Fyzika svrchní atmosféry a její výzkum pomocí umělých družic (01) Aleš Bezděk, Astronomický ústav AV ČR http://www.asu.cas.cz/~bezdek/prednasky/ Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 1
Atmosféra Země Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 2
Termosféra 800 Průběh teploty s výškou v termosféře 1 Průběh hustoty atmosféry s výškou (model MSISE90) 700 600 Fáze slunečního cyklu, lok. čas minimum, noc průměrná atmosféra maximum, den 0.1 0.01 0.001 0.0001 výška > 30 km... 1 % hmoty atmosféry " 80 km... 10-3 " (Houghton: The Physics of Atmospheres, 1986) výška (km) 500 400 300 exosféra vyšší termosféra hustota (kg.m -3 ) 1E-005 1E-006 1E-007 1E-008 1E-009 Fáze slunečního cyklu, lok. čas minimum, noc průměrná atmosféra maximum, den 200 100 nižší termosféra 1E-010 1E-011 1E-012 1E-013 0 1E-014-100 100 300 500 700 900 1100 teplota ( C) 1E-015 0 100 200 300 400 500 600 700 800 výška (km) pohlcování slunečního UV záření hustota termosféry: závislost na cyklu sluneční aktivity, denní době, geomagnetické aktivitě ad. blízkozemní družice (LEO, low Earth orbit = na nízkých oběžných drahách): výšky pod 1000 2000 km působení odporu zbytkové atmosféry Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 3
Působení atmosféry na umělé družice Postupné snižování výšky nad Zemí během letu družice Castor oběhy Castoru po 264 dnech povrch Země 1300 1200 1100 Výška v perigeu a apogeu družice Castor (1975-039B) data: denní průměry teorie STOAG 1000 apogeum perigeum výška nad zemí (km) 900 800 700 600 500 0.1 1 1E+1 a D / a DSRP 400 1E+2 první oběh (29/6/1975): hp=273 km, ha=1265 km 300 200 1E+3 posl. oběh (8/2/1979): hp=204 km, ha=343 km 100 29-Jun-75 28-Dec-75 27-Jun-76 26-Dec-76 26-Jun-77 25-Dec-77 25-Jun-78 24-Dec-78 hustota termosféry určuje rychlost postupného snižování výšky družice termosféra je vysoce komplexní prostředí průměrná chyba modelů hustoty termosféry 15 % zdroj největší nepřesnosti při teoretickém popisu pohybu blízkozemních družic pro krátkodobé předpovědi lze nepřesnost snížit využitím kalibračních družic dlouhodobý vývoj dráhových elementů a životnost družic jsou zatíženy nejistotou Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 4
Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 5
Projekt Castor/Cactus Družice CASTOR kvazisférický tvar, průměr 74 cm, hmotnost 77,5 kg počáteční dráha: perigeum 270 km, apogeum 1270 km, sklon 30 doba letu: 6/1975-2/1979 mikroakcelerometr CACTUS Capteur Accelerometrique Capacitif Triaxial Ultra Sensible = tříosý kapacitní ultracitlivý akcelerometr měřicí těleso - malá kulička přístroj měřil každých 2,68 s celkem 16,3 mil. měření Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 6
Měření negravitačních sil akcelerometrem rovnice akcelerometru v rovnovážném stavu: a U =a E +a P a U... zrychlení měřené jako napětí na elektrodách a E... výslednice působících povrchových sil a P... výslednice parazitických sil a E = a D + a DRSP + a ALB + a IR a D... brzdění atmosférou a DRSP... tlak přímého slunečního záření a ALB... krátkovlnné odražené sluneční záření a IR... dlouhovlnné tepelné záření Země Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 7
Negravitační síly (povrchové síly) působící na nízkoletící družice Měření akcelerometru Cactus během dvou obletů družice Castor okolo Země (18/6/1976) 1E-005 1E-006 odpor atmosféry je dominantní měření akcelerometru celkové modelové odpor atmosféry přímé sluneční záření odražené sluneční záření tepelné záření Země zrychlení (m.s -2 ) 1E-007 1E-008 vstup do stínu Země výstup ze stínu záření dominantní 1E-009 lok. čas (hod) výška (km) 24 18 12 6 0 1020 770 520 270 půlnoc perigeum poledne apogeum 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 čas (s) Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 8
Srovnání s reálnými daty blízkozemních družic Velké výšky: Starlette (1975-010A) Start 7. října 1983, modelované období 18,4 roku, d=0,24 m, m=47,3 kg, rozsah výšek 800-1110 km. Dlouhodobý vývoj elementů družice Starlette: velká poloosa 7335.3 velká poloosa (km) 7335.2 7335.1 7335.0 7334.9 7334.8 data: střední elementy teorie: C D =2,1 teorie: C D =2,55 nejlepší fit teorie: C D =3 1984 1988 1992 1996 2000 datum Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 9
Srovnání s reálnými daty blízkozemních družic Střední výšky: Castor (1975-039B) Start 20. července 1975, životnost 3,7 roku, d=0,75 m, m=77,5 kg, počáteční výška v perigeu a apogeu hp=273 km, ha=1270 km. Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 10
Srovnání s reálnými daty blízkozemních družic Družice s nízkou excentricitou : GFZ-1 (1995-020A) Start 20. dubna 1995, životnost 4,2 roku, d=0,215 m, m=20,63 kg, počáteční výška v perigeu a apogeu hp~ha~390 km. Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 11
Srovnání s reálnými daty blízkozemních družic Velmi nízké výšky: Cannonball 2 (1971-067C) Start 7. srpna 1971, životnost 0,49 roku, d=0,65 m, m=364 kg, počáteční výška v perigeu a apogeu hp=130 km, ha=1900 km, C D =1.68 (režim nadzvukového spojitého toku). Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 12
Online výpočet teorií STOAG na Internetu Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 13
Projekt Mimosa/Macek Družice MIMOSA MIcroMEasurements Of Satellite Accelerations = mikroměření družicových zrychlení kvazisférický tvar, průměr 60 cm, hmotnost 66 kg vypuštění: 30. června 2003, ruský kosmodrom Pleseck poč. dráha: perigeum 320 km, apogeum 840 km, sklon 96,8 vysoce citlivý akcelerometr MACEK měření negravitačních sil (10-9 -10-4 m.s -2 ) měřicí těleso je malá krychlička úspěšně testován na palubě ruské družice Resurs F1 (1992) a raketoplánu Atlantis (1996) Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 14
Aplikace teorie STOAG na projekt Mimosa Vybrané kapitoly z astrofyziky, AÚ UK, ZS 2005/2006 15