Почему первый «Спутник» упал на Землю всего через три месяца?

4 октября 1957 года Советский Союз запустил «Спутник-1», который поднялся выше земной атмосферы и вышел на орбиту нашей планеты, совершая полный оборот вокруг нее за 90 минут. В условиях чистого неба мира тех времен, это был единственный в своем роде объект: искусственный, техногенный спутник. Неофициально это означало начало космической гонки, военной и политической деятельности, которая на десятки лет увлекла международную политику.

Но «Спутника» на орбите Земли уже нет. По сути, он пробыл там так недолго, что к моменту запуска Explorer 1, первого американского спутника в космосе, вокруг Земли уже довольно долго летал «Спутник-2» с первым животным в космосе. Но оригинальный Спутник, завершив 1400 орбит, упал на Землю.

То, что случилось со «Спутником», было вполне ожидаемым. Фактически, это происходит с большинством спутников, если вы запускаете их на околоземную орбиту и предоставляете самим себе. С каждой пройденной орбитой спутник сперва достигает апогея, максимального расстояния от поверхности Земли, а затем перигея, ближайшего приближения к Земля. Для низкой околоземной орбиты это по сути означает, что спутники находятся в нескольких сотнях километров над поверхностью Земли. Учитывая, что линия, отделяющая атмосферу Земли и внешний космос, проходит на высоте всего 100 километров, на первый взгляд может показаться, что спутники должны навечно оставаться в космосе.

Но в реальности ситуация намного сложнее. У атмосферы нет внезапного конца или границы. Газообразное состояние не имеет тенденции обретать форму по некоторым причинам кроме следующих: по мере того, как вы поднимаетесь выше, плотность частиц будет продолжать падать, но разные частицы, которые нагреваются столкновениями, будут двигаться с разной скоростью: некоторые быстрее, некоторые медленнее, но с четко определенной средней скоростью.

Чем выше вы поднимаетесь, тем вероятнее вы найдете частицы, которые обладают большей энергией, потому что для подъема на большую высоту нужно больше энергии. Плотность таких частиц на большой высоте будет, конечно, низкой, но никогда не упадет до нуля.

Мы нашли атомы и молекулы, которые остаются гравитационно привязанными к Земле на высотах до 10 000 километров. Единственная причина, по которой мы не стали идти дальше, за пределы этих 10 000 километров, в том, что на такой высоте атмосфера Земли становится неотличимой от солнечного ветра: обе состоят из горячих атомов и ионизированных частиц.

Подавляющая часть нашей атмосферы (по массе) содержится в самых низких слоях, на тропосферу приходится 75%, на стратосферу еще 20%, на мезосферу — почти  5%. Но следующий слой, термосфера, невероятно рассеян.

В то время как атмосферная частица на уровне моря должна переместиться на микроскопическое расстояние, чтобы столкнуться с другой молекулой, термосфера настолько диффузна, что обычный атом или молекула может преодолеть километр и ни с чем не столкнуться.

Термосфера может показаться пустым пространством, ведь вы даже атома не встретите. Но поднявшись на эту высоту из атмосферы Земли, вы задерживаетесь в этой обратной бездне низкой плотности, находясь на пике вашей параболической орбиты, а затем медленно возвращаетесь на родную планету под действием силы тяжести.

Но если вы космический аппарат, вы испытаете нечто совершенно другое. Причины следующие:

• Вы не поднимаетесь с Земли, а огибаете ее по орбите, то есть движетесь в противоположном направлении к горячим атмосферным частицам.
• Поскольку вы находитесь на стабильной орбите, вы должны двигаться быстро: минимум 7 километров в секунду, чтобы оставаться в космосе.
• Вы обладаете размерами далеко не атома, но космического аппарата.
• Эти три пункта в совокупности приводят к катастрофе для любого спутника на орбите.

Такая катастрофа неизбежна из-за сопротивления, с которым сталкивается спутник, которое определяет, сколько скорости спутник теряет со временем из-за атмосферных частиц, попадающих в него на относительно высокой скорости. Любой спутник на низкой околоземной орбите будет иметь продолжительность жизни от нескольких месяцев до нескольких десятилетий, но не более того. Вы можете сразиться с этим, поднявшись повыше, но это не сильно поможет.

Каждый раз, когда на Солнце происходит какая-либо активность, вроде пятен на солнце, солнечных вспышек, коронарных выбросов массы или других взрывоопасных событий, атмосфера Земли нагревается. Чем горячее частицы, тем выше скорость, а более высокие скорости их движения будут означать, что они поднимаются выше, увеличивая плотность атмосферы даже в космосе. Когда это происходит, даже спутники, которые были практически за пределами гравитационного притяжения, начинают падать на Землю. Магнитные бури также могут увеличивать плотность воздуха на чрезвычайно больших широтах.

И этот процесс является кумулятивным, в том смысле, что поскольку спутник испытывает притяжение, его перигей падает до более низких и низких высот. Теперь, на этих более низких высотах, сила сопротивления увеличивается еще сильнее, и это приводит к тому, что вы теряете свою кинетическую энергию, которая удерживает вас на орбите, еще быстрее. Конечная спираль смерти может занимать тысячи, десятки тысяч или даже сотни тысяч орбит, но поскольку орбита завершается за 90 минут, любой спутник на низкой околоземной орбите будет жить несколько десятилетий в лучшем случае.

Эта проблема падения назад на Землю была проблемой не только для первых спутников 1950-х годов, но осталась проблемой почти для всех спутников, которые мы когда-либо запускали. 95% всех созданных людьми спутников находятся на околоземной орбите, включая Международную космическую станцию и космический телескоп Хаббла. Если бы мы периодически не разгоняли эти аппараты, многие из них уже свалились бы на Землю.

У «Хаббла» и МКС было бы меньше 10 лет на их текущих орбитах, если бы мы просто позволили им умереть. И в то время как большие спутники так и умирают, они делают это за счет неконтролируемого вхождения в атмосферу. В идеале они должны сгорать в атмосфере или падать в океан, но если их обломки упадут на людей, будет катастрофа.

И телескоп «Хаббл» тоже должен будет упасть на Землю. Его орбита будет понижаться. Сам телескоп будет в порядке, но с каждой орбитой он будет все ближе и ближе к Земле.

Заключительная миссия телескопа включает механизм стыковки, который был установлен на телескоп: Soft Capture and Rendezvous System. Любая оснащенная должным образом сможет безопасно доставить телескоп домой.

Но если говорить про 25 000 других спутников на низкой околоземной орбите, осуществить контролируемый вход в атмосферу будет невозможно. Атмосфера Земли опустит их ниже линии Кармана, ниже границы с космосом, которую мы начертили. Если прекратить запуск спутников сегодня, через сто лет не останется никаких следов присутствия человечества на околоземной орбите.

«Спутник-1» был запущен в 1957 году и всего через три месяца он спонтанно сошел с орбиты и упал на Землю. Частицы нашей атмосферы поднимаются намного выше любой искусственной линии, которую мы нарисовали, затрагивая все наши спутники. Чем дальше перигей, тем дольше вы будете оставаться на орбите. Пока у нас нет технологии, которая позволит поддерживать спутники на орбите без топлива, атмосфера Земли будет оставаться самой разрушительной силой, мешающей присутствию человека в космосе.