Каждые 405 тыс. лет орбита Земли удлиняется, что приводит к массовым вымираниям.
Ученые из Ратгерского университета пришли к выводу, что каждые 405 тыс. лет орбита Земли удлиняется, из-за влияния гравитации Юпитера и Венеры, что приводит к изменению климата на планете и массовым вымираниям, сообщает .
Цикл в 405 тыс. лет предсказали на основе расчетов движения планет и он охватывает приблизительно 215 млн лет. Также со степенью отклонения от окружности орбиты Земли связаны изменения в расположении магнитных полюсов планеты.
Подробные данные об изменениях в направлении магнитного поля ученые получили, после анализа отложений в рифтовом бассейне Ньюарк (штат Нью-Джерси, США) и осадочных пород в геологической формации Chinle Formation.
В полученных образцах были минералы циркона с вкраплениями магнетита, по которому можно судить о состоянии магнитного поля планеты.
Полученные результаты соответствовали теоретическим расчетам, что позволяет использовать цикл для более точного датирования происходящих на Земле событий, в том числе триасово-юрского вымирания, когда исчезло большое количество видов животных, освободив экологические ниши динозаврам.
Орбита Земли - траектория движения Земли вокруг Солнца на среднем расстоянии около 150 миллионов километров (152 098 238 км в афелии, 147 098 290 км в перигелии). Орбита имеет эллиптическую форму. Один оборот, так называемый сидерический год, продолжается 365,2564 суток. Орбита имеет длину более 940 миллионов км. Барицентр Земли совершает движение с запада на восток со средней скоростью 29,783 км/c или 107 218 км/ч.
Наклон оси вращения Земли - угол между плоскостями экватора небесного тела и его орбиты - равен 23,439281
Колебания орбиты Земли могут привести к новому ледниковому периоду – ученые
Орбита Земли периодически меняется из-за собственных колебаний планеты, а также сил гравитации. Это приводило к масштабным изменениям климата в прошлом и может повториться в будущем.
Ученые убеждены, что орбитальные вариации Земли, такие как колебания и наклонения планеты на ее оси вращения, а также ее ритмическое удлинение формы орбиты, влияют на форму морского дна на Земле.
Согласно докладу, озвученному специалистами по геологии из Гарвардского университета, ученые и раньше знали, что орбитальные колебания, провоцируемые гравитационным взаимодействием между Солнцем и планетами Солнечной системы, могут зачастую достигать таких масштабов, что это приводит к возникновению так называемых ледниковых периодов. На Земле это было минимум дважды.
Во время циклов ледникового периода значительная часть воды превращается в лед и потом перераспределяется между океанами. В конечном итоге лед обратно разогревается и превращается в воду, что может приводить к изменениям уровня мирового океана до 200 метров. Эти же циклы изменяют давление на океанское дно и провоцируют воздействие на магму Земли.
Теперь группа ученых из Гарварда также установила, что в реальности изменения морского дна происходят не только во время ледникового периода и после него, но и между ними. Согласно расчетам специалистов, колебания планеты напрямую влияют на количество океанической коры, которое может изменяться в толщине до 1 км. Также специалисты выявили, что изменение коры влечет за собой смещение океанических хребтов и близлежащих территорий.
Так, специалисты выявили, что пролив Хуан-де-Фука отделяющий юг острова Ванкувер от северо-западной части штата Вашингтон в северной части Тихого океана, был создан как раз за счет движения дна в межледниковый период. Его длина составляет 153 км. Он находился в процессе формирования последний 1 млн лет и именно орбитальные колебания поспособствовали его появлению в нынешнем виде.
Известны три циклических процесса , приводящих к медленным, так называемым вековым колебаниям значений солнечной постоянной. С этими колебаниями солнечной постоянной обычно связывают соответствующие вековые изменения климата, что нашло отражение ещё в работах М.В. Ломоносова, А.И. Воейкова и др. В дальнейшем при разработке этого вопроса возникла астрономическая гипотеза М. Миланковича , объясняющая изменения климата Земли в геологическом прошлом. Вековые колебания солнечной постоянной связаны с медленными изменениями формы и положения земной орбиты, а также ориентировки земной оси в мировом пространстве, обусловленными взаимными притяжением Земли и других планет. Поскольку массы других планет Солнечной системы значительно меньше массы Солнца, их влияние сказывается в виде малых возмущений элементов орбиты Земли. В результате сложного взаимодействия сил тяготения путь Земли вокруг Солнца представляет собой не неизменный эллипс, а достаточно сложную замкнутую кривую. Облучение Земли, следующей по этой кривой, непрерывно изменяется.
Первый циклический процесс − это изменение формы орбиты от эллиптической к почти круговой с периодом около 100 000 лет; он называется колебанием эксцентриситета. Эксцентриситет характеризует вытянутость эллипса (малый эксцентриситет – круглая орбита, большой эксцентриситет – орбита − вытянутый эллипс). Оценки показывают, что характерное время изменения эксцентриситета равно 10 5 лет (100 000 лет).
Рис. 3.1 − Изменение эксцентриситета орбиты Земли (без учета масштаба) (из Дж. Силвер, 2009)
Изменения эксцентриситета – непериодические. Они колеблются около значения 0,028 в пределах от 0,0163 до 0,0658. В настоящее время эксцентриситет орбиты равен 0,0167 продолжает уменьшаться, причем минимальное значение его будет достигнуто через 25 тыс. лет. Предполагаются и более длительные периоды уменьшения эксцентриситета − до 400 тыс. лет. Изменение эксцентриситета земной орбиты приводит к изменению расстояния между Землей и Солнцем, а следовательно, и количества энергии, поступающей в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам на верхней границе атмосферы. Получено, что при изменении эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 разность между потоками солнечной энергии от эксцентриситета для случаев, когда Земля проходит перигелий и афелий орбиты, меняется от 7 до 20−26 % солнечной постоянной. В настоящее время орбита Земли мало эллиптична и разность потока солнечной энергии около 7 %. Во время наибольшей эллиптичности эта разность может достигать 20−26 %. Из этого следует, что при малых эксцентриситетах количество солнечной энергии, поступающей на Землю, находящуюся в перигелии (147 млн км) или афелии (152 млн км) орбиты, различаются незначительно. При наибольшем эксцентриситете в перигелий приходит энергии больше, чем в афелий, на величину, составляющую четверть солнечной постоянной. В колебаниях эксцентриситета выделены следующие характерные периоды: около 0,1; 0,425 и 1,2 млн лет.
Второй циклический процесс − это изменение наклона земной оси к плоскости эклиптики, имеющее период около 41 000 лет. За это время наклон меняется от 22,5° (21,1) до 24,5° (рис. 3.2). В настоящее время он составляет 23°26"30"". Увеличение угла приводит к увеличению высоты Солнца летом и уменьшению зимой. При этом инсоляция увеличится в высоких широтах, на экваторе – несколько уменьшится. Чем меньше этот наклон, тем меньше различия между зимой и летом. Более теплые зимы бывают более снежными, а более холодные лета не дают всему снегу растаять. Снег накапливается на Земле, способствуя росту ледников. При росте наклона сезоны выражены более резко, зимы холоднее и снега меньше, а лето теплее и больше снега и льда тает. Это способствует отступлению ледников в полярные районы. Таким образом, увеличение угла усиливает сезонные, но уменьшает широтные различия в количестве солнечной радиации на Земле.
Рис. 3.2 – Изменение наклонения оси вращения Земли с течением времени (из Дж. Силвер, 2009)
Третий циклический процесс − это колебание оси вращения земного шара, называемое прецессией. Прецессия земной оси – это медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу. Изменение ориентировки земной оси в мировом пространстве, обусловлено несовпадением центра Земли, вследствие ее сплюснутости, с осью притяжения Земля−Луна−Солнце. В итоге ось Земли описывает некоторую коническую поверхность (рис. 3.3). Период этого колебания около 26 000 лет.
Рис. 3.3 – Прецессия орбиты Земли
В настоящее время Земля ближе к Солнцу в январе, чем в июне. Но вследствие прецессии через 13 000 лет она будет ближе к Солнцу в июне, чем в январе. Это приведет к росту сезонных колебаний температуры Северного полушария. Прецессия земной оси приводит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнцестояния относительно перигелия орбиты. Период, с которым повторяется взаимное положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния, равен 21 тыс. лет. Еще сравнительно недавно, в 1250 г., перигелий орбиты совпадал с точкой зимнего солнцестояния. Теперь Земля проходит перигелий 4 января, а зимнее солнцестояние осуществляется 22 декабря. Разница между ними составляет 13 суток, или 12º65". Следующее совпадение перигелия с точкой зимнего солнцестояния произойдет через 20 тыс. лет, а предыдущее было 22 тыс. лет назад. Однако между указанными событиями с перигелием совпадала точка летнего солнцестояния.
При малых эксцентриситетах положение точек летнего и зимнего солнцестояния относительно перигелия орбиты не приводит к существенному изменению количества тепла, поступающего на землю в течение зимнего и летнего сезонов. Картина резко меняется, если эксцентриситет орбиты оказывается большим, например 0,06. Таким эксцентриситет был 230 тыс. лет назад и будет через 620 тыс. лет. При больших эксцентриситетах Земля часть орбиты, прилегающую к перигелию, где количество солнечной энергии наибольшее, проходит быстро, а оставшуюся часть вытянутой орбиты через точку весеннего равноденствия к афелию − медленно, долго находясь на большом удалении от Солнца. Если в это время перигелий и точка зимнего солнцестояния совпадают, в Северном полушарии будет наблюдаться короткая теплая зима и долгое прохладное лето, в Южном полушарии − короткое теплое лето и долгая холодная зима. Если же с перигелием орбиты будет совпадать точка летнего солнцестояния, то в Северном полушарии будет наблюдаться жаркое лето и длительная холодная зима, в Южном – наоборот. Длительное прохладное и влажное лето является благоприятным фактором для роста ледников в полушарии, где сосредоточена основная часть суши.
Таким образом, все перечисленные разновеликие колебания солнечной радиации накладываются друг на друга и дают сложный вековой ход изменения солнечной постоянной, а следовательно, существенное влияние на условия формирования климата посредством изменения прихода количества солнечной радиации. Наиболее резко колебания солнечного тепла выражаются тогда, когда все эти три циклических процесса совпадают по фазе. Тогда возможны великие оледенения илиполное таяние ледников на Земле.
Подробное теоретическое описание механизмов влияния астрономических циклов на земной климат было предложено в первой половине XX в. выдающимся сербским астрономом и геофизиком Милутином Миланковичем, который разрабатывал теорию периодичности ледниковых периодов. Миланкович выдвинул гипотезу, что циклические изменения эксцентриситета орбиты Земли (ее эллиптичность), колебания угла наклона оси вращения планеты и прецессия этой оси могут вызывать существенные изменения климата на Земле. Например, около 23 млн лет назад совпали периоды минимального значения эксцентриситета земной орбиты и минимального изменения наклонения оси вращения Земли (именно этот наклон ответствен за смену времен года). В течение 200 тыс. лет сезонные изменения климата на Земле были минимальными, так как орбита Земли была практически круговой, а наклон земной оси почти не менялся. Как итог, разница в летних и зимних температурах на полюсах составляла всего несколько градусов, льды за лето не успевали таять, и произошло заметное увеличение их площади.
Теория Миланковича неоднократно подвергалась критике, так как вариации радиации по указанным причинам относительно невелики , и высказывались сомнения, могут ли столь малые изменения радиации высоких широт вызывать существенные колебания климата и приводить к оледенениям. Во второй половине XX в. было получено значительное количество новых фактических данных о глобальных колебаниях климата в плейстоцене. Значительную долю среди них составляют колонки океанических отложений, которые имеют важное преимущество перед наземными отложениями, заключающееся в значительно большей целостности последовательности отложений, нежели на суше, где отложения часто смещались в пространстве и многократно переотлагались. Затем был проведен спектральный анализ таких океанских последовательностей, относящихся к последним примерно 500 тыс. лет. Для анализа были отобраны две колонки из центральной части Индийского океана между субтропической конвергенцией и антарктическим океанским полярным фронтом (43–46° ю. ш.). Этот район одинаково далеко расположен от материков и потому мало подвержен влиянию колебаний эрозионных процессов на них. В то же время район характеризуется достаточно большой скоростью осадконакопления (более 3 см/1000 лет), так что можно различить климатические колебания с периодом значительно меньше 20 тыс. лет. В качестве индикаторов колебаний климата были выбраны относительное содержание тяжелого изотопа кислорода δО 18 в планктонных фораминиферах, видовой состав радиоляриевых сообществ, а также относительное содержание (в процентах) одного из видов радиолярий Цикладофора давизиана. Первый индикатор отражает изменения в изотопном составе океанской воды, связанные с возникновением и таянием ледниковых щитов Северного полушария. Второй индикатор показывает колебания в прошлом температуры воды на поверхности (T s). Третий индикатор нечувствителен к температуре, но чувствителен к солености. Спектры колебаний каждого из трех индикаторов показывают наличие трех пиков (рис. 3.4). Наибольший по величине пик приходится примерно на период 100 тыс. лет, второй по величине - на 42 тыс. лет, третий - на 23 тыс. лет. Первый из этих периодов весьма близок к периоду изменения эксцентриситета орбиты, причем фазы изменений совпадают. Второй период колебаний климатических индикаторов совпадает с периодом изменений угла наклона земной оси. В этом случае сохраняется постоянное соотношение фаз. Наконец, третий период соответствует квазипериодическим изменениям прецессии.
Рис. 3.4. Спектры колебаний некоторых астрономических параметров:
1 - наклон оси, 2 - прецессия (а ); инсоляция на 55° ю. ш. зимой (б ) и на 60° с. ш. летом (в ), а также спектры изменений трех выбранных климатических индикаторов в последние 468 тыс. лет (Hays J.D., Imbrie J., Shackleton N.J., 1976)
Всеэто заставляет считать изменения параметров земной орбиты и наклона земной оси важными факторами изменения климата и свидетельствует о торжестве астрономической теории Миланковича. В конечном счете глобальные колебания климата в плейстоцене можно объяснить именно этими изменениями (Монин А.С., Шишков Ю.А., 1979).
Существует много кинофильмов о катастрофах. Мы знаем, что нас ждёт, если астероиды полетят на планету, если приливные волны обрушатся на Нью-Йорк или если круизный лайнер вдруг перевернётся и/или подвергнется нападению морского чудовища.
К сожалению, сосредоточив наше внимание на этих маловероятных бедствиях, режиссеры фильмов пренебрегли совершенно невероятными катастрофами.
Что произойдёт, если Луна исчезнет?
Что произойдёт, если Луна просто перестанет существовать? Первый природный феномен, который прекратит действовать – это приливы и отливы. Океанские приливы и отливы происходят из-за действия силы притяжения между Землёй и Луной, их движения друг относительно друга. Внезапное исчезновение Луны полностью перевернёт эту систему. Какое-то движение будет происходить. Волны по-прежнему будут катиться на западные побережья материков благодаря вращению Земли.
Или, по крайней мере, это будет поначалу, так как происходящее на Земле станет непредсказуемым. Лишившись Луны, Земля начнёт двигаться неустойчиво, как детская игрушка юла, которая, теряя скорость вращения, раскачивается, но ещё не падает. Это будет ужасная качка! Земля будет двигаться то, вращаясь перпендикулярно плоскости своей орбиты (другими словами, одно из полушарий, южное или северное всё время будет находиться на солнечной стороне, тогда как другое полушарие будет пребывать в постоянной темноте), то, вращаясь практически параллельно плоскости орбиты (что приведёт к исчезновению смены времён года, так как все дни будут длиться одинаково долго).
Несущая смерть прецессия (колебание оси вращения Земли; прим. mixednews) будет продолжаться достаточно долго, чтобы убить последних оставшихся в живых людей. Пока она будет длиться, скучать нам не дадут обычные природные бедствия. Луна оказывает гравитационное воздействие как на сушу, так и на море, а, по мнению некоторых, она является причиной движения материков.
В результате произойдёт всплеск активности вулканов и землетрясений. В то же время все растения и животные, чьи периоды размножения и миграции зависят от лунного цикла, полностью придут в замешательство. Шок у популяций рыб, птиц и насекомых вызовет деформации в локальных экологических системах и приведёт к голоду и распаду общества.
К тому же, ночи будут темнее — и ещё труднее будет видно.
Что произойдёт, если Земля перестанет вращаться?
Насколько важно вращение Земли вокруг своей оси? На протяжении веков никому дела не было, вращается ли она вообще.
Что именно произойдет, зависит от того, как быстро Земля перестанет вращаться. Если она прекратит вращение мгновенно, всё, что не будет закреплено на ней, улетит на восток. (Всё, что будет закреплено, вероятно, расколется на две части). Выживание будет зависеть от того, насколько близко вы будете к полюсу (так если на экваторе вас унесёт на восток со скоростью почти 1610 км/ч, то чем ближе к полюсам, тем меньше будет скорость).
Если вращение Земли будет замедляться на протяжении нескольких недель, больше людей переживёт начинающуюся потерю силы движения. Для них было бы лучше точно рассчитать, в каком положении произойдёт остановка Земли и мчаться со всех ног к границе между светом и темнотой. Прекращение вращения Земли означало бы конец смены дня и ночи. Полмира была бы постоянно обращена к солнцу, а вторая половина погрузилась бы в вечный мрак.
Одно небольшое, но очень интересное последствие остановки вращения Земли: всё на планете немного потяжелеет. Вращение земли подвергает нас воздействию центробежной силы – постоянному выталкиванию наружу, подобному тому, какое мы ощущаем сидя в автомобиле, когда тот резко поворачивает. Эта направленная наружу сила уменьшает наш «вес» примерно на сто сорок два грамма с каждых сорока пяти килограммов веса. Если нас не унесёт по воздуху, нам будет труднее, чем когда-либо, передвигаться и перемещать предметы на Земле.
Действие центробежной силы больше всего ощущается на экваторе. И это ощущает не только человек, но и вода. Так как центробежная сила противодействует силе тяжести, вода на экваторе скапливается выше. В средней части Земли существует выпуклость воды, которая при остановке вращения Земли ликвидируется спадом уровня воды, которая потечёт по направлению к полюсам. Если она не замёрзнет и поток будет стремительным, вода затопит огромные территории мира к северу и югу, при этом обнажив землю в районе экватора.
Поэтому, если хотите выжить, направляйтесь к средней части планеты.
Что произойдёт, если орбита Земли значительно изменится?
Это зависит от того, как резко изменится орбита. Зона, пригодная для существования жизни в нашей солнечной системе, располагается в пределах между ста сорока двух миллионов километров и двухсот четырёх целых четырёх десятых миллионов километров от Солнца. Так как сейчас мы находимся на расстоянии почти 150 миллионов километров от светила, то становится ясным, что мы бы предпочли отдалиться, а не приблизиться, если бы выбор был за нами.
Трудно представить, чтобы можно было отклониться от курса на восемь миллионов километров, но из всех маловероятных катаклизмов, этот наиболее возможен. Кажется, что прошлые массовые вымирания были связаны с переменами в климате, вызванными изменениями в земной орбите. Более низкие температуры и разное количества выпадающих осадков приводят к изменению растительности и условий обитания, что вызывает гибель млекопитающих, от крупных видов до грызунов. Конца света не предвидится. Люди находчивы и что-нибудь придумают.
И это изменение несёт одновременно некоторые надежду и страх. Движение Земли не столь стабильно, как можно предположить. За всё время своего существования Земля поочередно движется вокруг солнца то по эллипсу, то по окружности. Наклон земной оси колеблется между 22,1 и 24.5 градусов (гораздо слабее, чем если бы она потеряла Луну).
Около 23 миллионов лет назад, Земля совершала ход вокруг Солнца строго по окружности, и её ось имела незначительный наклон. Учёные говорят, что в результате такого вращения времена года были благоприятными, разность между максимальными и минимальными температурами была незначительной, а изменение формы ледяного покрова над Антарктидой, возможно, воспрепятствовало распространению глобального потепления.
Такие обнадеживающие новости в настоящее время серьезно воспринимаются астрономами. Некоторые предлагают использовать гравитационное притяжение астероидов, чтобы вывести Землю на лучшую орбиту. Это могло бы разрешить все наши проблемы изменения климата! Есть только одно «но»: мы можем потерять Луну.
Колебания формы орбиты и оси Земли и оледенения в олигоцене и миоцене
Тогда что они собой представляли? Ответ на этот вопрос неожиданно был получен после изучения палеогеновых и неогеновых отложений Антарктиды и Китая.
По результатам исследований Габриэля Боуэна, Роберта Деконто из Массачусетского университета и Девида Полларда (David Pollard) из Пенсильванского университета формирование ледяного щита в Антарктике после эоцен-олигоценовой катастрофы (34 млн. лет назад) происходило в два этапа.
О
бъем льда резко увеличивался в первые 40-50 тысяч лет олигоценовой эпохи , затем была эпоха потепления длительностью около 100 тысяч лет, за которой последовал второй 40-50 тысячелетний этап нарастания ледяного щита.
С такой же 100-тысячелетней периодичностью с начала олигоцена появлялись и исчезали озера в Тибете, что засвидетельствовали Гиллом Дюпонт-Нивет (Guillaume Dupont Nivet) и его коллеги из Нидерландов и Китая По их мнению, причиной этого события было периодическое изменение наклона земной оси по отношению к плоскости эклиптики (орбиты) и формы орбиты Земли от круговой до эллиптической – аналогичное четвертичным.
По данным Жетанга Гуо и его коллег из Китайской Академии наук, после олигоцен-миоценовой катастрофы , около 24 (23) млн. лет назад, возникли Великие Азиатские пустыни к северу от Тибетского плато. Это подтверждается накоплением 231 слоя древней коричневатой, нанесенной ветром, пыли, называемой лёссом. Лёсс откладывался в период с 24-22 до 6,2 млн. лет назад между слоями красной глины. Примечательно, что каждый такой слой формировался на протяжении около 65 тысяч лет.
Основная причина раскачивания Земли - глобальные катастрофы
Таким образом, мы имеем три однотипных случая. Глобальные катастрофы на рубеже эоцена и олигоцена , олигоцена и миоцена и плейстоцена и голоцена , которые сопровождались смещением земной оси на 15-30 град., землетрясениями и вулканическими извержениями по всей земле, потопами , оледенениями и резкой сменой видового разнообразия фауны и флоры.
На рубеже эоцена и олигоцена вымерли древние киты (Archeoceti), диноцераты, большинство титанотериев (бронтотериев) и креодонтов. На рубеже палеогенового и неогенового периодов вымерли гигантские индрикотерии и титанотерии. На рубеже плейстоцена и голоцена вымерли мамонта и шерстистые носороги.
После этих катастроф наряду с резким глобальным изменением климата (и , и ) начиналось периодическое чуть менее отчетливое изменение климата и отложение специфических отложений, связанных с повторяющимся изменением наклона земной оси к плоскости эклиптики и формы орбиты Земли (?) То есть,
Земля приобретала колебательные движения, которые проявлялись в раскачивании ее оси
(раскачивании планеты вокруг условной прямой линии к плоскости ее орбиты) и
колебании планеты на орбите
.
Причиной таких колебательных движений Земли были глобальные катастрофы , которые были связаны со столкновениями с планетой астероидов, пролетами возле нее каких-то других планет или небесных тел, либо ядерными войнами богов и демонов , обладавших сверхмощным оружием (и здесь).
Как бы в подтверждение этому в «Махабхарате» говорится о том, что гигантский змей Шешу обвил Землю своими кольцами, чтобы спасти ее от чрезмерного раскачивания.
Читайте
мои работы о катастрофах палеогенового, неогенового и четвертичного периодов, изменении положения земной оси и климата на Земле в разделах "Великие катастрофы ", "Мир в палеогене. Расцвет Гипербореи ", "Мир в олигоцене и неогене. Сокращение площади Гипербореи ", "Мир в плейстоцене. Великие оледенения и исход с Гипербореи "
Раздел "Великие катастрофы "
Приглашаю всех желающих для дальнейшего обсуждения данного материала на страницах
© А.В. Колтыпин, 20
11
Я, автор этой работы А.В. Колтыпин, разрешаю использовать ее для любых незапрещенных действующим законодательством целей при условии указания моего авторства и гиперссылки на сайт
или
История космонавтики, как и любой другой отрасли, хранит примеры остроумных решений, когда желаемая цель достигалась красивым и неожиданным способом. СССР/России не повезло с доступностью геостационарной орбиты. Но вместо того, чтобы достать до нее более тяжелыми ракетами или пытаться снизить массу полезной нагрузки, разработчиков осенила идея использования специальной орбиты. Об этой орбите и спутниках, которые ее используют до сих пор, наш сегодняшний рассказ.
Физика
Говоря о геостационарных и высокоэллиптических орбитах необходимо вспомнить такое понятие как наклонение орбиты . В данном случае, наклонение орбиты - это угол между плоскостью экватора Земли и плоскостью орбиты спутника:
Если мы стартуем с космодрома и начинаем разгоняться строго на восток, то получившаяся орбита будет иметь наклонение, равное широте космодрома. Если мы начинаем разгоняться, отклонившись к северу, то получившееся наклонение будет больше. Если мы, подумав, что это должно уменьшить наклонение, начнем разгоняться на юго-восток, получившаяся орбита будет иметь также большее наклонение, чем наша широта. Почему? Посмотрите на картинку: при разгоне строго на восток самой северной точкой проекции орбиты (синяя линия) будет наш космодром. А если мы будем разгоняться на юго-восток, то самая северная точка проекции получившейся орбиты будет севернее нашего космодрома, и наклонение орбиты окажется больше широты космодрома:
Вывод: при запуске космического аппарата начальное наклонение его орбиты не может быть меньше широты космодрома.
Для того, чтобы выйти на геостационарную орбиту (наклонение 0°) нужно обнулить наклонение, но на это требуется дополнительное топливо (физика этого процесса - ). Космодром Байконур имеет широту 45°, а, учитывая, что отработанные ракетные ступени не должны падать в Китай, ракеты запускаются на северо-восток на трассы с наклонением 65° и 51,6°. В результате, четырехступенчатая ракета-носитель 8К78, которая запускала к Луне полторы тонны, а к Марсу - почти тонну, на геостационарную орбиту смогла бы вывести всего ~100 кг. Уместить в такую массу полноценный геостационарный спутник связи в начале 60-х годов не могла ни одна страна. Надо было придумывать что-то другое. На помощь пришла орбитальная механика. Чем больше высота спутника, тем медленнее относительно Земли он движется. На высоте 36 000 км над экватором спутник будет постоянно висеть над одной точкой Земли (на этой идее и работает геостационарная орбита). А если мы выведем спутник на орбиту, которая представляет собой вытянутый эллипс, то его скорость будет очень сильно меняться. В перицентре (самая близкая к Земле точка орбиты) он будет лететь очень быстро, а вот в районе апоцентра (самая удаленная от Земли точка орбиты) будет на несколько часов практически зависать на месте. Если отметить точками путь спутника с интервалом один час, получится следующая картина:
Кроме почти неподвижности, на большой высоте спутник будет видеть обширный участок нашей планеты и сможет обеспечивать связь между удаленными пунктами. Большое наклонение орбиты будет означать, что даже в Арктике с приемом сигнала не будет проблем. А если выбрать наклонение близкое к 63,4°, то гравитационные помехи от Земли будут минимальными, и на орбите можно будет находиться практически без коррекции. Так родилась орбита "Молния" с параметрами:
- Перицентр: 500 км
- Апоцентр: 40 000 км
- Наклонение: 62,8°
- Период обращения: 12 часов
Воплощение в железе
На высокоэллиптическую орбиту ракета 8К78 могла вывести целых 1600 кг. Для разработчиков это было счастье - можно было сделать мощный спутник с большими возможностями и параллельно "утереть нос" американцам, спутники связи которых не превышали по массе 300 кг. Получившийся аппарат впечатлял своими характеристиками:
В состав оборудования спутника входило три ретранслятора мощностью 40 Вт и два резервных мощностью 20 Вт, а электричество для них вырабатывали солнечные батареи суммарной мощностью в полтора киловатта. Для приема и передачи данных использовались две управляемые параболические антенны диаметром 1,4 метра. Аппаратом управляло транзисторное программно-временное устройство, предок современных компьютеров, а ориентацию поддерживал уникальный трехстепенной силовой гироско п. Система управления реализовывала сложные алгоритмы полетных режимов с трехосной ориентацией. На рабочем участке аппарат поддерживал постоянную ориентацию солнечными батареями на Солнце, сопровождая Землю управляемыми основными антеннами. Завершив рабочий участок, аппарат поворачивался по данным инфракрасной вертикали до тех пор, пока не занимал положение, параллельное вектору орбитальной скорости в перицентре. В районе перицентра, по хранящимся в памяти командам, он мог совершать коррекцию орбиты.
Вид сверху, хорошо виден конус двигательной установки и шар-баллоны сжатого азота для системы ориентации
Вид снизу, видны солнечные батареи, блок датчиков на торце и антенны
Предполагалось, что срок активного существования аппарата превысит один год, цифра, по тем временам, фантастическая. Аппарат получил название "Молния", и, забегая вперед, скажем, что он оказался настолько эпохальным, что и орбиту и ракету-носитель 8К78 назвали в его честь.
Эксплуатация
Ракета-носитель "Молния-М", потомок РН "Молния"
В то время начало эксплуатации не могло быть легким. 4 июня 1964 года первая "Молния" не долетела до орбиты из-за аварии ракеты-носителя. 22 августа 1964 года второй аппарат был успешно выведен на близкую к расчетной орбиту. Но вот беда - обе основные антенны, которые должны были дублировать друг друга, не раскрылись. Расследование установило, что во время испытаний на одной из антенн было обнаружено повреждение изоляции кабеля, и штанги антенн, по решению конструктора, обмотали дополнительно хлорвиниловой лентой. В космосе в тени солнечных батарей лента замерзла, и пружины, которые и так с трудом раскрывали антенны, не смогли пересилить смерзшийся пластик. Вторая "Молния" была потеряна. На будущее проблему было легко исправить, пружины на антенных штангах заменили на электродвигатели, которые гарантированно полностью раскрывали антенны. Наконец, 23 апреля 1965 года третья "Молния" была успешно запущена и оказалась полностью работоспособной. Был нервный момент, когда главное реле не захотело включаться с первого раза, но, после нескольких томительных минут непрерывной отправки с Земли команд на включение ретранслятора, он все-таки включился. Между Москвой и Владивостоком установилась связь через первый советский спутник-ретранслятор:
Первые телевизионные кадры, переданные при помощи "Молнии"
Большая мощность сигнала означала, что для его приема не нужны большие антенны, по стране стали строить сравнительно небольшие павильоны "Орбита":
Сетью станций спутникового вещания была быстро покрыта северная и восточная часть СССР:
А спутниковое телевидение из технического чуда быстро стало обыденностью, председатель крайкома на Дальнем Востоке сразу заявил, что в случае проблем с трансляцией передач будет жаловаться лично Брежневу. К 1984 году количество станций "Орбита" превысило сотню, сделав советское спутниковое ТВ доступным даже в небольших городах. Станции ретранслировали московский сигнал на местный телецентр, который, уже, в свою очередь, обслуживал значительный район.
Первые спутники "Молния" не смогли перешагнуть рубеж срока существования в один год. Из-за того, что спутник каждые сутки четыре раза пролетал через радиационные пояса, солнечные батареи стали быстро деградировать. Первая "Молния" смогла прожить с апреля по ноябрь. В конструкцию спутника добавили резервные солнечные панели, которые раскрывались при необходимости после деградации основных. Уже "Молния" №7 смогла активно существовать с октября 1966 по январь 1968. Для советских спутников это был очень большой срок.
"Молнии" разрабатывали в ОКБ С.П. Королева, а уже в 1965 году производство стали передавать в Красноярск "филиалу №2" под руководством Михаила Решетнева. С этого началась славная история предприятия, известного сейчас как АО ИСС им. академика Решетнева. Аппараты "Молния" активно развивались. Параболическая антенна была заменена на четырехспиральную:
Интересные кадры испытаний и рассказ о четырехспиральной антенне:
Дополнительные солнечные панели
Аппараты перешли на сантиметровый диапазон волн, научились вещать не на всю страну, а на отдельные временные зоны, постоянно возрастало количество каналов связи и их пропускная способность. Со временем "Молнии" перестали использоваться для гражданского телевещания и стали, в основном, спутниками военной связи. Последний аппарат семейства "Молния", "Молния-3К" был запущен в 2001 году.
Сегодня и завтра
Гражданское ТВ-вещание в СССР/России со временем перешло на геостационарную орбиту. Появилась более грузоподъемная ракета-носитель "Протон", которая начала выводить спутники на геостационар с 1975 года. Павильон "Орбиты" требовал двенадцатиметровую подвижную антенну и проигрывал спутниковым "тарелкам", которые сейчас встречаются повсеместно. Спутники "Молния" закончили свою жизнь. Но орбита "Молния" не умерла. Она востребована для наших высоких широт, и сейчас по ней летают спутники связи "Меридиан", с 2012 года идет разработка метеорологической системы "Арктика" . Уникальные свойства орбиты используются и за океаном - американский военный спутник NROL-35, предположительно относящийся к спутникам системы предупреждения о ракетном нападении и запущенный в декабре 2014 года, был выведен именно на орбиту "Молния". Кто знает, может быть, молния в руках у девушки на эмблеме миссии - намек на название орбиты?
Вариант орбиты "Молния", орбита "Тундра" с апоцентром 46-52 тысячи километров и периодом обращения в одни сутки, используется тремя спутниками радиосвязи Sirius XM и японской навигационной системой QZSS.
В будущем орбита "Молния" не будет забыта. Геостационарная орбита перегружена, как вариант, спутники могут начать уходить на высокоэллиптические орбиты. И даже за пределами Земли изобретению советских баллистиков может найтись применение: в проекте пилотируемой миссии на Марс HERRO для управления в реальном времени роботами на поверхности предлагается использовать аналог орбиты "Молния".
