为什么地球轨道卫星从根本上不稳定？

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图片来源：美国宇航局，地球轨道上的国际空间站。

使卫星绕地球运行似乎是世界上最简单、最自然的事情。毕竟，40多亿年来，月球一直在不间断地绕地运行，而且，它的运行没有任何把戏。可是如果把我们在太空中单独放置的绕地卫星放在那里仅仅数年或数十年，它们就会重新进入大气层，要么燃烧起来，要么撞向地面和海洋，就像许多卫星和航天器以前常干的那样。

图片来源：美国宇航局，ATV-1卫星重返大气层。

此外，如果我们观察所有其他行星的自然卫星，它们都比环绕地球的人造卫星远得多。例如，国际空间站（ISS）每90分钟绕地球运行一次，而我们的月球绕地球运行需要将近一个月的时间。即使是那些以接近行星而闻名的卫星——比如木星周围的木卫一，在那里火山爆发时潮汐力加热并撕裂世界——在它们的轨道上也是稳定的。




木卫一预计将在我们太阳系剩余的生命周期内保持在围绕木星的轨道上，而如果不采取任何进一步的措施，国际空间站将在不到20年的时间内自行脱离轨道！几乎所有目前处于近地轨道的卫星都面临同样的命运：到下个世纪到来时，我们现在的几乎所有卫星都将重新进入地球大气层，要么完全燃烧，要么更大的卫星（国际空间站重达431吨！），将分成大块，撞击地面和海洋。

图片来源：伊·道恩博斯，代尔夫特理工大学，关于大气密度是如何随海拔变化的。请注意，密度不会降到零，即使超过了空间开始位置的定义。
1）大气阻力。

这是迄今为止最大的影响，这也是低地球轨道如此不稳定的原因。其他卫星——比如地球同步卫星——也会衰变，但不会在如此短的时间尺度上。我们通常把“空间”定义为向上超过100公里（62英里）的任何东西：卡尔曼线。但任何像这样的定义，例如空间的起点和行星大气的终点，都是人为的。实际上，大气粒子可以继续任意地向高海拔地区延伸，只是移动地越远，密度就会越来越小。最终，密度会降得很低——低于每立方厘米1微克，或纳米，或皮克——你会说“我们是真实存在着的”。但是原子在大气层中存在数千公里（或英里），当卫星与这些原子碰撞时，它们失去动量并减速。这就是为什么近地轨道卫星如此不稳定。

图片来源：美国国家航空航天局/戈达德宇宙飞行中心，太阳风如何与火星高层大气相互作用，但受地球磁场影响而偏离地球。
2）太阳风粒子。

太阳不断地发出一股高能粒子流，其中大部分是质子，也有电子和氦原子核，它们与遇到的任何东西都会发生碰撞。这些碰撞也会改变与之相撞的卫星的动量，平均来说会减慢它们的速度。在足够长的时间尺度上，它们也会导致轨道的衰变。虽然这不是近地轨道卫星衰变的主要原因，但其对于更远的卫星的影响不容小觑，它会使它们向内移动，直到大气阻力接管为止。

地球重力异常图。图片来源：美国国家航空航天局/重力恢复和气候实验。
3）不完美的地球引力场。

如果地球没有像水星或月球那样的大气层，我们的卫星能永远留在轨道上吗？不，即使没有太阳风。这是因为地球——和所有行星一样——不是点状质量，而是一个具有不规则引力场的结构。这个引力场，以及卫星绕行星运行时其内部的变化，都会对其产生潮汐力。当这些卫星靠近吸引的物体时，它们会感受到更强的引力，而当它们远离吸引的物体时，它们会感受到较弱的引力，而这些差异正是导致地球潮汐的原因。它们还会导致像木卫一这样的东西在木星周围分裂，最终失去动量并脱离轨道。虽然时间尺度比大气阻力要长得多，但卫星离地球越近，这些力就越大。

图片来源：美国国家航空航天局
4）太阳系其他星体的引力影响。

地球并不是一个完全孤立的系统，也不是卫星唯一的引力来源。不；月球、太阳和所有其他行星、彗星、小行星等都会产生一种扰动引力，这种扰动引力不仅会导致轨道移动，而且会随时间（平均）而衰减。即使地球是一个完美的点——比如说它缩小为一个不旋转的黑洞——没有大气层，卫星都被100%的太阳风屏蔽，这些卫星最终还是会衰变，螺旋状地进入地球中心。它们在轨道上生存的时间理应比太阳的寿命还长，但它仍不是一个完全稳定的系统；卫星的轨道仍然会坍塌。

图片来源：派尔/加州理工学院/麻省理工学院/理格实验室
5）相对论效应。

牛顿定律——以及传统的开普勒轨道——都无法解释。同样的力导致水星的轨道以每世纪43英寸的速度旋进，也会导致轨道以如此缓慢的速度衰减，并在衰减时释放出引力波。对于弱引力场（就像我们在太阳系中发现的那样）来说，衰变速度是非常缓慢的：地球自转进入太阳需要大约10^150年的时间，而低地球轨道卫星的衰变速度要比这小几十万倍。即使如此，这种衰变力还是存在的。它对行星附近的卫星远比远离该行星的卫星更有效。这是广义相对论的必然结果。

图片来源：美国宇航局/美国加州理工学院/亚利桑那大学，来自火星勘测轨道器的火卫一（颜色增强）。

这些衰变特征不仅影响到我们的人造卫星，也影响到我们在环绕其他星球的轨道上发现的一些自然卫星！例如，火星最深处的卫星火卫一，由于潮汐力的作用，注定要解体，并旋进这颗红色行星的大气层。尽管火星的大气层只有地球大气层的1/140，但火星的大气层仍然很大且弥漫，此外，火星没有太阳风的遮挡（不像地球有磁场），导致火卫一几千万年来都在不断的衰亡。这似乎是段不短的时间，但是在太阳系的生命周期中，它仅仅是我们存在时间的1%！

图片来源：美国宇航局/康奈尔大学，伽利略太空船，木星最里面的卫星梅蒂斯。

木星最近的卫星也不是木卫一，而是梅蒂斯，被神话迷们视为宙斯的第一任妻子。在木卫一的内部有四颗小卫星，其中距离木卫一最近的就是梅蒂斯。它距离木卫一的大气层只有约0.8个木星半径。对于木星来说，大气和太阳风都不是造成衰变的主要原因；梅蒂斯轨道半轴仅有128000公里，受到巨大的潮汐力作用，这将成为该行星旋进木星的主要原因。

潮汐力有时真的占主导地位，这里有个鲜明的例子：慧星“鞋匠莱维9号”，它于1994年与木星碰撞，后来完全被潮汐力撕裂！对于任何大型卫星轨道接近一个巨大的物体来说，这都是个重要的因素，也是所有旋进母星的卫星的最终命运。

图片来源：维弗，史密斯（太空望远镜科学研究所）和美国宇航局，彗星“鞋匠莱维9号”在接近与木星碰撞的过程中碎裂。

每一个因素都会使任何卫星从根本上不稳定。如果给予足够的时间和其他稳定的效果的缺乏，所有事物最终都会衰退。只是在低地球轨道上，大气阻力是如此之大，以至于衰变发生的时间尺度小于人类寿命！尽管所有的轨道都是不稳定的，但有些轨道较之其他轨道更不稳定。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. forbes-小草莓er

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