileo). Pomiędzy wysokością 1500 a 5800 km nie orbituje żaden satelita geodezyjny czy teledetekcyjny. Ponadto satelity umieszczane są zazwyczaj pod kątami nachylenia orbit od 50 do 110 stopni, co pokrywa zaledwie 33 proc. możliwych kątów nachylenia orbit względem równika.

"Wynoszenie satelitów na orbity niskie do 600 km jest bardzo tanie. Dlatego też większość satelitów znajduje się na niskich orbitach, a nawet można powiedzieć, że niskie orbity są już zdecydowanie zaśmiecone nieaktywnymi satelitami i częściami rakiet nośnych. Wraz z wysokością koszt wyniesienia rośnie bardzo szybko. Dlatego rzadko wynosi się satelity na orbity średnie i wyższe" – tłumaczy profesor.

Dodaje, że w przypadku kątów nachylenia orbity do 90 stopni względem równika, ruch wirowy Ziemi pomaga w nadaniu odpowiedniej prędkości. Sztucznych satelitów praktycznie nie umieszcza się pod kątami nachylenia od 100 do 180 stopni ze względu na duże koszty paliwa niezbędnego do umieszczenia satelity w danym miejscu.

Naukowiec prowadzi badania w ramach projektu "Ewolucja ziemskiego pola grawitacyjnego (EAGLE) / EArths Gravity fieLd Evolution" finansowanego przez NCN.

Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ zan/