Космічна загадка: чому МКС постійно перебуває на орбіті й не падає на Землю

Міжнародна космічна станція (МКС) обертається навколо нашої планети на висоті приблизно 400 км над поверхнею Землі. Хоча орбітальна станція здається перебуває завжди на одній висоті, але це не так. Насправді МКС постійно падає, хоча вона не знижується настільки сильно, щоб продовжувати своє обертання на орбіті і не згоріти в атмосфері Землі. Причина цього криється у звичайній фізиці. Усе зводиться до орбітальної швидкості МКС, її висоти над Землею і швидкості, з якою вона падає під дією гравітації нашої планети, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Чому МКС постійно перебуває на орбіті й не падає на Землю?

Фізика, яка лежить в основі того, що МКС постійно утримується на орбіті і не падає на Землю, бере свої витоки у відкритті батька гравітації Ісаака Ньютона. Будь-який об'єкт, який спочатку перебуває нерухомо над землею, а потім падає, робить це під впливом сили гравітації, яка тягне цей об'єкт вниз. Але коли кинути такий об'єкт, то в нього з'являється горизонтальний рух, який конкурує з гравітацією. Тому об'єкт не одразу впаде на землю, а падатиме по кривій лінії.

Ісаак Ньютон для пояснення сили гравітації використовував аналогію з гарматним ядром, що летить горизонтально і падає по кривій лінії на землю. Розмір і форма цієї кривої залежать від швидкості гарматного ядра і величини опору повітря. Що більша швидкість гарматного ядра і що нижчий опір повітря, то більшу відстань пролетить ядро і то меншим буде кут кривої, за якою ядро наближається до землі.

Ньютон припустив, що якби гарматне ядро було випущено горизонтально з досить високої гори, де повітря розріджене, і з достатньою швидкістю, то крива падіння гарматного ядра вниз під дією сили гравітації відповідала б кривизні Землі. Сила, що діє на об'єкт таким чином, щоб він під час падіння слідував вигнутій траєкторії польоту, називається доцентровою силою, і вона завжди спрямована до центру кривизни.

Що змушує МКС постійно перебувати на орбіті? Це баланс між доцентровою силою, спрямованою до центру Землі, і силою земної гравітації, яка постійно змушує МКС піддаватися гравітаційному прискоренню за її вигнутою траєкторією руху.

Цей баланс досягається за допомогою поєднання висоти орбіти МКС, яка становить приблизно 400 км і її орбітальної швидкості. МКС рухається зі швидкістю 7,6 км/с і це та швидкість, яка дає змогу космічній станції на даній висоті продовжувати слідувати траєкторії руху, яка відповідає кривизні Землі. Якби МКС перебувала на меншій висоті, їй довелося б рухатися швидше, щоб не впасти в атмосферу Землі і не згоріти в ній.

МКС доводиться постійно підтримувати свою орбіту

Але МКС не може постійно сама по собі обертатися навколо нашої планети на заданій орбіті і не падати. Річ у тім, що навіть на висоті 400 км МКС все ще перебуває в атмосфері Землі, хоча і в дуже розрідженій її частині, відомій як термосфера. Це шар атмосфери з дуже низькою щільністю, але атмосферних молекул достатньо для того, щоб створити потрібний опір і уповільнити рух МКС. Тому космічна станція сповільнюється приблизно на 5 см на секунду і це призводить до того, що вона знижується щодня приблизно на 100 метрів.

Приблизно раз на місяць МКС вмикає свої двигуни, щоб повернутися на вихідну орбіту. Якщо цього не робити, то станція просто впаде на Землю і згорить в атмосфері.

Коли МКС все ж таки впаде на Землю і чому?

Варто сказати, що це все ж станеться через кілька років. Річ у тім, що МКС працює вже понад 25 років і її основні компоненти значно зношені. Це означає, що роботу станції потрібно припинити і вивести її з експлуатації шляхом спуску в нижні шари атмосфери, де вона і згорить.

Через те, що МКС має величезний розмір (109 метрів завдовжки і 73 метри завширшки) її спуск має бути контрольованим. Згідно з поточним планом NASA, МКС буде спущено з орбіти в атмосферу Землі у 2031 році. У 2030 році до станції, яку вже залишать астронавти, полетить спеціальний космічний корабель, який виступає як буксир, і зістикується з МКС. Протягом приблизно року або трохи більше МКС сама по собі має знизитися на висоту приблизно 220 км над поверхнею Землі. Потім космічний корабель запустить свої двигуни і знизить МКС до висоти спочатку 150 км, а потім до 80 км. Таким чином МКС опиниться в шарі атмосфери під назвою мезосфера.

Саме в мезосфері має згоріти МКС, хоча найімовірніше не всі її частини згорять, а тому впадуть на нашу планету. Але це падіння не становитиме жодної загрози для людей та інфраструктури. МКС впаде на Землю над віддаленою ділянкою Тихого океану і її уламки опустяться на дно.

Фокус уже писав про те, що сталося з американськими прапорами на Місяці, які залишили астронавти програми "Аполлон. NASA готується до чергової висадки астронавтів на Місяць у 2027 році і, можливо, астронавти встановлять там уже сьомий за рахунком прапор США.

Також Фокус писав про те, що виявлено зірку, яка знаходиться найближче до чорної діри. Астрономи припускають, що дивну поведінку далекої чорної діри можна пояснити наявністю найближчого відомого об'єкта до горизонту подій чорної діри.