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なぜ落下しない?人工衛星が地球に落ちてこない理由


 人工衛星に関する話をまとめ。<なぜ落下しない?人工衛星が地球に落ちてこない理由>、<現実には人工衛星が地球に落ちてくることがある>、<宇宙ステーションを落とされたくなかったら経済制裁解除を!と脅し>、<スペースXの人工衛星が大量一斉落下!8割にあたる約40機を失う>などをまとめています。

2023/02/24追記:
●スペースXの人工衛星が大量一斉落下!8割にあたる約40機を失う 【NEW】


●なぜ落下しない?人工衛星が地球に落ちてこない理由

2011/4/26:中国だけじゃなかった…スペースデブリ大量発生で事故の問題を起こしていた国で使用した記事に、【最新ハイテク講座】「人工衛星」はなぜ落ちてこないの? ITライフハック 2008年03月08日09時00分というものがありました。言われてみないと考えないでしょうが、聞かれてもちょっと説明に戸惑うでしょうね。かなり不思議なことだと思われます。

 私は過去に「人工衛星は常に動力を使って、位置を保っている」と思っている方に、会ったことがあります。

 この方は文系・理系で分けると理系サイドですが、私が「遠心力と重力が釣り合っているから」「月(地球だってそうですが)はそういう動力はないですよね」といった説明をしたものの、「どうしても腑に落ちない」と納得してもらえませんでした。うまい説明法が載っているんでしょうか?


●人工衛星が落ちない理由はボールを例に考えよう!

 先の記事は「どうして人工衛星は地球に落ちてこないのだろうか?」と最初の方に書いていますが、「人工衛星の技術と歴史」から説明を始めていてそこらへんが長いので、ごっそりカット。

 一番知りたい人工衛星が地球に落下しない理由については、次のようにボールを例に出して説明していました。

<地面に落下する場合>
1.普通にボールを投げる。
2.ボールは地球の重力に引かれてやがて地表に落ちる。

 当然です。しかし、ボールの速度を上げていくと、その挙動は変わってくるのです。

<ボールの速度を上げていった場合>
1.地表に落ちるまでの滞空時間が長くなり、距離も伸びていく。
2.ボールの初速度をある速度まで上げると、地球はおおむね球体なので、ボールは手を離れた位置に戻ってくる。(おそらく地球を1周して戻ってくるという意味)
3.さらに跳び続けて地球を周回するようになる。

 上記で出てきた「ある速度」とは「第一宇宙速度」と呼ばれるもの。およそ7.91km/sだとわかっています。この速度以上だと、ボールに与えられたスピードによって発生した遠心力が、地球の引力と釣り合った状態となり、地表に落ちてこなくなるわけです。

 記事では、この後式がごちゃごちゃ出てきますが、そこらへんも面倒くさいのでぶっ飛ばします。とりあえず、第一宇宙速度より速ければなんでも良いかというとそうでもなく、「第二宇宙速度」「脱出速度」と呼ばれる約11.2km/sを超えると、地球の重力圏を脱出して、太陽のまわりをまわる人工衛星となってしまうとのことです。


●現実には人工衛星が地球に落ちてくることがある

 しかし、先の第一宇宙速度を保持していれば地球に落下することはないという話は、飽くまで「理論上」であるようで、実際には「地球への落下の危険性」があるといいます。私は全然これを考慮していませんでしたので、どうも私の考えは足りなかったようです。

 というのも、高度の低い人工衛星の場合には、上層の大気の影響による摩擦抵抗の影響を受け、周回速度が低下する問題が発生してしまうとのこと。このケースで速度が低下すると衛星の高度は徐々に下がり、最終的には地球に落下してしまうというわけです。

 対策としては、通常、スラスター(推進システム)などで推力を加えて、衛星の軌道を元の高度に戻すようにしているとのこと。中国だけじゃなかった…スペースデブリ大量発生で事故の問題を起こしていた国において、スペースデブリをよけるなんて話もあったのでわかる通り、ある程度動くことができるのです。

 これらを考えると最初に紹介した「人工衛星が動力を使っているから落ちてこない」という考えは、あながち間違いじゃありませんね。よく考えると、「人工衛星が落ちる」という話も、一方であるんですから当たり前かもしれません。勉強になりました。


●当然、人工衛星を永遠に制御し続けることは不可能

 ところで、このスラスター(推進システム)には、当然、燃料が必要になります。すると、いつかは燃料を使い切ってしまうのは間違いないわけで、落下は免れない運命です。加えて、装置の故障などにで制御不能となった場合にも、やっぱり当然落下するおそれがあります。

 で、次がやっと一番書きたかった宇宙ゴミ(スペースデブリ)問題の話…のはずでしたが、下書きしたあとお風呂に入っていて思い出したことがありました! 最初に地球に落下してこない例として書いた月の場合は、むしろ「地球から徐々に遠ざかっている」のです。

 こちらはなぜ逆なのかな?と思うと気になって仕方なくなってしまったので、月の話を間に挟みます。こでは、月が地球から遠ざかる理由 逆に言えば昔はもっと近い距離にあった?で書きました。なかなか宇宙ゴミ(スペースデブリ)問題の話にたどりつきませんね…。


●宇宙ステーションを落とされたくなかったら経済制裁解除を!と脅し

2022/03/28追記:制裁でISS落下の恐れ ロシア国営宇宙開発企業 :AFPBB News(2022年3月12日 19:21)という記事が出ていました。ただ、理由は特殊。ロシアが2度目のウクライナ侵攻を行ったせいで、欧米諸国から事前の予想を超える厳しい経済制裁が課されており、これにこじつけたものでした。

<ロシア国営宇宙開発企業ロスコスモス(Roscosmos)のドミトリー・ロゴジン(Dmitry Rogozin)社長は12日、国際宇宙ステーション(ISS)に向かう同国の補給船の運用が西側諸国の制裁で阻害されれば、ISSが落下する恐れがあると警告し、制裁の解除を求めた。
 制裁の一部はロシアのウクライナ侵攻以前からのものだが、ロゴジン氏は、そうした制裁措置によって、ロシアのISS補給船の運用に支障が出る恐れがあり、その結果、ISSの軌道修正を担うロシア区画が影響を受け、500トン近いISSが海か地上に落下しかねないと述べている>

 国際宇宙ステーション(ISS)が落下するのが問題…というのはわかるのですが、ロシアがやっている侵略行為は一切反省しておらず身勝手。私が見た他のロシア人の主張も「ロシアの非は認めず100%ロシアが被害者」というスタンスでした。太平洋戦争を正当化する日本人もこんな主張ですよね。これでは理解を得られません。

 さらに、ロスコスモス社長は、ISSの予想落下地点を表す地図を公開し、ロシアに落下する可能性は低いとする一方で、「しかし、他国の国民、特に『戦争の犬』に率いられた国民は、ロスコスモスに対する制裁の代償について考えるべきだ」と主張。ISSがお前の国に落ちるぞ!と脅迫しているようです。


●スペースXの人工衛星が大量一斉落下!8割にあたる約40機を失う

2023/02/24追記:イーロン・マスクさん率いるスペースXの人工衛星が以前大量落下した…と今頃知りました。検索してみると、<スペースX、打ち上げ直後のスターリンク衛星約40機を失う。原因は地磁気嵐>(sorae.jp / 2022年2月16日 17時10分)のことを言っているのかもしれません。

<スペースXは現地時間2月8日、その5日前に打ち上げられた同社のスターリンク衛星49機のうち、最大40機が大気圏に再突入して失われる見込みであることを明らかにしました。(中略)同社によると、原因は太陽活動によって引き起こされた地磁気嵐とされています>
<打ち上げそのものは順調に進み、49機の衛星群は高度約210kmの地球低軌道に投入されました。スターリンク衛星は高度約550kmの軌道で運用されているため、通常であれば、この高度を目指して軌道を上昇させていくことになります>
https://news.infoseek.co.jp/article/sorae_86151/

 ところが、当時の地球では地磁気嵐が発生。地磁気嵐は様々な影響を引き起こし、そのひとつが「大気の膨張」です。高度約210kmは「宇宙」との定義するケースが多いものの、高度80~500km付近は熱圏、高度500~1万km付近は外気圏と呼ばれる地球の大気圏の一部で、希薄ながらも大気が存在し、大気の影響を受けるそうです。

<希薄といえども大気が存在するわけですから、地球低軌道を飛行する人工衛星は抵抗を受けます。大気から抵抗を受ける人工衛星は少しずつ減速し、高度が徐々に下がっていきます。そのうえ、太陽フレアや地磁気嵐が生じると、地球の大気は加熱されて膨張します。すると、地球低軌道でも大気密度が上昇するため、人工衛星は大気からより強い抵抗を受けるようになってしまうのです>

 打ち上げ直後のスターリンク衛星が投入されたは高度210kmという比較的低い軌道だったため、磁気嵐の影響をより強く受けた模様。過去の打ち上げ時と比べて最大50パーセント強い大気抵抗を受けたとされていました。投入箇所を低くすれば燃料が節約できそうですが、ひょっとしたら計画の時点で無理があったのかもしれません。

 なお、スペースXは発表において、スターリンク衛星は大気圏再突入時に消滅するよう設計されており、このことは衛星の部品が地上に落下しないことを意味すると言及していたとのこと。地上に被害を与えず、スペースデブリ・宇宙ごみの問題も発生しないことを強調したかった感じです。


【本文中でリンクした投稿】
  ■中国だけじゃなかった…スペースデブリ大量発生で事故の問題を起こしていた国
  ■月が地球から遠ざかる理由 逆に言えば昔はもっと近い距離にあった?

【関連投稿】
  ■スペースデブリ問題は日本にチャンス?JAXAが除去用のロボット衛星を開発
  ■科学・疑似科学についての投稿まとめ

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