Por que os satélites em órbita da Terra são fundamentalmente instáveis?
Crédito da imagem: NASA, da ISS em órbita ao redor da Terra.
Sem um impulso, todos eles vão desabar.
Estou aqui por vários motivos, Sr. Pepin, em primeiro lugar por ajuda. Quando algo trágico acontece em nossos céus, fazemos o máximo para estender a simpatia. Mas simpatia sem ação, é uma emoção vazia. Principalmente eu estou aqui para fins de reentrada.
Não entendo.
Ajuste, disse Harold, à terra. Estou aqui para garantir que você não deixe sua vida inteira no céu. – Adam Ross
Pode parecer que fazer um satélite orbitar a Terra é a coisa mais simples e natural do mundo. Afinal, a Lua vem fazendo isso sem falhas há mais de quatro bilhões de anos, e não há truques ou trapaças em seu movimento. No entanto, se deixássemos os satélites em órbita da Terra que colocamos no espaço sozinhos por apenas alguns anos ou décadas, eles voltariam a entrar na atmosfera, queimando ou colidindo com o solo e o oceano, como tantos satélites e naves espaciais fizeram notoriamente (ou infamemente) antes.
Crédito da imagem: NASA, da reentrada atmosférica do satélite ATV-1.
Além disso, se olharmos para os satélites naturais de todos os outros planetas, eles estão consideravelmente mais distantes do que os satélites feitos pelo homem que orbitam a Terra. A Estação Espacial Internacional (ISS), por exemplo, orbita a Terra a cada 90 minutos, enquanto nossa Lua leva quase um mês para nos dar uma volta. Mesmo as luas que têm a reputação de estarem próximas de seu planeta – como Io em torno de Júpiter, onde as forças das marés aquecem e destroem o mundo em catástrofes vulcânicas – são estáveis em suas órbitas.
Espera-se que Io permaneça em órbita em torno de Júpiter durante o tempo de vida restante do nosso Sistema Solar, enquanto que sem outras medidas tomadas, a ISS sairia de órbita por conta própria em menos de 20 anos! O mesmo destino é verdadeiro para praticamente todos os satélites atualmente em órbita baixa da Terra: quando o próximo século chegar, praticamente todos os nossos satélites atuais terão reentrado na atmosfera da Terra, queimando completamente ou, para os maiores ( a ISS tem 431 toneladas!), dividindo-se em grandes pedaços que atingirão o solo e o oceano.
Por que este é o caso? Por que esses satélites simplesmente não seguiriam as leis de Einstein, Newton e Kepler e continuariam fazendo uma órbita estável por toda a eternidade? Como se vê, há uma combinação de fatores que causam esse decaimento orbital.
Crédito da imagem: E. Doornbos, TU Delft, de como a densidade atmosférica muda com a altitude. Observe que a densidade NÃO cai para zero, mesmo após a definição de onde o espaço começa.
1.) Arrasto atmosférico . Este é de longe o maior efeito, e esta é a razão pela qual baixo -As órbitas da Terra são tão instáveis. Outros satélites – como satélites geossíncronos – também decairão, mas não em escalas de tempo tão curtas. Normalmente definimos o espaço como algo a mais de 100 quilômetros (62 milhas) acima: a Linha Kármán. Mas qualquer definição como essa, de onde começa o espaço e termina a atmosfera de um planeta, é realmente artificial. Na realidade, as partículas atmosféricas continuam a se estender arbitrariamente para grandes altitudes, apenas com a densidade se tornando cada vez menor à medida que você se afasta. Eventualmente, a densidade cai tão baixo – abaixo de um micrograma por centímetro cúbico, ou um nanograma, ou um picograma – que você diz que estamos efetivamente no espaço. Mas os átomos persistem na atmosfera por milhares de quilômetros (ou milhas), e quando um satélite colide com esses átomos, eles perdem impulso e desaceleram. É por isso que os satélites de órbita baixa da Terra são tão instáveis.
Crédito da imagem: NASA / GSFC, de como o vento solar interage com a atmosfera superior de Marte, mas é desviado pela Terra por um campo magnético global.
2.) Partículas de vento solar . O Sol emite constantemente um fluxo de partículas de alta energia, principalmente prótons, mas também elétrons e núcleos de hélio, que colidem com qualquer coisa que encontre. Essas colisões também alteram o momento dos satélites com os quais colidem e, em média, os desaceleram. Em escalas de tempo suficientemente longas, elas também causam o decaimento das órbitas. Embora esta não seja a principal causa de decaimento para satélites de órbita baixa da Terra, ela desempenha um papel crucial em satélites mais distantes, trazendo-os para dentro até que o arrasto atmosférico assuma o controle.
Mapas de anomalia gravitacional da Terra. Crédito da imagem: NASA / Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE).
3.) O campo gravitacional imperfeito da Terra . Se a Terra não tivesse uma atmosfera, como Mercúrio ou a Lua, nossos satélites poderiam ficar em órbita para sempre? Não, nem mesmo se você tirar o vento solar. Isso porque a Terra – como todos os planetas – não é uma massa pontual, mas tem uma estrutura com um campo gravitacional irregular. Esse campo, e as mudanças nele enquanto um satélite orbita o planeta, resulta em forças de maré sobre ele. Objetos estendidos sentem uma força gravitacional mais forte quando estão mais próximos do objeto de atração e uma mais fraca quando estão mais distantes, e essas diferenças são o que causa as marés na Terra. Eles também fazem com que coisas como Io se destruam em torno de Júpiter, e satélites percam impulso e eventualmente saiam de órbita. Embora as escalas de tempo sejam muito mais longas do que o arrasto atmosférico, quanto mais próximo um satélite estiver da Terra, maiores serão essas forças.
Crédito da imagem: NASA.
4.) A influência gravitacional do resto do Sistema Solar . Não é como se a Terra fosse apenas um sistema totalmente isolado, onde a única força gravitacional em um satélite vem da própria Terra. Não; a Lua, o Sol e todos os outros planetas, cometas, asteróides e outros contribuem com uma força gravitacional perturbadora que faz com que as órbitas não apenas mudem, mas decaiam (em média) ao longo do tempo. Mesmo se a Terra fosse um ponto perfeito – digamos que encolheu para um buraco negro não giratório – sem atmosfera, e os satélites estivessem 100% protegidos do vento solar, esses satélites ainda acabariam decaindo, espiralando em direção à Terra central. . Eles sobreviveriam em órbita por mais tempo do que o Sol sobreviveria, mas ainda não é um sistema perfeitamente estável; os satélites ainda teriam suas órbitas em colapso.
Crédito da imagem: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.
5.) Efeitos relativísticos . As leis de Newton – e as tradicionais órbitas próximas, Keplerianas – simplesmente não são suficientes no final. A mesma força que faz com que a órbita de Mercúrio preceda por um extra de 43″ por século também faz com que as órbitas decaiam muito lentamente, emitindo ondas gravitacionais quando o fazem. As taxas de decaimento são incrivelmente lentas para campos gravitacionais fracos (como o que encontramos no Sistema Solar) e para grandes distâncias: levará ~ 10¹⁵⁰ anos para a Terra espiralar em direção ao Sol, e a taxa de decaimento de satélites em órbita baixa é centenas de milhares de vezes menos do que isso. No entanto, essa força decadente está presente e é uma consequência inevitável da Relatividade Geral que é distante mais eficaz em satélites próximos a um planeta do que em satélites mais distantes.
Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona, of Phobos da Mars Reconnaissance Orbiter, em cores aprimoradas.
Esses recursos de decaimento não afetam apenas nossos satélites feitos pelo homem, mas também alguns dos satélites naturais que encontramos em órbita em outros mundos! A lua mais interna de Marte, Fobos, por exemplo, está fadada a se separar devido às forças das marés e entrar em espiral na atmosfera do planeta vermelho. Apesar de ter apenas 1/140 da atmosfera da Terra, a atmosfera marciana ainda é grande e difusa e, além disso, Marte não possui escudo do vento solar (ao contrário da Terra, que possui um campo magnético), resultando em uma escala de tempo de destruição para Fobos de dezenas de milhões de anos. Isso pode parecer muito tempo, mas na vida útil do Sistema Solar, isso é apenas ~ 1% de quanto tempo vivemos!
Crédito das imagens: NASA/Cornell University, da espaçonave Galileo, de Metis, a lua mais interna de Júpiter.
A lua mais próxima de Júpiter também não é Io: é Metis, que os aficionados por mitologia reconhecerão como a primeira esposa de Zeus. Existem quatro pequenas luas no interior de Io, sendo Metis a mais próxima, a apenas ~0,8 raios de Júpiter da própria atmosfera do planeta. No caso de Júpiter, nem as forças atmosféricas nem as forças do vento solar são as principais responsáveis pelo decaimento; com um semi-eixo maior orbital de apenas 128.000 km, Metis experimenta tremendas forças de maré que serão as principais responsáveis pela inspiração desta lua em Júpiter.
Como um exemplo espetacular de como às vezes as forças de maré realmente dominam, podemos apontar para o Cometa Shoemaker-Levy 9 e sua colisão com Júpiter em 1994, depois de ser completamente dilacerado por suas forças de maré! Este é um fator importante para qualquer grande satélite orbitando perto de um objeto massivo e é o destino final de todas as luas que espiralam em seu mundo pai.
Crédito da imagem: H. A. Weaver, T. E. Smith (Space Telescope Science Institute) e NASA, do cometa Shoemaker-Levy 9 se fragmentando em sua aproximação em direção à colisão com Júpiter.
Cada um desses fatores se combina para tornar qualquer satélite fundamentalmente instável. Dado o tempo suficiente e a falta de outros efeitos estabilizadores, absolutamente tudo irá decair. É só que na órbita baixa da Terra, o arrasto atmosférico é um efeito tão grande que os decaimentos acontecem em escalas de tempo inferiores a uma vida humana! Afinal, todas as órbitas são instáveis, mas algumas são mais instáveis que outras.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !
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