مدار أرضی منخفض

یعرف المدار الأرضى المنخفض بالإنجلیزیة Low Earth Orbit واختصاراً LEO) )على أنه المدار الذی یقع محله الهندسی (جمیع النقاط الواقعة علیه) بین سطح الأرض حتى ارتفاع 2,000 کیلومتر. ونظراً لسرعة التدهور المدارى للاجسام على ارتفاعات أقل من 200 کیلومتر تقریباً, غالباً ما یعرف المدار الأرضى المنخفض على أنه المدار بین ارتفاعى 160 - 2,000 کیلومتر (100 - 1,240 میل) فوق سطح الأرض. باستثناء الرحلات المأهولة إلى القمر خلال برنامج أبولو, جمیع الرحلات المأهولة کانت إما مداریة فی المدار الأرضى المنخفض وإما شبه مداریة. أعلى ارتفاع تم تسجیله لرحلات الفضاء المأهولة فی المدار الأرضى المنخفض کان رحلة جیمینى 11 (Gemini 11) بأوج یساوى 1,374.1 کیلومتر.

مدارات أرضیة متنوعة مرسومة بمقیاس رسم, اللون السماوى الداخلى یمثل المدار الأرضى المنخفض

الخصائص المداریة

الاجسام الواقعة فی المدار الأرضى المنخفض تلقى مقاومة نتیجة الاحتکاک بغازات طبقة الثیرموسفیر من الغلاف الجوى (بین 80 - 500 کیلومتر تقریباً) أو طبقة الإیکسوسفیر (من 500 کیلومتر تقریباً إلى أعلى), على حسب ارتفاع المدار. یقع المدار الأرضى المنخفض داخل الغلاف الجوى وأسفل الحلقة الداخلیة من حزام فان آلن الإشعاعى. وغالباً ما لایقل الارتفاع عن 300 کیلومتر لأن المدار بارتفاع أقل من ذلک یصبح غیر عملى نتیجة المقاومة الکبیرة الناتجة عن الاحتکاک بالغلاف الجوى.
وتعد المدارات الأرضیة المنخفضة الأستوائیة (بالإنجلیزیة Equatorial Low Earth Orbits واختصاراً ELEO) فرع من المدار الأرضى المنخفض. هذه المدارات - التی لها زاویة میل صغیرة مع خط الأستواء - تسمح بتکرار الزیارات على فترات قصیرة ولها أقل تغیر فی السرعة مطلوب (بالإنجلیزیة Delta-V) عن أى مدار آخر. وتسمى المدارات التی لها زاویة میل کبیرة بالمدارات القطبیة.
المدارات الأعلى تتضمن المدار الأرضى المتوسط (بالإنجلیزیة Medium Earth Orbits واختصاراً MEO) والتی تسمى أحیاناً "مدارات دائریة متوسطة" (بالإنجلیزیة Intermediate Circular Orbits واختصاراً ICO), وأعلى من ذلک یوجد المدار الجغرافى الثابت. المدارات الأعلى من المدار الأرضى المنخفض غالباً ما تؤدى إلى فشل مبکر فی الإلکترونیات بسبب شدة الإشعاع وتراکم الشحنات.

الاستخدامات البشریة

توجد المحطة الفضائیة الدولیة فی مدار أرضى منخفض بین ارتفاعى 320 کیلومتر (199 میل) و 400 کیلومتر (249 میل) فوق سطح الأرض..

صورة تظهر تقریباً نصف مدار المحطة الفضائیة العالمیة

بالرغم من أن معظم الأقمار الصناعیة توضع فی المدار الأرضى المنخفض, حیث تسیر بسرعة حوالى 7.8 کم/ث (28,080 کم/س), بحیث تکمل دورة واحدة کاملة حول الأرض فی حوالى 90 دقیقة. فإن معظم أقمار الاتصالات تتطلب مدار جغرافى ثابت, بحیث تتحرک بنفس السرعة الزاویة التی تدور بها الأرض حول نفسها. وبما أن وضع المدار الأرضى المنخفض یتطلب طاقة أقل لوضع قمر صناعى فیه ومضخمات أقل قوة لنقل الإشارات بنجاح لذذلک ما زالت الأقمار الصناعیة فی المدارات الأرضیة المنخفضة مستخدمة فی مجال الإتصالات. ولأن المدارات الأرضیة المنخفضة لیست ثابتة جغرافیاً یلزم استخدام شبکة أو کوکبة من الأقمار الصناعیة لتوفیر تغطیة مستمرة. وتستخدم المدارات المنخفضة أیضاً للأقمار الصناعیة الخاصة بتطبیقات الأستشعار عن بعد بسبب دقة التفاصیل الممکن الحصول علیها. وتستفید أیضاً أقمار الاستشعار عن بعد من المدارات الأرضیة المنخفضة المتزامنة مع الشمس على ارتفاع حوالى 800 کیلومتر (500 میل) ولها میل قریب من المدارات القطبیة. القمر الصناعی إنفیسات (بالإنجلیزیة ENVISAT) هو أحد أمثلة الأقمار الصناعیة التی تستخدم هذا النوع بالذات من المدارات الأرضیة المنخفضة.
ورغم أن الجاذبیة الأرضیة فی المدارات الأرضیة المنخفضة لا تقل کثیراً عنها عند سطح الأرض, فإن أى جسم أو شخص فی المدار یشعر بانعدام الجاذبیة بسبب تأثیرات السقوط الحر.
وتضیف مقاومة الغلاف الجوى (بالإنجلیزیة Atmospheric Drag) ومقاومة الجاذبیة (بالإنجلیزیة Gravity Drag) المرتبطتین بعملیة الإطلاق؛ تضیفان مجموعتین حوالى من 1.5 کم/س إلى 2.0 کم/س إلى التغیر فی السرعة (بالإنجلیزیة Delta-V) المطلوب من مرکبة الإطلاق لتحقیق السرعة المداریة المعتادة الخاصة بالمدار الأرضى المنخفض والتی تساوى 7.8 کم/ث (28,080 کم/س) تقریباً.

الحطام الفضائى

أصبحت بیئة المدار الأرضى المنخفض مکتظة بالحطام الفضائی، وتسبب ذلک فی اهتمام متزاید فی السنین القلیلة الأخیرة, حیث أن الاصطدامات بسرعات مداریة یمکن أن تکون مدمرة وخطیرة، ویمکن کذلک أن تنتج المزید من الحطام الفضائی فیما یعرف بمتلازمة کیسلر (بالإنجلیزیة Kessler Syndrome). ویتابع حالیاً المرکز المشترک للعملیات الفضائیة التابع للقیادة الاستراتیجیة للولایات المتحدة؛ یتابع حالیاً حوالى 8,500 جسم أکبر من 10 سم فی المدار الأرضى المنخفض, غیر أن دراسة لمرصد أریسیبو (بالإنجلیزیة Arecibo Observatory) ذکرت أنه من المحتمل وجود حوالى ملیون جسم أکبر من 2 میللیمتر, والتی تعد صغیرة جداً لترصد من الأرض.

توزیع المخلفات الفضائیة حول الأرض (الأحجام مضخمة کثیرا)

أى قمر یدور حول الأرض یکون له سرعة مماسیة وعجلة تسارع اتجاهها نحو المرکز.

جسمان لهما کتلتان مختلفتان یدوران حول مرکز مشترک. الحجم النسبى ونوع المدار یشبه نظام بلوتو-شارون

المدار فی الفیزیاء هو مسار منحنی لجسم ما حول نقطة أو جسم آخر تحت تأثیر قوة الجاذبیة. على سبیل المثال مدار کوکب حول نجم , مثل دوران کواکب المجموعة الشمسیة حول الشمس . مدارات الکواکب غالباً ما تکون دائریة أو إهلیجیة .
الفهم الحالى للحرکة المداریة قائم على نظریة النسبیة العامة للعالم ألبرت أینشتاین , والتی تنص على أن الجاذبیة هی نتیجة لوجود أنحناء فی المکان, مع إتباع المدارات لقوانین علم الجیودیسیا. ولتسهیل الحسابات ، تقرب باستخدام قانون الجذب العام لنیوتن وهو قائم على قوانین حرکة الکواکب للعالم کبلر ، وتنطبق فی حالة حرکة الأجسام عند سرعات أقل کثیرا عن سرعة الضوء فی الفراغ . أما إذا کانت سرعة الأجسام أو الجسیمات قریبة من سرعة الضوء فلا بد من تطبیق معادلات النظریة النسبیة الخاصة لأینشتاین ، وإلا حصلنا على نتائج بعیدة عن الحقیقة.

مدار قمر صناعی

تختلف ارتفاعات مدارات الأقمار الصناعیة بحسب الغرض منها :

مدار منخفض

معظم مدارات الأقمار الصناعیة حول الأرض تکون غالبا قریبة من الأرض على أرتفاع نحو 500 کیلومتر . فی هذا المدار یتم القمر الصناعی أو محطة الفضاء الدولیة دورة کاملة کل نحو 90 دقیقة . تلک هی الأقمار الصناعیة التی تستخدم فی الاستشعار عن بعد و التصویر ومسح الأرض ، ورصد الحالة الطقس .

المدار الجغرافی الثابت

المدار الجغرافى الثابت بالنسبة لمشاهد على الأرض، یبدو قمر صناعى فی هذا لمدار ثابتا فی السماء .

هذا المدار یکون مدارا عالیا ویسمی المدار الجغرافى الثابت ، یبلغ ارتفاعه نحو 8و35 ألف کیلومتر عن الأرض . میزته أن القمر الصناعی الموجود فیه یظل ثابتا فوق الموقع الجغرافی الذی تحته على الأرض . فهو یتم دورته فی هذا المدار خلال 24 ساعة ، وهی نفس سرعة دوران الارض حول محورها . من تلک الأقمار التی تــُرسل إلى هذا الارتفاع الأقمار الصناعیة المستخدمة فی نظام التموضع العالمی .

مدارات کوکبیة

توجد داخل مجموعة کوکبیة کواکب ، و أقزام کواکب ، و کویکبات ، و مذنبات ، یدوکل منها فی مدار )(یسمى المدار أحیانا فلک) . کما تدور نفایات الفضاء أیضا فی مدارات . تدور تلک الاجرام حول الشمس ، وبالتمام تدور حول ما یسمى مرکز الثقل الذی یتحدد بالنسبة بین الجسم الکبیر والجسم الصغیر ویقع هذا المرکز بینهما . شکل المدار یکون فی العادة لیس مستدیرا تماما وإنما یکون فی شکل قطع ناقص. أما المذنبات فقد یکون شکل افلاکها قطع زائد أو قطع مکافیء وهی تدور حول مرکز الثقل بینها و بین الشمس ، لأنها لیست مرتبطة ارتباطا جاذبیا مع الشمس ، وتعتبر لا تنتمی إلى المجموعة الشمسیة. اکتشفت لنجوم أخرى کواکب وربما یکون لها أیضا کویکبات ومذنبات . الأجسام التی ترتبط بالجاذبیة بأحد الکواکب قد تکون توابع (أقمار) طبیعیة أو أقمارا صناعیة ، وهی أیضا تدور حول مرکز الثقل بینها وبین الکوکب .
مثال : لدینا فی المجموعة الشمسیة : تدور الأرض حول مرکز الثقل بینها وبین الشمس (یقع مرکز الثقل داخل الشمس بسبب الکبر العظیم لکتلة الشمس بالنسبة لکتلة الأرض) . ویدور القمر فی فلک حول مرکز الثقل بینه وبین الأرض . وتدور الأقمار الصناعیة و محطة الفضاء الدولیة حول الأرض ، کما یوجد الکثیر من المخلفات الفضائیة التی یسببها النشاط الإنسانی فی الفضاء ، وهی تدور فی مدارات منخفضة LEO حول الارض .

قوانین نیوتن للحرکة

فی الأحوال عندما تکون تأثیرات النظریة النسبیة (فی حالة السرعات الأقل بکثیر من سرعة الضوء) یمکن اهمالها تعطی قوانین نیوتن وصفا دقیقا لحرکة الأجسام . ویکون تسریع کل جسم مساویا لمجموع قوى الجاذبیة علیه مقسومة على کتلته. وتکون قوة الجاذبیة بین جسمین متناسبة تناسبا طردیا مع حاصل ضرب کتلتیهما ، ومتناسبة عکسیا مع مربع لمسافة بینهما . فإذا کانت کتلة أحد الجسمین کبیرة جدا بالنسبة لکتلة الجسم الآخر ، مثلما فی حالة قمر صناعی مرتبط بالأرض أو حالة الأرض التی تدور حول الشمس ، فیمکن حساب حول مرکز الجسم الأکبر ، ونقول عندئذ أن الجسم الأصغر یدور فی مدار حول الجسم الأکبر . أما فی حالة أن تکون کتلتی الجسمین متقاربتین ، فیمکن أیضا حساب حرکتهما بالنسبة لبعضهما البعض بقوانین نیوتن بدقة عن طریق اعتبار أن الجسمین یدوران حول مرکز ثقلهما .
یرتبط حقل الجاذبیة بطاقة . فیمکن لجسم بعید عن جسم آخر أن یؤدی شغلا إذا کان منجذبا إلیه تحت فعل الجاذبیة ، ولذلک یکون له طاقة وضع. ولنظرا لأنه لا بد من أداء شغل لفصل جسمین عن بعضهما البعض ضد جاذبیتهما تزداد طاقة وضعهما کلما ابتعدا عن بعضهما البعض ، وتقل طاقة وضعهما کلما اقتربا من بعضهما. وبالنسبة إلى کتلتین نقطیتین (کل منهما مرکزة فی نقطة) تزداد طاقة الجاذبیة بطریقة لا نهایة عندما تصبح المسافة بینهما صفرا ، وبالتالی یمکن اعتبار طاقة الوضع لهما مساویة للصفر عندما تکون المسافة بینهما مقاربة للصفر ، وقد تکون سالبة (حیث أنها تقل عن الصفر) عندما تصغر المسافة بینهما إلى أقل من ذلک.
یکون شکل مدار جسم صغیر حول جسم کبیر فی شکل مقطع مخروط . فیمکن أن یکون المدار مفتوحا ( أی یبعد الجسم الصغیر عن الجسم الکبیر ولا یعود) ، أو یمکن أن یکون المدار مغلقا (فیکون الجسم الصغیر مرتبطا بالکبیر ) وهذ یعتمد على الطاقة الکلیة للنظام (طاقة الحرکة + طاقة الوضع) . فی حالة المدار المفتوح تکون السرعة فی المدار عن ای نقطة مساویة على الأقل لسرعة الإفلات فتکون السرعة أقل من سرعة الفرار. ونظرا لکون طاقة الحرکة باستمرا موجبة - طبقا للمصطلح علیه حیث تعتبر طاقة الوضع مساویة للصفر فی مسافة لا نهائیة بین الجسمین - فیکون للمدار المغلق طاقة کلیة سالبة ، ولفلک فی شکل قطع مکافیء تکون الطاقة الکلیة مساویة للصفر ، وفی حالة القطع الزائد یکون لفلک الجسم طاقة کلیة موجبة .
یکون المدار المفتوح فی شکل القطع الزائد (عندما تکون السرعة أکبر من سرعة الإفلات ) ، أو فی شکل القطع المکافیء (عندما تکون السرعة مساویة تماما لسرعة الإفلات) . یقترب الجسمین من بعضهما البعض وینحنی خط سیرهما حول بعضهما عند أقرب نقطة بینهما ، ثم یبتعدان عن بعضهما إلى الأبد . وهذا ما یحدث لبعض المذنبات عندما یأتون من خارج المجموعة الشمسیة.
یتخذ مدار مغلق شکل قطع ناقص. وفی الحالة الخاصة عندما تکون المسافة بین الجسمین متساویة فیکون المدار دائری , فإذا کان مدار الجسم الذی یدزر حول الأرض فی شکل قطع الناقص تسمى أقرب نقطة بینهما حضیض ، تسمى أبع نقطة على المدار بینهما أوج. والخط الواصل بین هاتین النقطتین هو المحور الأکبر للقطع الناقص .