همه چیز درباره مدارهای زمین؛ چرا پرتاب ماهواره مهم است؟

خبرگزاری علم و فناوری آنا، پیشرفت فناوری، ماهواره‌ها را به بخشی حیاتی در زندگی امروزی انسان‌ها تبدیل کرده است. ماهواره‌ها برای اهداف گوناگونی مانند پخش رسانه‌ای، ناوبری و سنجش از دور به کار می‌روند و بر اساس عملکردشان طبقه‌بندی می‌شوند تا برای مأموریت‌های مختلف در مدار قرار بگیرند. ماهواره‌ها صرف‌نظر از هدف‌شان به ما کمک می‌کنند درباره کره زمین بیشتر بیاموزیم، ارتباط مردم را در مکان‌های دوردست برقرار کنیم، بلایای طبیعی و آسیب‌های انسانی را کاهش دهیم و فرصت‌های جدید برای پیشرفت فناوری فراهم آوریم. آن‌ها در برقراری ارتباط، مسیریابی، تجزیه و تحلیل فضا، پیش‌بینی آب‌وهوا، مدیریت حوادث طبیعی و شناخت گیتی به ما کمک می‌کنند. به لطف پیشرفت‌های فناوری، اکنون می‌توانیم ماهواره‌های سنجش از دور بیشتری را پرتاب کنیم. در سال ۲۰۲۲ بیش از ۶۹۰۰ ماهواره در مدار زمین فعال بودند که نسبت به سال قبل ۴۳.۸ درصد افزایش داشت.

در گزارش حاضر که از پایگاه اینترنتی‌ ای اُ اِس برگردان شده است، با انواع ماهواره‌ها، مدار‌ها و کاربرد‌های آن‌ها آشنا می‌شوید.

ماهواره‌ها چه کاربردی دارند و چرا انواعی از ماهواره داریم؟

ماهواره‌ها با  موشک به مدار فرستاده می‌شوند و مجهز به دوربین و ابزار‌هایی هستند که فرصت مطالعات بیشتر درباره زمین، سیارات دیگر و کل گیتی را فراهم می‌کنند. ماهواره‌ها با دید وسیع و توانایی عبور از موانع طبیعی مانند ابر‌ یا سایر پدیده‌های جوی می‌توانند اطلاعات را به سرعت جمع‌آوری کنند.انواع مختلفی از ماهواره‌ها برای ارتباطات، تحقیقات علمی، پیش‌بینی آب‌و‌هوا و رصد میدانی به کار گرفته می‌شوند و اندازه، مدار و طرح ماهواره به هدف مأموریت آن بستگی دارد. اگرچه ماهواره‌ها انواع مختلف و مدار‌های گوناگون دارند، اما به محض ورد به فضا، همگی از قوانین فیزیکی و محاسبات ریاضی مشابه پیروی می‌کنند.
در بیشتر موارد، یک ماهواره، پس از پرتاب، در یکی از چندین مدار از پیش تعیین‌شده به دور زمین قرار می‌گیرد. اما در برخی موارد، ممکن است به سفر بین سیاره‌ای هدایت شود و مسیری به دور خورشید را دنبال کند تا به مقصد نهایی خود برسد.

ماهواره‌ها معمولاً بر اساس ارتفاع مداری‌شان، یعنی فاصله آن‌ها تا زمین، طبقه‌بندی می‌شوند که مستقیماً بر پوشش و سرعت حرکت آن‌ها در اطراف سیاره تأثیر می‌گذارد. هنگام انتخاب نوع مدار، سازندگان فضاپیما باید هدف مورد نظر، داده‌هایی که به دست می‌آورد و خدماتی که ارائه می‌دهد، و همچنین هزینه، منطقه تحت پوشش و امکان‌پذیری مدار‌های مختلف را در نظر بگیرند. 

مدار نزدیک به زمین (LEO)

ماهواره‌هایی که در مدار نزدیک به زمین قرار می‌گیرند در ارتفاع حدودی ۱۶۰ تا ۱۵۰۰ کیلومتری از سطح زمین حرکت می‌کنند. آن‌ها دوره مداری کوتاهی دارند: بین ۹۰ تا ۱۲۰ دقیقه، به این معنا که تا ۱۶ بار در روز به دور کره زمین می‌چرخند. این نوع از ماهواره‌ها به ویژه برای همه انواع سنجش از دور، رصد زمین با مشاهده بالا و تحقیقات علمی مناسب هستند، زیرا می‌توانند داده‌ها را به سرعت گردآوری و منتقل کنند. 
همه انواع ماهواره‌ها در مدار نزدیک به زمین می‌توانند زاویه خود را نسبت به سطح زمین تغییر دهند. مدار‌های نزدیک به زمین بسیار پرکاربرد هستند و مسیر‌های بالقوه بیشتری را برای حرکت فضاپیما‌ها فراهم می‌کنند. با این حال، به دلیل نزدیکی آن‌ها به زمین، منطقه پوشش کمتری نسبت به سایر انواع ماهواره دارند. فضاپیما‌هایی که در مدار نزدیک به زمین قرار می‌گیرند اغلب به صورت گروهی پرتاب می‌شوند و به صورت فلکی ماهواره‌ای معروف هستند و نوعی شبکه را در اطراف زمین تشکیل می‌دهند. این گروه از ماهواره‌ها هم‌زمان چند منطقه بزرگ را پوشش می‌دهند.

مدار متوسط (MEO)

ماهواره‌ها در مدار متوسط بین مدار نزدیک به زمین و مدار‌های زمین ایستا و در ارتفاع حدود ۵ هزار تا ۲۰ هزار کیلومتری قرار دارند. از این ماهواره‌ها برای موقعیت‌یابی و خدمات ناوبری مانند جی‌پی‌اس استفاده می‌شود. اخیراً، در صورت‌های فلکی مدار متوسط ماهواره‌هایی مستقر شده‌اند که برای برقراری ارتباطات داده‌ای با سازمان‌های تجاری و دولتی فعالیت می‌کنند.
در مقایسه با فضاپیما‌هایی که در مدار نزدیک به زمین قرار می‌گیرند، ماهواره‌های مستقر در این مدار به دستگاه‌های کمتری برای پوشش جهانی نیاز دارند. با این حال، تاخیر زمانی آن‌ها بیشتر است و سیگنال‌های ضعیف‌تری دارند. این ماهواره‌ها دوره مداری طولانی‌تری دارند که معمولاً بین ۲ تا ۱۲ ساعت است.

مدار زمین‌ایستا (GEO)

فضاپیما‌ها در مدار زمین‌ایستا بیش از ۳۵ هزار کیلومتر با سطح زمین فاصله دارند و درست بر فراز خط استوا قرار می‌گیرند. استقرار سه ماهواره با فاصله مساوی در مدار زمین‌ایستا می‌تواند منطقه عظیمی از زمین را در سراسر جهان پوشش دهد.

اگر از مدار زمین‌ایستا به کره زمین نگاه کنیم اجرام بی‌حرکت به نظر می‌رسند زیرا، دوره مداری آن‌ها با چرخش زمین تقریباً برابر است، یعنی: ۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴ ثانیه. به همین دلیل این نوع ماهواره‌ها برای سرویس‌های ارتباطیِ همیشه روشن مانند تلویزیون و تلفن مناسب هستند. همچنین، از این نوع می‌توان در هواشناسی برای رصد آب و هوا در مناطق خاص و ردیابی الگو‌های محلی استفاده کرد. نقطه ضعف این مدار در ارتباطات بلادرنگ، تأخیر سیگنال ناشی از فاصله زیاد با زمین است.

مدار خورشیدهمگام (SSO)

ماهواره‌هایی که در مدار خورشیدهمگام و در جهت شمال به جنوب قرار دارند، در سراسر مناطق قطبی و در ارتفاع ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتری از سطح زمین حرکت می‌کنند. شیب مداری و ارتفاع این فضاپیما‌ها دقیقاً برای عبور از هر مکانی در همان زمان محلی خورشیدی تنظیم شده است. بنابراین، شرایط نور برای تصویربرداری مناسب است و این نوع ماهواره گزینه مطلوبی برای رصد زمین و نظارت محیطی است.

تصاویری که از ماهواره‌های خورشیدهمگام دریافت می‌شوند همچنین برای تشخیص تغییرات مناسب هستند. دانشمندان از این توالی تصویر برای مطالعه توسعه الگو‌های آب و هوا، پیش‌بینی طوفان، کنترل و جلوگیری از آتش‌سوزی و سیل و گردآوری اطلاعات در مورد مشکلات بلندمدت مانند جنگل‌زدایی و تغییرات خط ساحلی استفاده می‌کنند. اما این ماهواره‌ها به دلیل قرار گرفتن در ارتفاع مداری کمتر، هر بار فقط می‌توانند یک منطقه کوچک را پوشش دهند. 

مدار انتقالی زمین‌ایستا (GTO)

ماهواره‌ها پس از پرتاب از زمین مستقیماً معمولاً در مدار نهایی خود قرار نمی‌گیرند و در مدار‌های انتقالی رها می‌شوند که نقاط میانی در مسیر رسیدن به موقعیت نهایی خود هستند. سپس موتور یک ماهواره برای رسیدن به مدار مقصد و تنظیم شیب آن روشن می‌شود. این مرحله معمولاً در مدار زمین‌ایستا رقم می‌خورد که رایج‌ترین نوع مدار انتقال ماهواره است. از این میانبر ماهوراه با حداقل منابع به مقصد می‌رسد. انتخاب مدار بستگی به اهداف و وظایف ماهواره یا فضاپیما دارد. 

انواع ماهواره و کاربردهای آن‌ها

ارائه خدمات ارتباطی و تلویزیونی تنها بخش کوچکی از فناوری مبتنی بر فضا است. در سال‌های اخیر انواع مختلفی از ماهواره‌ها برای اهداف علمی مانند رصد زمین، مطالعه هواشناسی، ناوبری، مطالعه اثرات پرواز‌های فضایی بر جانداران میکروسکوپی و دستیابی به بینشی از کیهان به فضا پرتاب شده‌اند. در ادامه با چهار نوع ماهواره رایج بر اساس کاربرد آشنا می‌شوید.

ماهواره ارتباطی

ماهواره‌های ارتباطی معمولاً در مدار زمین‌ایستا قرار می‌گیرند و برای دریافت و ارسال سیگنال به زمین از یک فرستنده استفاده می‌کنند. به کمک این ماهواره‌ها افراد در مکان‌های دور می‌توانند به روش‌های مختلف رسانه‌ای مانند رادیو، تلویزیون، تلفن و اینترنت با یکدیگر تعامل داشته باشند. این نوع ماهواره‌ها می‌توانند چندین سیگنال را به طور همزمان ارسال کنند. این نوع ماهواره‌ها برای ارتباط از راه دور بسیار مناسب بوده و با گو. شی‌های تلفن همراه سازگاری دارند.

ماهواره ناظر بر زمین

هدف از فعالیت ماهواره‌های رصد زمین، نظارت بر کره زمین از فضا و گزارش هرگونه تغییری است که مشاهده می‌کنند. این نوع فناوری فضایی، نظارت مداوم و همچنین تجزیه و تحلیل سریع رویداد‌ها را در مواقع اضطراری مانند بلایای طبیعی و درگیری‌های مسلحانه ممکن می‌سازد.
نوع حسگر‌های ماهواره‌ای رصد زمین بر اساس اهداف ماموریت ماهواره نظارتی تعیین می‌شود. اطلاعات گردآوری‌شده بسته به نوع حسگر استفاده شده و باند‌های فرکانسی موجود متفاوت است.

اولین ماهواره صورت فلکی به نام «ای او اس ست-1»(EOS SAT-۱)، اکنون با هدف بهبود مدیریت کشاورزی و جنگلداری از طریق فناوری دقیق، به دور زمین می‌چرخد. یازده باند «ای او اس ست-1» به طور خاص برای نظارت بر جنبه‌های مختلف کشاورزی و جنگلداری، از وجود بیماری‌های محصول گرفته تا رطوبت خاک، طراحی شده‌اند.

ماهواره ناوبری

صورت فلکی سیستم ناوبری بین ۲۰ هزار تا ۳۷ هزار کیلومتر از سطح زمین فاصله دارد. این نوع ماهواره سیگنال‌هایی را ارسال می‌کند که زمان، موقعیت در فضا و وضعیت سلامت آن‌ها را نشان می‌دهد. سیستم‌های ناوبری فضایی به دو نوع عمده تقسیم می‌شود:

• سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) مجهز به گیرند‌ه‌هایی برای دریافت سیگنال‌های فضاپیما‌ها هستند و برای اهداف مکان‌یابی از آن‌ها استفاده می‌کنند. گالیله (Galileo) در اروپا، جی پی اس (GPS) در آمریکا و سیستم ناوبری ماهواره‌ای بی‌دو (BeiDou) در چین نمونه‌هایی از سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی هستند.
• سیستم ناوبری منطقه‌ای ماهواره‌ای (RNSS) یک سیستم ناوبری منطقه‌ای مستقل است که پوشش را در مقیاس منطقه‌ای ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، پروژه آی آر ان اس‌اس (IRNSS) در هند خدمات مکان‌یابی به شهروندان هندی ارائه می‌دهد. 

ماهواره‌ نجومی

ماهواره‌های نجومی تلسکوپ‌های غول‌پیکری هستند که به دور زمین می‌چرخند. آن‌ها می‌توانند جو زمین را به وضوح ببینند و فناوری تصویربرداری مادون قرمز آن‌ها بدون تأثیر بر دمای سطح سیاره به خوبی کار می‌کند. این ماهواره‌ها بسیار بهتر از قوی‌ترین تلسکوپ‌های روی زمین هستند. گروه اول، ماهواره‌های نجومی هستند که برای مطالعه اجرام آسمانی و پدیده‌های موجود در فضا، مانند ایجاد نقشه ستارگان و سیارات، عکسبرداری از سیارات منظومه شمسی و مطالعه سیاهچاله‌ها استفاده می‌شوند. گروه دیگر، ماهواره‌های تحقیقاتی آب و هوا هستند که با حسگر‌های خاص برای جمع‌آوری داده‌های جامع در مورد اقیانوس‌ها و یخ‌ها، زمین و جو فعالیت می‌کنند. ماهواره‌های زیستی در گروه سوم قرار می‌گیرند و برای مطالعات فضایی درباره سلول‌ها و ساختار‌های گیاهی و جانوری کاربرد دارند. این گروه از ماهواره‌ها نقش مهمی در پیشرفت پزشکی و زیست‌شناسی دارند.

ماهواره‌ها می‌توانند چندین عملکرد را به طور همزمان انجام دهند. با این حال، توصیه می‌شود که محققان انواع ماهواره‌هایی را که استفاده می‌کنند متنوع کنند تا نتایج مطمئن‌تری از مطالعات خود به دست آورند.