Bu yazımızda uyduların yörüngelerinde sapmaya neden olan etkilerden kısaca bahsetmeye çalışacağım.
Hatırlarsanız geçtiğimiz aylarda “J2 Etkisi” başlıklı yazımızda dünyanın basık küre olmasın nedeniyle uyduların yörüngelerini değiştirdiğinden bahsetmiş, “Sun Synchronous Orbit” başlıklı yazımızda da bu etkiyi bazı uyduların nasıl avantaja çevirdiğini paylaşmıştık.
Hatta J2 Etkisi başlıklı yazımızda uyduların yörüngesinde sapmaya neden olan başka kuvvetler de olduğundan bahsetmiş ama bunların neler olduğuna hiç değinmemiştim. İşte bu yazımızda uyduların yörüngelerini etkileyen irili ufaklı tüm kuvvetlerden bahsetmeye çalışacağım.
Uyduların hesaplanan yörüngeleri (calculated orbit) ile gerçek yörüngeleri (real orbit) hiç bir zaman aynı olmaz. Çünkü bir uydunun yörüngesindeki sapmalara (perturbation) neden olan kuvvetleri tam olarak hesaplamak imkansızdır. Fakat bu sapmalara neden olan en büyük kuvvetleri tespit ederek gerçeğe en yakın bir yörüngeyi tespit etmek mümkündür.
Fakat dilerseniz bir uydunun yörüngesinde sapmaya neden olan kuvvetler neler onlara bir kısaca gözatalım.
n-body perturbation (Üç veya daha fazla cismin neden olduğu sapmalar)
“Newton’un Evrensel Kütle Çekim Yasası” başlıklı yazımızdan hatırlayacağınız üzere iki cisim (dünya ve uydu) arasındaki kuvvetler uydunun yörüngesini belirleyen en temel unsurların başında geliyor. Dünyanın kütlesi uydulara göre çok çok daha yüksek olduğu için dünya sabit kabul edilerek uyduların dünyanın etrafındaki teorik yörüngesi (sapmalar dahil edilmeden) kolayca hesaplanabiliyor. (Bu duruma “Classical central-force problem” ya da “one-body problem” deniyor.)
Fakat gerçekte dünyanın dışında da uydular üzerinde ciddi miktarda çekim kuvveti uygulayan başka gök cisimleri daha var. Bunların en önemlileri de ay ve güneş:
Hatta güneş sistemindeki dünyamıza yakın gezegenleri (Merkür, Venüs ve Mars) ve hatta kütlelerinin büyüklüğü nedeniyle Jupiter’i ve Saturn’ü de sayarsak çok sayıda gezegen ve uydusu dünyanın çevresindeki uydular üzerinde dünyaya göre çok daha az da olsa ekstra bir yer çekimi kuvveti uyguluyor. (Bu konu hakkında daha detaylı bilgi içim “n-body problem” başlıklı yazımıza göz atabilirsiniz. )
İşte iki kütle (dünya ve uydu) arasındaki kuvvetler dışında üçüncü bir kütlenin (güneş veya ay) sebep olduğu düzensizliğe ya da sapmaya “Third-body perturbation” deniyor.
Güneş sistemimizde çok sayıda irili ufaklı kütle (gezegenler, uyduları, astroidler, göktaşları, vs.) olduğu için özellikle dünyaya yakın olan ve kütlesi büyük olanların hepsinin kuvvetleri birleşince, uyduların yörüngelerinde ciddi sapmalara neden olabiliyorlar.
Non-spherical gravity (Yeryüzünün şekli nedeniyle oluşan yer çekimi)
Uyduların yörüngelerinde sapmaya neden olan faktörlerden bir tanesi de dünyanın tam küre olmayan şekli. Bu arada J2 Etkisi başlıklı yazımızda açıkladığımız basık küre olayından bahsetmiyorum, basık küre olayı zaten başlı başına bir sapma etkisi yaratıyor. Burada bahsettiğimiz ise dünyamızın gerçekte bir küre olmaması 🙂
Dünyamız her ne kadar uzaktan küreymiş gibi gözükse de yukarıdaki görselde olduğu gibi okyanusları ve gölleri kaldırıp çukurları ve dağları ayrı renklendirdiğimizde, girintili ve çıkıntılı yuvarlakımsı bir kütle olduğu açıkça gözüküyor.
Dünyanın kütlesi yüzeyinde eşit dağılmadığı için de yer çekimi her noktasında aynı olmuyor. Bu da uyduların yörüngeleri üzerinde ayrıca sapmalara neden oluyor.
Solar radiation (Solar radrasyonu)
Uyduların yörüngelerinde sapmaya neden olan diğer bir etmen yine güneş ama bu sefer kütlesinin neden olduğu yer çekimi değil, bizi ısıtan ve ışık veren solar radyasyonu nedeniyle.
Şöyle ki güneş ışınları direkt uydu üzerinde solar bir basınç uyguluyor ve bu da yörüngede sapmaya neden oluyor.
Fakat ayrıca bir de aynı ışınlar dünyadan yansıyarak (özellikle bulutlardan ve buzlu/karlı yüzeylerden bolca) farklı açıdan uydunun yörüngesinde sapmaya neden oluyor. Dünyadan yansıyan bu ışımaya da Albedo ismi veriliyor.
Son olarak yine bir de güneş dünyamızı ısıtarak, dünyamızdan uzaya doğru ışıma (IR) yaparak yine uyduların yörüngelerinde sapmalara neden oluyor.
Not: Uyduların solar panellerinin açısının biraz değişmesi bile solar basıncın uydu üzerinde yaptığı kuvvetlerde değişime neden oluyor. Hatta yakıtı biten bazı uyduların panellerinin açısı değiştirilerek yörünge değişimi yapılabiliyor.
Atmospheric drag (Hava sürtünmesi)
Hatırlarsanız bu konudan “Yörünge Tipleri – LEO” başlıklı yazımızda bahsetmiştik. Şöyle ki dünyanın atmosfer tabakası dünyadan 190 bin kilometre uzağa kadar gidiyor. Lakin 700 km üzerinde (yani Exosphere’de) hava molekülleri çok çok az olduğu için uydular üzerinde ciddi bir sapmaya neden olmuyor.
Fakat 200 km. ile 700 km. arasındaki uydularda hava moleküllerinin sebep olduğu sürtünme uyduların yörüngeleri üzerinde ciddi bir sapmaya neden oluyor. Öyle ki bu uydular bu sürtünme nedeniyle eninde sonunda dünyaya düşüyorlar.
Buna en güzel örnek de Çinlilerin ilk uzay istasyonunun prototipi olan Tiangong-1‘in aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi kontrolsüz bir şekilde dünyaya düşüşü.
Özetle bir uydu dünyaya ne kadar yakınsa hava moleküllerinin neden olduğu sürtünme uydunun yörüngesinde o kadar çok sapmaya neden oluyor.
Earth Tides (Gelgit)
Dünyanın çevresindeki uyduların yörüngesinde sapmaya neden olan diğer faktörülerden bir tanesi yine dünyanın şekli ile ilgili. Daha doğrusu gelgitler nedeniyle okyanusların kabarması ve çekilmesi sonucu dünyanın kütle merkezinin değişkenlik göstermesi.
Bildiğiniz gibi ayın dünyaya yakın olduğu noktada yer çekimi kuvveti nedeniyle sular kabarıyor. Bu da aynı J2 Etkisinde olduğu gibi dünyanın şeklinde ve kütle ağırlık merkezinde geçici bir değişikliğe neden oluyor.
Bu arada gelgitlerin sadece ay kaynaklı olduğunu düşünmeyin. Güneşimiz de gelgitlere neden oluyor. Hatta ay ve güneş aynı hizada olduklarında kabarmanın etkisi artıyor.
Bu arada gelgitlerin sadece suları kabarttığını a düşünmeyin. Güneşin ve ayın kıtalar üzerinde de gelgite neden oluyor. Yani kara parçaları 40 cm’e kadar yükselebiliyor. Buna da “Solid Earth Tides” deniyor.
Earth’s Magnetic Field (Dünyanın Manyetik Alanı)
Dünyayı diğer gezegenlere göre yaşanabilir yapan en önemli faktörlerden bir tanesi dünyayı saran manyetik kalkanımız. Bu kalkan sayesinde güneş fırtınaları ve kozmik radyasyon dünyaya etkileri çok azalarak çarpabiliyor.
Fakat bizi koruyan bu manyetik kalkanımız aynı zamanda uyduların yörüngelerinde sapmaya neden oluyor manyetik bir çekim kuvveti uyguladıkları için. Aynı pusulanın iğnesinin kuzeyi göstermesi, ya da suda yüzen bir mantara saplanmış toplu iğnenin kuzey/güney gönünde hizalanması gibi.
Uyduların yörüngelerinde sapmalara neden olan başka ufak tefek etmenler daha var. Fakat yukarıda paylaştıklarım en temel olan ve hesaplamalarda dikkate alınanlardan.
Zaten fikir vermesi açısından “Yörünge Tipleri – MEO” başlıklı yazımızda bahsettiğimiz GPS uydularına yukarıdaki etmenlerin bir günde ne kadarlık sapma yaptığına aşağıdaki tablodan göz atabilirsiniz.
Dikkat ettiyseniz sadece ilk madde (Non-sphericity: oblateness) yani J2 Etkisi tek başına bir günde 10.000 metrelik sapmaya neden oluyor. Dünyanın bozuk şekli (Non-sphericity: other) ise 200 metre. Diğer önemli bir sapma kaynağı da ayımız da (Moon) 3 bin metrelik sapmaya neden oluyor bir günde.
GPS uydularının kendi itiş sistemleri olduğu için elbette bu sapmalardan kaynaklanan yörünge değişikliklerini düzeltebiliyorlar.
Bir yazının devamı : Basitleştirilmiş Sapma Modelleri
Kaynaklar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Orbit_modeling
https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_of_Earth
https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_acceleration
https://en.wikipedia.org/wiki/Earth_tide
https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field
https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_decay
https://www.wikiwand.com/en/Perturbation_(astronomy)
http://clmtpr.blogspot.com/2015/02/satellite-dependent-errors-in-gps.html
Uzay Teknesi 
“Uyduların Yörüngelerinde Sapmaya Neden Olan Etmenler” için 4 yorum