דעיכת מסלול לווייני

דעיכת מסלול לווייני (או דעיכת מקפת או דעיכת אורביט) היא נפילה הדרגתית של לוויין לכיוון כדור הארץ. במסלול נמוך הדעיכה נגרמת בעיקר בגלל כוח הגרר של האטמוספירה - התנגשות הלוויין עם מולקולות באטמוספירה מאטה את מהירותו. גורמי דעיכת מסלול נוספים הם חיכוך גאות (אנ') ולחץ קרינה. ככל שלוויין גבוה יותר, האטמוספירה דלילה יותר, ולכן כוח הגרר על הלוויין קטן יותר, עד שהוא הופך לזניח. לוויינים במסלול לווייני נמוך (Low Earth Orbit) מקיפים את כדור הארץ בגובה שבין 200 ל-2,000 קילומטר מעליו. לוויינים אלה חייבים מדי פעם לתקן את מסלולם (כיוונם ומהירותם), אחרת ישובו בהדרגה לכדור הארץ. הירידה נעשית במסלול ספירלי, ועשויה לארוך בין ימים לאלפי שנים, לפי גובה המסלול. כשלוויין מגיע למרחק של 180 קילומטר מכדור הארץ, נותר רק זמן קצר עד כניסתו הבלתי נמנעת לאטמוספירה של כדור הארץ. רוב הלוויינים והעצמים האחרים מתכלים בחום שנוצר בעת חדירתם לאטמוספירה. הלוויין הוותיק ביותר שעדיין לא שב לכדור הארץ הוא ונגארד 1 (Vanguard 1) ששוגר ב-1958 והפסיק לפעול ב-1964. צורתו כדורית, גודלו כגודל פומלה, והוא שט סביב כדור הארץ במסלול אליפטי מאורך, עם פריגיאה של 655.6 קילומטר ואפוגיאה של 3,841.7 קילומטר. הוא צפוי להמשיך לחוג לפחות עד שנת 2250. לוויינים גאוסינכרוניים, כגון לווייני תקשורת, משייטים גבוה יותר במרחק של 36,000 קילומטר. במרחק כזה הגרר של האטמוספירה הוא נמוך מאוד, ומסלולם של לוויינים אלה משתנה בעיקר עקב השפעות לחץ הקרינה וחיכוך הגאות שהם חלשים, אבל תיקוני מסלול דרושים גם בלוויינים אלה. דעיכת מסלול מגבהים אלו כה איטית עד שטרם התרחשה כזו בפועל. אזור LEO, שבין 200 ל-2,000 קילומטר מעל כדור הארץ, הוא אזור הומה ובו נמצאים רוב הלוויינים, תחנות החלל, הטלסקופים והמעבורות. תחנת החלל הבינלאומית נמצאת בגובה של כ-400 קילומטר, טלסקופ החלל האבל בגובה כ-550 קילומטר, ובנוסף להם אלפי לוויינים שחלקם הגדול כבר אינם פעילים ומהווים פסולת חלל שמסכנת לוויינים אחרים. הלוויינים שיצאו משימוש מתקרבים בהדרגה לכדור הארץ במסלול ספירלי, כשהם מאבדים אנרגיה בגלל הגרר האסטמוספירי. המסלול האליפטי מתכווץ במהלך הדרך והופך מעגלי ככל שהוא מתקרב לכדור הארץ. עד גובה של 400 קילומטר זמן הדעיכה הוא בין ימים לשנים, ומעל גובה זה זמן הדעיכה עולה בחדות. אורך חיים של לוויין שאינו מתקן את מסלולו, לפי גובה המסלול שבו הוא חג: הגורם העיקרי המשפיע על דעיכת מסלול הוא החיכוך עם מולקולות הגז שבאטמוספירה. אף שהאטמוספירה דלילה מאוד בגבהים אלה, וצפיפותה יורדת בצורה מעריכית יחסית לגובה, הלוויינים חגים במהירות והשפעת הגרר היא ניכרת. ככל שהלוויין יורד נמוך יותר כך האטמוספירה צפופה יותר, החיכוך גדול יותר, ותהליך הדעיכה מאיץ. השפעת הגרר האטמוספירי חזקה במיוחד עד גובה של 1,000 קילומטר. התפרצויות סולאריות של השמש מגבירות את הגרר האטמוספירי. המועד והעוצמה של ההתפרצויות אינם ניתנים לניבוי מדויק, אך הן מתרחשות בצורה מחזורית בקירוב, וכל מחזור סולארי נמשך כ-11 שנה. הגרר האטמוספירי עולה בחדות בזמן המקסימום (Solar maximum) של ההתפרצות, וההשערה היא ששטף הקרינה החזקה מחמם את האטמוספירה, השכבות הדלילות יותר באזור LEO עולות מעלה, והשכבות הנמוכות והסמיכות יותר תופסות את מקומן. לפי מודלים שונים, ההבדל בצפיפות האטמוספירה בין מינימום ומקסימום פעילות של השמש הוא בשלושה סדרי גודל. באמצע מרץ 1989 היה מקסימום חזק של מחזור סולארי, ובעקבותיו היה צורך למקם מחדש מעל אלף לוויינים ששינו את מסלולם. הלוויין (SolarMax) שחג במרחק של כ-500 קילומטר ומיועד לחקור את ההשפעה של פרצי השמש, "צנח מהמסלול כאילו נתקל בקיר לבנים", כפי שתיארו זאת החוקרים. גם צורת הלוויין משפיעה על הגרר, ככל שפני השטח של הלוויין גדולים יחסית למסה שלו, הגרר גדול יותר. "חיכוך גאות" הוא כינוי לכוח הפועל על לוויין כתוצאה מכך שחלקו הפונה פנימה למסלול נע מהר יותר מצדו שפונה החוצה ונמצא במסלול גבוה יותר. העבודה שמבצע כוח זה מתבטאת בחימום הגוף שבמסלול (כך למשל ירחים כמו אנצלדוס שומרים על ליבה מותכת). האנרגיה שמועברת ללוויין באה על חשבון מהירותו במסלול, בדומה לפעולת חיכוך המאט גוף בתנועה. עם האטת המהירות מתחיל הלוויין לאבד גובה. תהליך זה איטי מאוד, אך עקבי. לחץ קרינה ורוח השמש פועלים בשתי דרכים על הלוויין. באופן ישיר הם דוחפים את הלוויין מהשמש והלאה. פעולה זו מאטה את תנועת הלוויין לכיוון השמש בחלק אחד של המסלול אך מאיצה בחלקו השני. כך אין בממוצע האטה או האצה, אך המסלול עובר לאורך זמן הסטה כך שנקודת המסלול הקרובה לכדור הארץ והנקודה הרחוקה ממנו הולכות ונהיות קיצוניות יותר (הקרובה מתקרבת לארץ והרחוקה מתרחקת ממנו). זה בתורו גורם לעלייה בחיכוך באטמוספירה בנקודה הנמוכה ומאיץ את דעיכת המסלול. הרשויות הבינלאומיות הסכימו על תקנות לצמצום פסולת החלל. לוויינים בגובה LEO חייבים לחזור לכדור הארץ בתוך 25 שנה. כדי להבטיח זמן חזרה של פחות מ-25 שנה, מפותחים אמצעים פאסיביים ואקטיביים. האמצעים הפאסיביים מגדילים את שטח פני הלוויין ובכך מגדילים את הגרר, וכוללים בעיקר מפרשים בצורות שונות שנפרשים לאחר שהלוויין סיים את תפקידו. במסלולים גבוהים יותר האטמוספירה קלושה וכוח הגרר אינו משמעותי. אזור GEO שבו נמצאים הלוויינים הגאוסינכרוניים, הוא הרבה פחות צפוף מ-LEO, אך הוא גם צר יותר, הצפיפות בו עתידה לעלות, וגם בו פסולת חלל ולוויינים שיצאו משימוש מהווים סכנה. האנרגיה הדרושה כדי להוריד לוויין מ-GEO חזרה לארץ היא גדולה משום ש-v∆ (Delta-v) - ההפרש בין המהירות ההתחלתית למהירות הסופית - הוא גבוה, ופירוש הדבר שנחוצה כמות גדולה של דלק, ולא ריאלי לחייב לוויינים לשאת אותה. לכן לוויינים ב-GEO שסיימו את תפקידם אמורים לשמור כמות מספיקה של דלק כדי לעלות למסלול שגבוה ב-300 קילומטר מעל אזור GEO, שמכונה "מסלול בית קברות" (Graveyard orbit). שם הם לא יפריעו בעתיד הנראה לעין. בעתיד הרחוק מאוד יהיה צורך לפנות גם אותם ולהורידם לכדור הארץ. משפט ניוטון על דעיכה מסלולית מדיה וקבצים בנושא דעיכת מסלול לווייני בוויקישיתוף VANGUARD 1 Effect of Air Drag Force on Low Earth Orbit Satellites During Maximum and Minimum Solar Activity SATELLITE DRAG Mitigating space debris generation 14.0 Deorbit Systems