सभी उपग्रह पृथ्वी के चारों ओर वृत्त की बजाय अण्डाकार कक्षाओं में क्यों घूमते हैं?
जवाब
शास्त्रीय न्यूटोनियन यांत्रिकी में, दो पिंड जो एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं, वास्तव में उनके सामान्य बैरीसेंटर की परिक्रमा करते हैं। यदि एक पिंड दूसरे से बहुत बड़ा है, तो बैरीसेंटर आमतौर पर बड़े पिंड के अंदर होता है, और छोटा पिंड बड़े पिंड की परिक्रमा करता है।
शास्त्रीय न्यूटोनियन यांत्रिकी में, दो पिंड आमतौर पर काफी दूर होते हैं, और उन्हें बिंदु द्रव्यमान माना जा सकता है, जिसमें सारा द्रव्यमान द्रव्यमान के केंद्र पर केंद्रित होता है। फिर आपको पूर्वता आदि के साथ एक अच्छी अण्डाकार कक्षा मिलती है।
हालाँकि, जब उपग्रह पृथ्वी की परिक्रमा करते हैं, तो उपग्रह और पृथ्वी की सतह के बीच की दूरी आमतौर पर पृथ्वी की त्रिज्या से बहुत कम होती है। अधिकांश उपग्रह पृथ्वी की निचली कक्षा में हैं, और इसलिए सतह से कुछ सौ किलोमीटर के भीतर हैं, जबकि पृथ्वी की त्रिज्या लगभग 6,300 किलोमीटर है।
इसलिए उपग्रह पृथ्वी से बहुत छोटा है, इसलिए हम कह सकते हैं कि उपग्रह पृथ्वी के द्रव्यमान के केंद्र के चारों ओर परिक्रमा करता है। लेकिन द्रव्यमान का केंद्र कहाँ है?
हम गणना कर सकते हैं कि पृथ्वी को कई छोटे क्यूब्स में विभाजित करके, प्रत्येक के लिए एक द्रव्यमान और उपग्रह से दूरी मान लें, और द्रव्यमान के प्रभावी केंद्र को खोजने के लिए उन्हें एकीकृत करें। अब हम जिस समस्या का सामना कर रहे हैं वह यह है कि पृथ्वी समान रूप से सघन नहीं है, और इसलिए द्रव्यमान मूल्यों का स्पष्ट केंद्र एक स्थान से दूसरे स्थान पर है। कभी-कभी यह भूमध्य रेखा के चारों ओर 'उभार' (दीर्घवृत्त का चपटा होना) होता है, और कभी-कभी यह स्थानीय अंतर होता है, जैसे उत्तरी और दक्षिणी गोलार्ध के बीच आकार में अंतर। परिणामस्वरूप, जैसे-जैसे उपग्रह चलता है, पृथ्वी के द्रव्यमान का स्पष्ट केंद्र 'स्थानांतरित' हो जाता है, और इसी तरह इसकी कक्षा भी बदल जाती है।
वास्तव में, पृथ्वी के निकट एक उपग्रह परिक्रमा करते समय एक समविभव सतह का अनुसरण करता है। एक समविभव सतह वह होती है जहां गुरुत्वाकर्षण एक स्थिर मान होता है। इसका मतलब यह हो सकता है कि उपग्रह चलते समय सतह के संबंध में 'ऊपर' और 'नीचे' चलता है, लेकिन भिन्नताएं काफी छोटी हैं। कक्षा लगभग अण्डाकार होकर समाप्त होती है। जहां तक गुरुत्वाकर्षण में बदलाव को सुचारू करने का सवाल है, कक्षा जितनी ऊंची होगी, कक्षा उतनी ही 'सुचारू' हो जाएगी।
इसका लाभ उठाने के लिए एक अंतरिक्ष जनित प्रयोग GRACE था, जो एक ही कक्षा में चलने वाले उपग्रहों की एक जोड़ी थी, जो उपग्रहों के बीच की दूरी को उच्च परिशुद्धता से मापता था। गुरुत्वाकर्षण में बदलाव के कारण उपग्रहों को थोड़ी अलग गति से चलना पड़ा और इससे उनके बीच की दूरी में बदलाव आया। पीछे की ओर काम करते हुए, पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र का मानचित्र विकसित करना संभव हो सका। जबकि GRACE मिशन अब समाप्त हो गया है, उपग्रहों को अक्टूबर, 2017 में सेवामुक्त कर दिया गया है, दूरी माप के लिए बहुत अधिक सटीकता के साथ एक और मिशन की योजना बनाई गई है, और इसलिए बहुत बेहतर गुरुत्वाकर्षण मानचित्रण करने की क्षमता है।
गुरुत्वाकर्षण पुनर्प्राप्ति और जलवायु प्रयोग
मानव निर्मित उपग्रहों को लगभग वृत्ताकार कक्षाओं में होना आवश्यक नहीं है, और कई उपग्रह नहीं हैं।
अच्छे प्रति-उदाहरणों में से एक रूसी/सोवियत संचार उपग्रहों द्वारा उपयोग की जाने वाली मोलनिया कक्षा है।
संदर्भ: मोलनिया कक्षा - विकिपीडिया
मोलनिया कक्षा अत्यधिक अण्डाकार है, जिसका अपभू उत्तरी गोलार्ध में ऊँचा है और उपभू दक्षिणी गोलार्ध में निचला है। इससे उपग्रह अपनी अधिकांश कक्षा के लिए उच्च उत्तरी अक्षांशों पर "लटका" रहता है, जिससे उत्तरी ध्रुव के निकट के क्षेत्रों में संचार के लिए इसकी उपयोगिता अधिकतम हो जाती है।
भूस्थैतिक कक्षाएँ उच्च अक्षांश संचार के लिए बहुत अच्छी नहीं हैं क्योंकि वे क्षितिज से नीचे हैं, और गोलाकार उच्च झुकाव वाली कक्षाएँ आसान ट्रैकिंग की अनुमति देने के लिए आकाश में बहुत तेज़ी से चलती हैं।
अन्य प्रयोजनों के लिए, वृत्ताकार कक्षाएँ उपयोगी होती हैं।
- भूस्थैतिक कक्षाएँ आवश्यक रूप से लगभग गोलाकार (तकनीकी रूप से, कम विलक्षणता) होती हैं।
- मानवयुक्त उपग्रह वैन एलन विकिरण बेल्ट से दूर रहने की कोशिश करते हैं, जो उनकी विलक्षणता को सीमित करता है।
- अन्य चीजें समान होने पर, समान पेरिगी वाली गोलाकार कक्षा की तुलना में एक निश्चित पेरिगी के साथ अण्डाकार कक्षा प्राप्त करने के लिए एक बड़े रॉकेट की आवश्यकता होती है।
- सूर्य समकालिक ध्रुवीय कक्षाएँ आवश्यक रूप से गोलाकार होती हैं (इन्हें मौसम उपग्रहों सहित अन्य द्वारा उपयोग किया जाता है।)