ഭൗമകേന്ദ്ര ഭ്രമണപഥം

ഭൂമിയെ വലം വയ്ക്കുന്ന വസ്തുക്കളുടെ (ഉദാ: ചന്ദ്രൻ, കൃത്രിമോപഗ്രഹങ്ങൾ, ബഹിരാകാശപേടകങ്ങൾ തുടങ്ങിയവ) ഭ്രമണപഥത്തെയാണു് ഭൂകേന്ദ്രിതഭ്രമണപഥം അഥവാ ഭൗമകേന്ദ്രഭ്രമണപഥം (Geocentric orbit) എന്നു വിളിക്കുന്നത്. ഭ്രമണപഥങ്ങൾക്ക് ഭൌമോപരിതലത്തിൽനിന്നും ഉള്ള ഉന്നതിയും, ആകൃതിയും, ഭൂമിയെ അപേക്ഷിച്ചുള്ള അവയുടെ സഞ്ചാരപഥവും അനുസരിച്ച് പലതായി തരംതിരിച്ചിരിക്കുന്നു. ഓരോ പേടകങ്ങളുടേയും ഭാരം, പ്രവർത്തനധർമ്മം, അവ തൊടുത്തുവിടാനും പരിപാലിക്കാനുമുള്ള സാമ്പത്തികച്ചെലവു്, സാങ്കേതികവിദ്യ, വിക്ഷേപണസൗകര്യങ്ങൾ തുടങ്ങിയവ അവയുടെ ഭ്രമണപഥം എങ്ങനെയുള്ളതായിരിക്കണമെന്നു തീരുമാനിക്കുന്നതിൽ പ്രധാന ഘടകങ്ങളാണു്.

ഉയരം നിശ്ചയിക്കാനുള്ള പരിമിതികൾ

അധോതല, മദ്ധ്യതല, ഉന്നതതല ഭ്രമണപഥങ്ങൾ - തോതനുസരിച്ച് അടയാളപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു.

ഭൂഗുരുത്വബലവും അപകേന്ദ്രബലവും

ഒരു വസ്തു മറ്റൊരു വലിയ വസ്തുവിനെ (ഉദാ: ഉപഗ്രഹങ്ങൾ ഭൂമിയെ) ദീർഘകാലം ഭ്രമണം ചെയ്യുന്നതു് രണ്ടു പ്രധാന ബലങ്ങൾ സമീകരിച്ചുകൊണ്ടാണു്. ഭൂമിയ്ക്കുചുറ്റും പ്രദക്ഷിണം വെക്കുന്ന ഒരു ഉപഗ്രഹത്തിനു്, അപകേന്ദ്രബലം മൂലം പുറത്തേക്കു് (ഭൂമിയിൽനിന്നും അകലേക്കു്) തെറിച്ചുപോകാനുള്ള പ്രവണതയുണ്ടായിരിക്കും. എന്നാൽ, ഭൂഗുരുത്വാകർഷണം മൂലം ഉപഗ്രഹത്തിന്റെ തന്നെ ഭാരം അതിനെ എപ്പോഴും ഭൂമിയിലേക്കു പിടിച്ചുവലിക്കുന്നു. ഈ രണ്ടു ബലങ്ങളും സമമാണെങ്കിൽ (മറ്റു ബലങ്ങളൊന്നും ഇല്ലെങ്കിൽ) കൂടുതൽ ഇന്ധനം ഇല്ലാതെത്തന്നെ, ഒരു ഉപഗ്രഹത്തിനു് അനന്തകാലം അതിന്റെ ഭ്രമണപഥത്തിലൂടെ സഞ്ചരിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കാനാവും.ഇവയിൽ അപകേന്ദ്രബലം ഉപഗ്രഹത്തിന്റെ പ്രദക്ഷിണവേഗത്തിനേയും ഗുരുത്വബലം അതിന്റെ ഭാരത്തിനേയും ഭൂമിയിൽനിന്നുള്ള ഉയരത്തിനേയും ആശ്രയിച്ചിരിക്കും. അതായതു് നിശ്ചിതഭാരമുള്ള ഒരു ഉപഗ്രഹം നിശ്ചിത ഉയരത്തിൽ സഞ്ചരിക്കണമെങ്കിൽ അതിനു വേണ്ട വേഗതയും നിശ്ചിതമായിരിക്കും.

അന്തരീക്ഷത്തിന്റെ സാന്ദ്രതയും ഘർഷണവും

ഭൂമിയുടെ അന്തരീക്ഷത്തിനു് ഉയരം ചെല്ലുംതോറും സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞുവരുന്നു. ഏകദേശം 80 കി.മീ. മുതൽ 500 കിലോമീറ്റർ വരെയാണു് അന്തരീക്ഷത്തിന്റെ ഏറ്റവും പുറത്തുള്ള പാളി. ഈ പാളിയിൽ തീരെ ഘനം കുറഞ്ഞ വാതകങ്ങൾ വളരെ കുറഞ്ഞ സാന്ദ്രതയിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. തെർമോസ്ഫിയർ എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഈ പാളിയിൽ വളരെ കുറഞ്ഞ അളവിലാണെങ്കിൽ പോലും ഈ വാതകങ്ങൾ ഘർഷണം ഉളവാക്കുന്നു. അതിവേഗത്തിൽ (സെക്കന്റിൽ 7.8 കി.മീ. അഥവാ മണിക്കൂറിൽ 28,080 കി.മീ.) സഞ്ചരിക്കേണ്ടുന്ന ഉപഗ്രഹങ്ങളെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം ഈ ഘർഷണം ഗണ്യമായ ഒരു തടസ്സമായിരിക്കും. ഘർഷണം മൂലം പ്രവേഗം ക്രമത്തിൽ കുറഞ്ഞുവരികയും അതിനനുസരിച്ച് ഉപഗ്രഹം കൂടുതൽ താഴേക്കു് നീങ്ങുവാനും ഒടുവിൽ ഭൂമിയിൽ പതിക്കുവാനും ഇടയാകും. ഇതിനെ ഭ്രമണാപചയം (orbital decay) എന്നു പറയുന്നു.ഉന്നതി കൂടും തോറും ആവശ്യമായ ചുരുങ്ങിയ വേഗവും വാതകസാന്ദ്രത മൂലമുള്ള ഘർഷണവും കുറച്ചുകൊണ്ടുവരാനാവും. അതിനാൽ, ബഹിരാകാശപര്യവേക്ഷണപേടകങ്ങൾക്കു്, പരമാവധി ഉയരം പ്രാപിക്കാൻ സാധിക്കുന്നതാണു് അഭികാമ്യം.

അതേ സമയം, കൂടുതൽ ഉയരത്തിലേക്കു് ഒരു ഉപഗ്രഹം തൊടുത്തുവിടുന്നതിനു് കൂടുതൽ ഇന്ധനവും മറ്റു ചെലവുകളും വേണ്ടിവരും. കൂടാതെ, ഭൂമിയിൽനിന്നുള്ള ദൂരം കൂടും തോറും, അവയിലെ ഉപകരണങ്ങളുടെ സംവേദനക്ഷമതയും (sensitivity) പ്രവർദ്ധനശക്തിയും (amplification power) കൂടുതൽ വർദ്ധിപ്പിക്കേണ്ടിയും വരും. ഇതിനുപുറമേ, ഉയരത്തിനൊപ്പം, സിഗ്നലുകൾ ഭൂമിയിൽനിന്നും അങ്ങോട്ടും തിരിച്ചും എത്തുവാൻ വേണ്ട സമയതാമസം (latency) വർദ്ധിക്കുകയും അതിനൊപ്പം സിഗ്നലുകൾക്കു് ഉപയോഗിക്കാവുന്ന ബാൻഡ് വിഡ്ത്ത് കുറായുകയും ചെയ്യും.

ഉന്നതിയും വേഗതയും പ്രദക്ഷിണകാലവും

നിശ്ചിത ഉന്നതിയും ഭാരവുമുള്ള ഒരു പേടകം ഒരു തവണ ഭൂമിയെ കറങ്ങിയെത്താൻ എടുക്കുന്ന സമയം അതിന്റെ വേഗത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. ഉപഗ്രഹത്തിന്റെ പ്രവർത്തനധർമ്മം അനുസരിച്ച് ഈസമയത്തിനു് പ്രാധാന്യം ഏറിയെന്നു വരാം. കഴിയുമെങ്കിൽ ഭൂതലത്തിലെ ഏതെങ്കിലും ഒരു സ്ഥാനത്തിനുമുകളിൽ സ്ഥിരമായി നിൽക്കുന്നതാണു് പല ഗവേഷണ-നിരീക്ഷണ-വിനിമയ ആവശ്യങ്ങൾക്കും നല്ലതു്. എന്നാൽ താഴ്ന്ന പഥങ്ങളിൽ ഇതു സാദ്ധ്യമാവില്ല. ഇത്തരം ആവശ്യങ്ങൾക്കു് (ഉദാ: ടെലിവിഷൻ പ്രക്ഷേപണം) താരതമ്യേന വളരെ ഉയർന്ന ഭ്രമണപഥങ്ങൾ (ഭൂസ്ഥിരഭ്രമണപഥങ്ങൾ) വേണ്ടിവരും.

ലോ എർത്ത് ഓർബിറ്റ് (Low Earth Orbit) (LEO)

ഭൂമിയിൽനിന്ന് 160 കി.മീ. മുതൽ 2000 കി.മീ. വരെ ഉയരത്തിൽ പൂർണ്ണവൃത്താകൃതിയിൽ കാണുന്ന ഭ്രമണപഥങ്ങളാണു് ഇവ. ചന്ദ്രനിലേക്കുള്ള അപ്പോളോ പര്യവേക്ഷണങ്ങൾ ഒഴികെ, ഇതുവരെ മനുഷ്യർ ഉൾപ്പെട്ട ബഹിരാകാശവാഹനങ്ങളെല്ലാം ഇത്തരം പഥങ്ങളിലാണു് സഞ്ചരിച്ചിട്ടുള്ളതു്.

ഉന്നതി ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ (160-200 കി.മീ.) ഒരു ഭ്രമണപഥത്തിൽ പേടകത്തിനു് 88 മിനുട്ടുകൊണ്ടു് ഭൂമിയെ ഒരു വട്ടം ചുറ്റിയെത്താനാവും. 2000 കി.മീ. ഉയരത്തിൽ ഈ സമയം 127 മിനുട്ട് ആയി വർദ്ധിക്കും. മനുഷ്യർ ഉൾപ്പെട്ട പേടകങ്ങളിൽ ഇന്നേവരെയുള്ളതിൽ ഏറ്റവും ഉയർന്ന ഉന്നതി കൈവരിച്ചിട്ടുള്ള LEO പേടകം ജെമിനി 11 എന്ന വാഹനമാണു്. 1374.1 കി.മീ. ആയിരുന്നു ജെമിനി 11 ന്റെ അപഭൂ(apogee - ദീർഘവൃത്താകൃതിയിൽ ഉള്ള ഒരു ഭ്രമണപഥത്തിൽ ഭൂമിയിൽ നിന്നും ഏറ്റവും അകലെയുള്ള സ്ഥാനം). തീർച്ചയായും, ചന്ദ്രയാനത്തിനു് അമേരിക്കക്കാർ ഉപയോഗിച്ച അപ്പോളോ പേടകങ്ങൾ ഇതിലും വളരെക്കൂടുതൽ ഉയരം / അകലം പ്രാപിച്ചിട്ടുണ്ടു്.

വാൻ അലെൻ വികിരണവലയം(Van Allen radiation belt)

വാൻ അലെൻ വികിരണവലയം

അന്തരീക്ഷത്തിനു പുറത്തു് 1000 മുതൽ 6000 കി.മീ. വരെ ഉയരത്തിൽ കാണപ്പെടുന്ന അന്തർവലയവും 13000 മുതൽ 60,000കി.മീ. വരെ പരിധിയിൽ കാണുന്ന ബാഹ്യവലയവും ചേർന്ന ഒരു പ്ലാസ്മാകാന്തികമേഖലയാണു് വാൻ അലെൻ വികിരണവലയം. ഉയർന്ന നിരക്കിൽ ചാർജ്ജ് ചെയ്യപ്പെട്ട ഇലൿട്രോണുകളും പ്രോട്ടോണുകളും കൊണ്ടു് നിബിഢമാണ് ഈ മേഖല. ചുരുങ്ങിയ അളവിൽ ആൽഫാ കണികകൾ പോലുള്ള മറ്റു ചാർജ്ജ് കണങ്ങളും ഇവിടെ കാണപ്പെടുന്നു. ഭൂമിയുടെ ബാഹ്യകാന്തികമണ്ഡലത്തിന്റെ (magnetosphere) അകപ്പാളികളിലാണിവ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നതു്. ഏറെക്കുറെ സ്ഥിരമായി കാണപ്പെടുന്ന ഈ രണ്ടു പാളികൾക്കു പുറമേ, വാൻ അലെൻ വികിരണവലയത്തിൽ താൽക്കാലിക ഉപവലയങ്ങളും രൂപപ്പെടുകയും ഇല്ലാതാവുകയും പതിവുണ്ടു്.

ഉപഗ്രഹങ്ങളെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം വാൻ അലെൻ വലയങ്ങൾ ഏറെ ദോഷകരമാണു്. വിലപിടിച്ചതും സൂക്ഷ്മസങ്കീർണ്ണവുമായ ഉപകരണങ്ങൾ ഈ വലയത്തിലെ വൈദ്യുതകാന്തികപ്രഭാവം കൊണ്ടു് തകരാറിലാവാനും ഉപയോഗശൂന്യമായിപ്പോവാനും ഏറെ സാദ്ധ്യതയുണ്ടു്. 3മി.മീ. വരെ കട്ടിയുള്ള അലുമിനിയം കവചങ്ങൾ കൊണ്ടു പൊതിഞ്ഞാണു് ഇത്തരം ഉപകരണങ്ങൾ വാൻ അലെൻ വികിരണങ്ങളിൽ നിന്നു സംരക്ഷിക്കപ്പെടുന്നതു്. അവയിൽപോലും പ്രതിവർഷം 2500 റെം (rem) റേഡിയേഷൻ ഏൽക്കുന്നതായി കണക്കുകൾ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.

വാൻ അലെൻ വികിരണവലയങ്ങൾ അപകടകരമായതിനാൽ, കൃത്രിമോപഗ്രഹങ്ങൾക്കും സഞ്ചാരപേടകങ്ങൾക്കും 1000 മുതൽ 60,000 കി.മീ. വരെയുള്ള മേഖല അഭികാമ്യമല്ല.

മദ്ധ്യോന്നത ഭ്രമണപഥം (Medium earth orbit)

ഭൂസ്ഥാനനിർണ്ണയം (GPS), നാവികസങ്കേതങ്ങൾ, വാർത്താവിനിമയം തുടങ്ങിയ ആവശ്യങ്ങൾക്കു് ഉപയോഗിക്കുന്ന ഉപഗ്രഹങ്ങൾക്കാണു് ഈ ഭ്രമണപഥങ്ങൾ യോജിച്ചതു്. 2,000 കി.മീ. മുതൽ 35,786 കി.മീ. വരെയാണു് ഇവയുടെ ഉന്നതി. പ്രദക്ഷിണസമയം 2 മണിക്കൂർ മുതൽ 24 മണിക്കൂർ വരെയാവാം. ധ്രുവങ്ങൾക്കു മുകളിലൂടെ കടന്നുപോകുന്ന ചില ഉപഗ്രഹങ്ങളും ഇത്തരം ഭ്രമണപഥങ്ങളിലാണുള്ളതു്.

ഭൂസ്ഥിരഭ്രമണപഥം (Geosynchronous Orbit)

ഭൂസ്ഥിരഭ്രമണപഥം - ഉപരിവീക്ഷണം

ഭൂസ്ഥിരഭ്രമണപഥം - പാർശ്വവീക്ഷണം

ഭൂമദ്ധ്യരേഖയ്ക്കു മുകളിലായി സ്ഥാനം പിടിക്കുന്ന ഈ പഥത്തിലുള്ള ഒരു ഉപഗ്രഹം ഏകദേശം 35,786 km മുകളിലായിരിക്കും. ഇത്തരം ഓർബിറ്റിൽ ഭൂമിയെ ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ഒരു ഉപഗ്രഹം, ഭൂമിയുടെ സ്വയംഭ്രമണത്തിന്റെ അതേ വേഗതയിലായിരിക്കും സഞ്ചരിക്കുന്നത്. അതിനാൽ ഭൂമിയിൽനിന്ന് നോക്കുമ്പോൾ ഇത്തരം ഒരു ഉപഗ്രഹം എപ്പോഴും ഒരേ സ്ഥലത്ത് നിൽക്കുന്നതായി തോന്നും

ഭൂസ്ഥിര-സ്ഥാനാന്തരണഭ്രമണപഥം (Geosynchronous Transfer Orbit)

ഗണ്യമായ ആകൃതിവ്യത്യാസമുള്ള പ്രത്യേകതരം പഥങ്ങളാണിവ. GTO എന്ന ചുരുക്കപ്പേരിലറിയപ്പെടുന്നു. ദീർഘവൃത്താകൃതിയിലുള്ള ഈ പഥത്തിന്റെ ഒരു ഫോക്കസ് ബിന്ദുവിലായിരിക്കും ഭൂമി. ഭൂമിയോടടുത്ത ഭാഗം (ഉപഭൂ അഥവാ അനുഭൂ - perigee) ലോ എർത്ത് ഓർബിറ്റ് മേഖലയിലും, ഏറ്റവും അകന്ന ഭാഗം (അപഭൂ) ഭൂസ്ഥിരതയ്ക്കു് ആവശ്യമുള്ള ദൂരത്തിലും (ഏകദേശം 35,786 കി.മീ.) ആയിരിക്കും. ഇത്തരം ഒരു ഓർബിറ്റിന്റെ ഭൂമിയോടടുത്ത ഭാഗത്തെ പെരിജീ (perigee) അകലത്തിലുള്ള ഭാഗത്തെ അപോജീ (apogee) എന്നും വിളിക്കുന്നു. കെപ്ലർ നിയമങ്ങൾ പാലിക്കുന്ന വിധത്തിൽ, അനുഭൂവിൽ ആയിരിക്കുമ്പോൾ ഉപഗ്രഹത്തിന് 9.88 കി.മീ./സെക്കന്റ് എന്ന വേഗതയും അപഭൂവിൽ ആയിരിക്കുമ്പോൾ 1.64 കി.മീ./സെക്കന്റ് എന്ന വേഗതയും ഉണ്ടായിരിക്കും.

അവലംബം

↑ Orbital periods and speeds are calculated using the relations 4π²R³ = T²GM and V²R = GM, where R = radius of orbit in metres, T = orbital period in seconds, V = orbital speed in m/s, G = gravitational constant ≈ 6.673×10⁻¹¹ Nm²/kg², M = mass of Earth ≈ 5.98×10²⁴ kg.
↑ Approximately 8.6 times when the moon is nearest (363 104 km ÷ 42 164 km) to 9.6 times when the moon is farthest (405 696 km ÷ 42 164 km).

[1] Orbital periods and speeds are calculated using the relations 4π²R³ = T²GM and V²R = GM, where R = radius of orbit in metres, T = orbital period in seconds, V = orbital speed in m/s, G = gravitational constant ≈ 6.673×10⁻¹¹ Nm²/kg², M = mass of Earth ≈ 5.98×10²⁴ kg.

[2] Approximately 8.6 times when the moon is nearest (363 104 km ÷ 42 164 km) to 9.6 times when the moon is farthest (405 696 km ÷ 42 164 km).

[a]

[b]