భూ ఉపగ్రహ కక్ష్యలు

ఒక ఖగోళ వస్తువు (ఒక నక్షత్రం గానీ గ్రహం గానీ) చుట్టూ పరిభ్రమించేది ఉపగ్రహం. ఉపగ్రహాలు తిరిగే పథాన్నే కక్ష్య అంటారు. వివిధ ప్రయోజనాల కోసం భూమి చుట్టూ కృత్రిమ ఉపగ్రహాలను ప్రయోగించారు. ఒక ఉపగ్రహాన్ని క్షిపణి ద్వారా ప్రయోగించినప్పుడు దాన్ని ఆ క్షిపణి ముందే నిశ్చయించిన కక్ష్య దాకా తీసుకు వెళ్తుంది. భూమి గురుత్వాకర్షణ శక్తి వల్ల ఉపగ్రహం అదే కక్ష్యలో కొనసాగుతుంది. బాగా ఎత్తున్న స్తంభం పైనుంచి ఒక బంతిని విసిరితే ఏం జరుగుతుందో అదే ఉపగ్రహాల విషయంలోనూ జరుగుతుంది. బంతిని విసిరినప్పుడు దానికి ప్రాథమిక వేగం అంది, దాని సాయంతోనే పయనిస్తుంది. కానీ కొద్దిసేపటికి ఆ బంతి ప్రాథమిక వేగంపై అసలు ఆధారపడకుండా పూర్తిగా భూమి గురుత్వాకర్షణ శక్తి ప్రభావంతోనే పయనిస్తుంది. సరిపడా ప్రాథమిక వేగంతో విసిరినప్పుడు బంతి కింద పడటం, భూమి దాన్నుంచి దూరంగా వంపు తిరగడం ఒకే రీతిలో జరిగి బంతి భూమి చుట్టూ నిరవధికంగా తిరుగుతూ ఉంటుంది. అంటే కక్ష్యలోకి ప్రవేశించింది అనమాట. 

ఉపగ్రహాలను ఏ ప్రయోజనాల కోసం ప్రయోగిస్తున్నారో దాన్ని బట్టి కక్ష్యలు నిర్ణీతమవుతాయి. కొన్ని ఉపగ్రహాలు ఎప్పుడూ భూమిపై ఒక్క ప్రదేశాన్నే చూస్తూ ఉంటే మరి కొన్ని కొద్ది రోజుల వ్యవధిలో భూమిపై ప్రతి భాగాన్ని చుట్టేస్తాయి. ఇలా ఒక్కో ఉపగ్రహం ఒక్కో రకమైన విలువైన సమాచారాన్ని గానీ సేవని గానీ అందిస్తుంది. భూమి నుంచి ఉపగ్రహం ఎత్తుని బట్టి దాని వేగం ఉంటుంది. భూమికి దగ్గరగా వచేకొద్దీ భూ గురుత్వాకర్షణ శక్తి పెరగడం వల్ల ఉపగ్రహ వేగం పెరుగుతుంది. ఉదాహరణకు కార్టోశాట్-1 అనే భారతీయ రిమోట్ సెన్సింగ్ ఉపగ్రహం భూమి నుంచి 618 కి.మీ. ఎత్తులో ఉండి 97 నిమిషాలలో భూమిని చుట్టేస్తుంది. అదే ఒక వాతావరణ ఉపగ్రహం భూమికి దాదాపు 36,000 కి.మీ. ఎత్తున్న కక్ష్యలో తిరుగుతూ భూమిని ఒక్కసారి చుట్టడానికి 23 గం. 56 ని. 4 సె. సమయం తీసుకుంటుంది. ఇక 3,84,403 కి.మీ. ఎత్తున ఉండే చంద్రుడు భూమిని ఒక్కసారి చుట్టడానికి 28 రోజుల సమయం పడుతుంది. 

అలా 'భూమి నుంచి ఎత్తు' కక్ష్యలకు ఉండే ఒక ముఖ్యమైన లక్షణం. దానితో పాటు ఉత్కేంద్రత (ఎక్సెంట్రిసిటి), వాలు (ఇంక్లినేషన్) కూడా కక్ష్య ఆకారానికి రూపాన్నిస్తాయి. ఉత్కేంద్రత తక్కువగా ఉన్నప్పుడు కక్ష్య ఆకారం వృత్తాకారానికి దగ్గరగా ఉంటుంది. అది పెరిగే కొద్దీ కక్ష్య దీర్ఘవృత్తాకారంగా మారుతుంది. దీర్ఘవృతాకార కక్ష్యలో ఉన్న ఉపగ్రహం భూమి నుంచి ఎప్పుడూ ఒకే ఎత్తులో ఉండదు. కక్ష్యలో ఎక్కడ ఉంది అనే దాన్ని బట్టి దాని ఎత్తు మారిపోతుంది. ఇక భూమధ్య రేఖకూ, కక్ష్యకూ మధ్య ఉండే కోణమే వాలు. సరిగ్గా భూమధ్య రేఖ పైన తిరిగే ఉపగ్రహ కక్ష్యకి వాలు సున్నా. ఉత్తర, దక్షిణ ధ్రువాల (భౌగోళిక ధ్రువాలు) మీదుగా తిరిగే ఉపగ్రహ కక్ష్యకి వాలు 90 డిగ్రీలు. ఈ మూడు లక్షణాలు (ఎత్తు, ఉత్కేంద్రత, వాలు) కలిసి ఉపగ్రహం భూమి చుట్టూ ఎలా తిరుగుతుంది, దానికి భూమిపై ఎంత విస్తీర్ణం కనిపిస్తుంది అనేవి నిర్ధారిస్తాయి. 
భూమి చుట్టూ 5 ప్రధాన కక్ష్యలు ఉన్నాయి -

 భూ నిమ్న కక్ష్య (Low Earth Orbit or LEO)
 భూ మధ్యస్థ కక్ష్య (Medium Earth Orbit or MEO)
 భూ సమవర్తన, భూ స్థిర కక్ష్యలు (Geosynchronous and Geostationary Orbits or GEO)
 ధ్రువీయ, సూర్య సమవర్తన కక్ష్యలు (Polar and Sun-synchronous Orbits or SSO)
 భూ స్థిర బదిలీ కక్ష్య (Geostationary Transfer Orbit or GTO)
ఇవి కాకుండా ఇంకా కొన్ని అరుదుగా ఉపయోగించే భూ కక్ష్యలు ఉన్నాయి. అవి బహు దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్య (Highly Elliptical Orbit or HEO), లగ్రేంజ్ బిందువులు (Lagrange Points or L-points).

 భూ నిమ్న కక్ష్యలు 
భూమి ఉపరితలానికి 160-1500 కి.మీ. ఎత్తులో ఉండే కక్ష్యలను భూ నిమ్న కక్ష్యలంటారు. ఉపగ్రహ కక్ష్యలలో అతి తక్కువ ఎత్తు ఉన్నా, ఈ వర్గం కక్ష్యలు అధికశాతం విమానాలతో పోలిస్తే కనీసం పది రెట్లు ఎక్కువ ఎత్తులో ఉంటాయి. వీటి భ్రమణకాలం తక్కువగా (90-120 నిమిషాలు) ఉండి రోజుకు 16 సార్లు భూభ్రమణం చేస్తాయి; ఈ కక్ష్యల వాలుకు ఆంక్షలు లేవు. అందువల్ల ఈ కక్ష్యా మండలంలో ఉపగ్రహాలు ప్రయోగించడానికి అనేక పథాలు లభ్యమవుతాయి.

భూమి సామీప్యం వల్ల ఈ కక్ష్యల్లోకి ఉపగ్రహాలను ప్రవేశపెట్టడానికి తక్కువ శక్తి అవసరమవుతుంది; ఈ కక్ష్యా మండలం అత్యధిక ఉపగ్రహాలను కలిగి ఉంటుంది.  ఉపగ్రహం నుంచి తిరిగి భూమికి సమాచార ప్రసారం తక్కువ క్షీణతతో, ఎక్కువ స్పష్టతతో జరుగుతుంది. అందువల్ల రిమోట్ సెన్సింగ్‌కి, అధిక ప్రాదేశిక విశ్లేషం (స్పేషియల్ రెజల్యూషన్) కలిగిన చిత్రాలను తీయడానికి, వైజ్ఞానిక పరిశోధనలకు బాగా అనువైన కక్ష్యా మండలం ఇది. అయితే, భూమికి బాగా సమీపాన ఉండడం, భ్రమణ వేగం ఎక్కువగా ఉండడం వల్ల ఈ ఉపగ్రహాలకు ఎక్కువ విస్తీర్ణం కనపడదు, వీటిని ట్రాక్ చేయడం వీలుపడదు. ఈ సమస్యను అధిగమించడానికి అనేక ఉపగ్రహాల కూటమిని (ఉపగ్రహాల కాంస్టెలేషన్) వాడుతారు. అంతర్జాతీయ అంతరిక్ష కేంద్రం, హబుల్ అంతరిక్ష దూరదర్శిని (టెలిస్కోప్) కూడా భూ నిమ్న కక్ష్యల్లోనే పరిభ్రమిస్తాయి.

 భూ మధ్యస్థ కక్ష్యలు 
భూ నిమ్న కక్ష్యలకు పైన, భూమి ఉపరితలం నుంచి 5,000 నుంచి 20,000 కి.మీ. ఎత్తులో ఉంటాయి భూ మధ్యస్థ కక్ష్యలు. భ్రమణకాలం 2 నుంచి 12 గంటలు. ఈ కక్ష్య నుంచి భూమికి సమాచార ప్రసార వేగం తక్కువగా ఉన్నా, ఉపగ్రహాలు భూమ్మీద చూడగలిగే ప్రదేశం ఎక్కువ. భూ నిమ్న కక్ష్యల కన్నా తక్కువ వ్యయంతో భూమి మొత్తాన్నీ చూడగలవు కానీ, ఆ కక్ష్యలతో పోలిస్తే సమాచార ప్రసారం నెమ్మదిగా (ఎక్కువ్ జాప్యం), తక్కువ స్పష్టతతో జరుగుతుంది. ఇటీవలి కాలంలో వాణిజ్య, ప్రభుత్వ సంస్థలు తక్కువ జాప్యంతో (లేటెన్సీ) సమాచార ప్రసారం చేసుకోవడానికి వీలుగా భూ మధ్యస్థ కక్ష్యలోకి అధిక నిర్గమాంశ కలిగిన ఉపగ్రహ (హై థ్రూపుట్ శాటిలైట్) కూటములను ప్రయోగించారు.
రెండు రకాల భూ మధ్యస్థ కక్ష్యలు ప్రముఖంగా చెప్పుకోదగినవి - అర్ధ-సమవర్తన (సెమీ-సింక్రొనస్) కక్ష్య, మోల్నియా కక్ష్య. తక్కువ ఉత్కేంద్రతతో, దాదాపు వృత్తాకారంగా ఉండి భూమికి 20,200 కి.మీ. ఎత్తులో ఉండేది అర్ధ-సమవర్తన కక్ష్య. భ్రమణకాలం సరిగ్గా 12 గంటలు. అంటే ఈ కక్ష్యలో ఉన్న ఉపగ్రహం 24 గంటల్లో భూమధ్య రేఖను రెండు సార్లు దాటుతుంది; పైగా, ప్రతి రోజూ అవే రెండు ప్రదేశాల్లో దాటుతుంది. ఈ స్వభావం వల్ల ఈ కక్ష్య స్థిరంగా, కక్ష్య పరామితులను ముందుగానే అంచనా వేయడానికి వీలుగా ఉంటుంది. అందువల్లే ఈ కక్ష్యను జీపీఎస్ (అమెరికా), గ్లోనాస్ (రష్యా), గెలీలియో (ఐరోపా) వంటి నావిగేషన్ వ్యవస్థల ఉపగ్రహాలు ఉపయోగిస్తాయి.
మోల్నియా కక్ష్యను రష్యన్లు కనుగొన్నారు. సమాచార ప్రసారాల కోసం సామాన్యంగా ఉపయోగించే భూ స్థిర కక్ష్యలు రష్యా వంటి పై అక్షాంశాల్లో, అలానే బాగా కింద ఉన్న అక్షాంశాల్లో ఉన్న ప్రదేశాల్లో పని చెయ్యవు. ఈ సమస్యకు పరిష్కారంగానే మోల్నియా కక్ష్యలు ఉద్భవించాయి. ఇవి బహు దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్యలు. మోల్నియా కక్ష్యలో తిరిగే ఉపగ్రహం భూమికి దగ్గరగా ఉన్నప్పుడు ఎక్కువ వేగంతో, దూరం పెరిగేకొద్దీ అదే రీతిన తగ్గే వేగంతో భ్రమిస్తుంది. అలా భ్రమణకాలంలో మూడింట రెండు భాగాల సమయం ఒకే భూగోళార్ధం పైన గడుపుతుంది. అర్ధ-సమవర్తన కక్ష్యలలాగానే ఈ కక్ష్యలోని ఉపగ్రహాలు కూడా ప్రతిరోజూ ఒక సమయానికి ఒకే ప్రదేశం పైన ఉంటాయి. అందువల్ల పై-, కింది-అక్షాంశాలో సమాచార ప్రసారానికి ఉపయోగపడతాయి.

 భూ సమవర్తన, భూ స్థిర కక్ష్యలు 
ఒక ఉపగ్రహం భూ ఉపరితలానికి 35,786 కి.మీ. ఎత్తుకి వెళ్ళినప్పుడు దాని భ్రమణకాలం భూభ్రమణ కాలానికి సరిగ్గా సమంగా (23 గం. 56ని. 4సె) ఉంటుంది. ఈ కక్ష్యలో ఉన్నప్పుడు భూమి నుంచి చూస్తే ఉపగ్రహం ఒకే రేఖాంశంపై ఉండి ఉత్తర-దక్షిణ దిశలో పైకీ కిందకీ ఊగిసలాడుతున్నట్టుగా కనిపిస్తుంది. ఈ కక్ష్యనే భూ సమవర్తన కక్ష్య అంటారు. పూర్తి వృత్తాకారంగా, సరిగ్గా భూమధ్య రేఖ పైన (అంటే ఉత్కేంద్రత సున్నా, వాలు సున్నా) ఉండే భూ సమవర్తన కక్ష్యను భూ స్థిర కక్ష్య అంటారు. ఈ కక్ష్యలోని ఉపగ్రహం భూమ్మీద నుంచి చూస్తే ఒకే చోట కదలకుండా స్థిరంగా కనిపిస్తుంది. దీన్నే భూ స్థిర కక్ష్య అంటారు. దూరప్రసార (టెలికమ్మ్యూనికేషన్) ఉపగ్రహాలు ఈ కక్ష్యలోనే ఉంటాయి. భూమితో పోలిస్తే ఒకే చోట ఉంటాయి కాబట్టి ఈ ఉపగ్రహాలు పంపే సమాచారాన్ని అందుకునే ఆంటెనాలను పదే పదే మార్చకుండా ఒక దిశలో అమర్చితే సరిపోతుంది. వాతావరణ ఉపగ్రహాలకు కూడా ఈ కక్ష్యే అనువైనది. భూమిపై ఎప్పుడూ ఒకే ప్రదేశాన్ని చూస్తూ అక్కడి వాతావరణ పరిస్థితులు - మేఘాలు, నీటి ఆవిరి, వాయువు మొదలైన వాటి గురించిన సమాచారాన్ని ఎప్పటికప్పుడు అందిస్తాయి. వ్యవసాయంలో ఎంతో ఉపయోగపడే ముందస్తు వాతావరణ సూచనలను శాస్త్రవేత్తలు ఈ సమాచారం ఆధారంగానే చేస్తారు.

దారితప్పిన/ఆపదలో ఉన్న నౌకలు, విమానాలను కనుగొనడానికి ఉపయోగపడే సంకేతాలను వెలువరించే జియోస్టేషనరి ఆపరేషనల్ ఎంవైర్న్‌మెంటల్ శాటిలైట్‌లు భూ స్థిర కక్ష్యలోనే భ్రమిస్తాయి. ఈ ఉపగ్రహాలు అంతరిక్ష వాతావరణాన్ని కూడా పరిశీలిస్తాయి. సూర్యుడిపై సంభవించే సౌర తుఫాన్లలాంటి సంఘటనలను పరిశీలించడానికి ఈ ఉపగ్రహాలు సూర్యుడి చిత్రాలు తీయడం, తమ చుట్టూ జరిగే గురుత్వాకర్షణ, వికిరణ మర్పులను గుర్తించడం చేస్తాయి.

ఈ కక్ష్య ఎత్తు ఎక్కువగా ఉండడం వల్ల ఉపగ్రహాలు భూమిపై ఎక్కువ భాగాన్ని చూడగలవు. ఈ కక్ష్యలో సమాన దూరాల్లో ఉన్న మూడు ఉపగ్రహాలు దాదాపు భూమి మొత్తాన్నీ ఒకేసారి పరిశీలించగలవు. నిరంతర సమాచార ప్రసారం కోసం ఐరోపా డేటా రిలే సిస్టమ్‌ను రూపొందించింది. ఈ వ్యవస్థలో భూ స్థిర కక్ష్యలోకి కొన్ని ఉపగ్రహాలను పంపి, వాటిని మిగతా కక్ష్యా మండలాల్లోని ఉపగ్రహాల సమాచార ప్రసారనికి సహాయకాలుగా ఉపయోగిస్తారు. తద్వారా తక్కువ ఉపగ్రహాలతో అంతరాయం లేని ప్రసారం జరుగుతుంది.

 మూలాలు 


వర్గం:ఉపగ్రహాలు