Ar kosmosas labai aukštai? Ne, kosmosas yra labai greitai!

Kosmosas yra didžiulis. Kaip rašė nemirtingasis Douglasas Adamsas, jums gali atrodyti toli nueiti iki vaistinės gatvės gale, bet palyginus su kosmosu, tai visiškas menkniekis. Žinant šitai, gali atrodyti logiška išvada, kad viskas kosmose yra labai toli. Bet tai nėra tiesa. Iš tikro kosmoso riba tėra 100 kilometrų aukštyje. Vadinamąją Karmano liniją nuo Žemės paviršiaus skiria panašus atstumas, kaip Vilnių ir Kauną. Palyginus su 6370 km siekiančiu Žemės skersmeniu tai – visiškas menkniekis. Kodėl kosmosu laikome tokį, atrodytų, artimą regioną? Ir kodėl tada taip sunku ten nuskristi? Kviečiu susipažinti su artimiausiomis kosmoso apylinkėmis.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų „Contribee“ platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, prisidėkite prie jų ir jūs.

Oficialioji kosmoso riba pavadinta vengro inžinieriaus Teodoro von Kármáno garbei. Jis buvo vienas iš raketų mokslo ir kosminių skrydžių pradininkų, vieno žymiausių NASA tyrimų centrų, Reaktyvinių srovių laboratorijos (Jet Propulsion Lab) įkūrėjas. Vienas iš svarbiausių jo teorinių darbų – apskaičiavimas, kokiame aukštyje nebegali skristi lėktuvai. Būtent šis kriterijus ir yra Karmano ribos fizinis pagrindas. Lėktuvai skrenda todėl, kad greitai judant pro orą šis yra pastumiamas ir sukuria atstojamąją jėgą, kuri kelia lėktuvą aukštyn. Kuo aukščiau virš Žemės pakyla lėktuvas, tuo retesnė aplink jį atmosfera, todėl ir kelianti jėga silpsta. Jėga taip pat priklauso nuo greičio, taigi kompensuoti silpstančią jėgą galima pagreitėjant. Tačiau kuo didesnis greitis (ir aukštis), tuo toliau lėktuvas nuskristų ir be atmosferos, tiesiog dėl to, kad nukristi iki Žemės paviršiaus reikia laiko. Pasiekęs tam tikrą greitį, lėktuvas (ar kitas kūnas) ant Žemės nenukristų niekados – pereitų į orbitą. Konkrečiame aukštyje ir konkrečiu greičiu skrendančiam lėktuvui galima apskaičiuoti, kokią dalį jį ore palaikančios jėgos teikia aerodinaminės jėgos – pats oras, – o kokią – orbitinis judėjimas. Maždaug šimto kilometrų aukštyje dominuoti ima pastarasis. Kitaip tariant, objekto skrydis pakinta iš aerodinaminio į orbitinį. Žinoma, tiksli riba priklauso nuo kūno formos, masės, paviršiaus ploto ir kitų savybių, tačiau pati idėja išlieka. von Kármánas niekada nepublikavo šių skaičiavimų, bet septintojo dešimtmečio pradžioje juos naujam gyvenimui prikėlė teisininkas Andrew Gallagheris Haley`is. Jis buvo pirmasis kosmoso teisės specialistas ir parinko šią vertę, suapvalinęs ją iki tikslių 100 kilometrų, kaip kosmoso ribą.

Karmano linija šiuo metu reikšmingesnė ne dėl fizikinių priežasčių, o dėl teisinės reikšmės. Žemiau jos plyti atskirų valstybių oro erdvė, o aukščiau, kosmose, sienos pranyksta, ten galioja teisė, panaši į tarptautinių vandenų. Kirtę šią ribą asmenys, bent jau JAV piliečiai ir kiti NASA darbuotojai, oficialiai įgyja „astronauto“ titulą (tiesa, dabar ginčijamasi, ar jį suteikti kosmoso turistams, kurie yra tik keleiviai misijose).

Ties Karmano riba atmosferos slėgis kelis milijonus kartų žemesnis, nei jūros lygyje. Panašiai tiek kartų mažesnis ir tankis. Tiesa, net ir tokio mažo tankio užtenka, kad erdvėlaivis, pasiekęs orbitą šiame aukštyje, po truputį imtų leistis žemyn dėl oro pasipriešinimo. Taigi žemiausias „darbinis“ aukštis, kuriame jau rasime ilgalaikių palydovų, yra kiek aukštesnis – keli šimtai kilometrų. Iki 2000 kilometrų aukščio, vadinamojoje Žemojoje Žemės orbitoje (LEO), skraido ir gausybė palydovų, įskaitant Starlink bei panašius interneto ryšio spiečius, ir Tarptautinė kosminė stotis bei Kinijos Tianwen.

Net ir tokiame aukštyje atmosferos pasipriešinimas yra juntamas. Pavyzdžiui, Tarptautinė kosminė stotis, kurios orbita svyruoja tarp 370 ir 460 km aukščio, kas mėnesį turi trumpam įjungti variklius ir pakilti aukštyn. Jei to nedarytų, ji jau seniai būtų nukritusi ir sudegusi tankesnėje atmosferoje. Kiti panašiame aukštyje skrajojantys palydovai, tokie kaip „Starlink“ spiečius, tą irgi kartkartėmis turi daryti.

Viena iš priežasčių, kodėl net toks menkas oro tankis sukuria reikšmingą pasipriešinimą, kartu yra ir priežastis, kodėl pasiekti kosmosą apskritai yra sudėtinga. Juk 100 ar 400 kilometrų atrodo visiškai menkutis atstumas. Kodėl jį įveikti reikia tokių milžiniškų investicijų, ilgiausių mokslinių projektų ir daugybės žmonių darbo? Atsakymas – greitis. Randallo Munroe (žinomo iš XKCD komiksų) žodžiais, kosmosas nėra labai aukštai. Kosmosas yra labai greitai. Norėdamas skrieti ratu aplink Žemę kosmose, bet koks objektas turi pasiekti daugiau nei aštuonių kilometrų per sekundę greitį. Įprastesniais kasdienybėje vienetais tai yra apie 30 tūkstančių kilometrų per valandą. Iš Vilniaus į Klaipėdą tokiu greičiu nuvykti būtų galima per 40 sekundžių, į Romą – per kiek daugiau nei tris minutes. Aišku, jei bandytume tokį greitį išvystyti prie pat Žemės paviršiaus, dėl oro pasipriešinimo mūsų lėktuvas (ar kitoks skrydžio prietaisas) greičiausiai užsidegtų. Tarptautinė kosminė stotis aplink Žemę apskrieja per pusantros valandos, kiti palydovai Žemojoje Žemės orbitoje užtrunka panašiai, iki dviejų valandų.

Aukščiau, virš 2000 km, kur orbitos periodas viršija dvi valandas, prasideda vidurinioji Žemės orbita (MEO). Joje skriejančius palydovus veikia dar mažesnis atmosferos pasipriešinimas, kuris kylant aukštyn tampa praktiškai nereikšmingas. Iš kitos pusės, ten tyko kitoks pavojus – vadinamieji van Alleno žiedai. Tai du riestainio formos regionai, kuriuose Žemės magnetinis laukas pagauna elektringas Saulės vėjo daleles – daugiausiai elektronus ir protonus. Žiedai prasideda maždaug tūkstančio kilometrų aukštyje ir tęsiasi iki maždaug 60 tūkstančių; priklausomai nuo Saulės aktyvumo, šios ribos gali svyruoti. Energingos elektringos dalelės, pataikiusios į erdvėlaivį ar kokį kitą zondą, gali sugadinti jo elektroniką, pataikiusios į žmogaus organizmą – pažeisti DNR ir sukelti vėžines mutacijas. Taigi šiame regione zondai skraido tik tada, kai tam yra reikšminga priežastis. Todėl MEO palydovų orbitomis užpildyta gerokai mažiau, nei LEO. Iš esmės svarbiausia ten yra orbita maždaug 20 tūkstančių kilometrų aukštyje, kurioje esantys palydovai lekia maždaug dvigubai lėčiau, nei LEO – apie 14000 km/h. Žemę vieną kartą jie apskrieja per 12 valandų. Taigi kas du ratus jie atsiduria virš to paties Žemės paviršiaus taško. Toks nuspėjamas judėjimas labai patogus palydovams, kurių padėtis Žemės paviršiaus taškų atžvilgiu svarbi jų veikimui. Tai – pozicionavimo sistemų palydovai. Pirmoji ir geriausiai žinoma iš šių sistemų yra amerikietiška GPS, tačiau kitos šalys irgi turi analogų: Galileo, GLONASS, Baidu. Žemiau, arčiau LEO, skrajoja kai kurie Žemės stebėjimų palydovai.

MEO baigiasi 35786 km aukštyje, arba kone triskart toliau nuo Žemės paviršiaus, nei pačios planetos skersmuo. Ten pasiekiame dar vieną ypatingai svarbią orbitų šeimą: geostacionariais bei geosinchroniškas orbitas. Geostacionarioji orbita yra tokia, kurioje esantis palydovas visą laiką kybo virš vieno Žemės paviršiaus taško. Kitaip tariant, orbitos periodas lygus Žemės apsisukimo aplink savo ašį periodui – 23 valandoms, 56 minutėms ir keturioms sekundėms. Kodėl ne 24 valandoms? Nes dar beveik keturių minučių Žemei reikia, kad po paros atsisuktų tiesiai į Saulę, o parą apibrėžiame būtent pagal Saulės padėtį. Geostacionari orbita egzistuoja tik tiksliai virš pusiaujo; bet kuria kita kryptimi paleistas zondas bus tik geosinchroniškas – jo periodas sutaps su Žemės sukimosi periodu, bet kybojimo virš vieno taško efekto nebebus. Geostacionarioje orbitoje randame įvairius komunikacijų palydovus, geosinchroniškos orbitos dažnai pasirenkamos Žemės stebėjimų, ypač žvalgybos, palydovams, kuriems aktualu fotografuoti besikeičiantį Žemės vaizdą, kasdien nuotrauką darant tuo pačiu metu.

Keli šimtai kilometrų virš geostacionarios ir geosinchroninės orbitų yra vadinamoji „kapinių orbita“. Ten patraukiami palydovai, dirbę geosinchroninėje orbitoje, pasibaigus jų darbo laikui. Priešingai nei LEO skraidančius, šiuos palydovus nuleisti į Žemę sudegti atmosferoje sudėtinga, nes jie vis dar lekia daugiau nei 10 tūkstančių km/h greičiu; nusileidimui reikėtų labai didelio kuro kiekio. Tuo tarpu pakėlus juos šiek tiek aukščiau, kur jie netrukdo veikiantiems geosinchroniniams palydovams, juos galima ten ir palikti. Atmosferos pasipriešinimas tokiame aukštyje jau nykstamai mažas net ir greitai lakstantiems palydovams, taigi šios liekanos gali ten skrajoti šimtus metų.

Aukštoji Žemės orbita, arba HEO, prasideda ten, kur baigiasi MEO, taigi apima ir aukščiau aprašytas geosinchronines orbitas. Tęsiasi ji formaliai kone 400 tūkstančių kilometrų – iki pat Mėnulio orbitos. Tiesa, Žemės gravitacijos įtaka jaučiama dar gerokai toliau, bent jau iki pusantro milijono kilometrų atstumo. Ten randame Lagranžo taškus – specifines vietas, kuriose bendra Žemės ir Saulės gravitacija leidžia palydovams aplink Saulę suktis tokiu pačiu periodu, kaip Žemė. Nutolus dar toliau, Žemės gravitacija tampa vis mažiau reikšminga ir zondas virsta tikru tarpplanetiniu keliauninku. Toliau tęsiasi beribis kosmosas, bet prasideda jis daug arčiau, nei galėtume pagalvoti.