Was? Warum sind Satelliten für die Morgen- und Nachmittagsschicht eingeplant?

Am 3. August wurde unser Satellit Fengyun-3-06 erfolgreich ins All gestartet. In vielen entsprechenden Nachrichtenberichten wird er als „sonnensynchroner Morgenumlaufsatellit“ bezeichnet. Was bedeutet es, einen Satelliten in der Morgenumlaufbahn zu haben? Gibt es Nachmittags-Satelliten, Abend-Satelliten usw.?

Diese beziehen sich eigentlich hauptsächlich auf die Umlaufbahn und Funktion des Satelliten. Lassen Sie uns heute kurz darüber sprechen.

Was ist der Unterschied zwischen Vormittag und Nachmittag?

Satellite hat Frühschicht

Da es sich bei dem diesmal gestarteten Satelliten um einen Wettersatelliten handelt, nehmen wir den Wettersatelliten als Beispiel. Entsprechend den Betriebseigenschaften von Wettersatelliten gibt es im Allgemeinen zwei Arten von Umlaufbahnen: die geostationäre Umlaufbahn und die nahezu polare sonnensynchrone Umlaufbahn, auch polare Umlaufbahn genannt.

Wir sind am meisten um unser eigenes Wetter besorgt und brauchen einen Satelliten, um China jederzeit im Auge zu behalten. Vom Boden aus gesehen schwebt dieser Satellit also immer bewegungslos über uns. Wir wissen auch, dass sich die Erde dreht, sodass sich dieser Satellit, der über unserem Land „stationär“ ist, tatsächlich synchron mit der Rotationsperiode der Erde dreht. Die Fengyun-Satelliten mit der doppelten Nummer (wie Nr. 2 und Nr. 4) sind allesamt geostationäre Satelliten dieses Typs. Ihre Satellitenwolkenbilder zeigen immer die Seite der Erde, auf der China liegt.

Wir sind alle eine Welt und das Wetter in China ist nicht isoliert, deshalb brauchen wir auch polarumlaufende Satelliten, um die Welt zu scannen. Polarumlaufende Satelliten pendeln zwischen dem Nord- und dem Südpol und können nicht nur die andere Seite der Erde sehen, sondern gleichen auch den Mangel aus, dass geostationäre Satelliten die Pole nicht beobachten können.

Die polare Umlaufbahn, in der sich Wettersatelliten befinden, wird als „nahezu polare sonnensynchrone Umlaufbahn“ bezeichnet. Dies bedeutet, dass der Winkel zwischen der Umlaufbahn des Satelliten und der Tag-Nacht-Grenze immer fest ist, unabhängig davon, in welche Richtung sich die Erde zur Sonne dreht. Auf diese Weise befindet sich der Boden unter dem Satelliten jedes Mal am selben Zeitpunkt und der Beleuchtungswinkel ist immer derselbe, wenn er sich auf die Tagesseite bewegt, wodurch die Konsistenz der Beobachtungsdaten sichergestellt werden kann. Unsere Fengyun-Satelliten (Nr. 1 und Nr. 3) sind allesamt solche nahezu polaren, sonnensynchronen Umlaufbahnsatelliten.

Eine sonnensynchrone polare Umlaufbahn vom Nordpol aus gesehen, „von unten schauend“. Bildquelle: Autor

Warum gibt es also „Morgensterne“ und „Nachmittagssterne“? Denn das Wetter hängt oft eng mit dem Vormittag und Nachmittag zusammen.

Um ein praktisches Beispiel zu nennen: Die Wolken auf dem Qinghai-Tibet-Plateau machen oft Feierabend wie die Menschen: Sie verdunsten morgens vom Boden, bilden mittags dicke Wolken und fallen dann am Nachmittag und Abend wieder zu Boden. Sogar in den Great Plains werden Sie feststellen, dass schweres konvektives Wetter normalerweise am Nachmittag oder Abend auftritt und selten am Morgen oder Vormittag. Daher werden polarumlaufende Wettersatelliten in Morgensatelliten und Nachmittagssatelliten unterteilt, mit denen Wetterphänomene in unterschiedlichen Zeiträumen am Morgen und Nachmittag beobachtet werden können. Wenn ein Morgenstern auf der Tagseite der Erde erscheint, ist der Bereich direkt darunter immer lokaler Morgen, und der Nachmittagsstern befindet sich am Nachmittag.
Der chinesische Satellit Fengyun-3E ist etwas Besonderes. Es handelt sich um den weltweit ersten zivilen „Morgen- und Abendstern“, auch „Morgenstern“ genannt. Er umkreist die Erde oberhalb der Tag-Nacht-Grenze (auch Morgen-Abend-Grenze genannt) und füllt damit die Lücke, die internationale zivile Wettersatelliten haben, die nur über Morgen- und Nachmittagsumlaufbahnen verfügen. Darüber hinaus verläuft seine Umlaufbahn immer in Richtung Sonne. Neben der Beobachtung der Erde kann es auch kontinuierlich das Sonnenwetter beobachten, was für die Überwachung und Frühwarnung von Sonnenaktivitäten wie Flares und Koronalöchern von großer Bedeutung ist.

Welche Spur Sie wählen, hängt von der Funktion ab

Nach der Lektüre dürfte jedem klar sein, dass die orbitale Stationierung von Satelliten ihren Funktionen entsprechen muss.

Das stimmt. Beispielsweise operiert der chinesische Sonnenbeobachtungssatellit Xihe in einer sonnensynchronen Umlaufbahn über der Terminatorlinie (ähnlich einer meteorologischen Terminatorlinie), um kontinuierliche Forschungen zur Dynamik der Sonnenatmosphäre durchzuführen. Um Störungen durch Infrarotstrahlen zu vermeiden, schwebt das US-Weltraumteleskop Webb am zweiten Lagrange-Punkt, entfernt von Sonne und Erde. Es verfügt außerdem über einen fünfschichtigen Sonnenschutz in der Größe eines Tennisplatzes, der die Strahlung von Sonne und Erde abhält.

Nehmen Sie zum Beispiel die Raumstation. Lassen Sie uns gemeinsam darüber nachdenken. Wenn wir aufgefordert würden, die Umlaufbahn der Raumstation zu entwerfen, wo sollten wir sie platzieren? Wir müssen berücksichtigen, dass die Raumstation ein Ort ist, an dem Menschen leben, sodass die Weltraumbedingungen um sie herum keine zu starke ionisierende Strahlung aufweisen dürfen. Normalerweise bleiben wir auf dem Boden, geschützt durch das Magnetfeld und die Atmosphäre der Erde, und haben immer das Gefühl, dass der Weltraum einfach nur trostlos ist. Bei Außenbordaktivitäten ist lediglich das Warmhalten und Aufrechterhalten des Drucks erforderlich.

Tatsächlich gibt es in einer Höhe von 640 bis 58.000 Kilometern über der Erde einen Kreis des Van-Allen-Strahlungsgürtels. Es ist mit hochenergetischen geladenen Teilchen gefüllt, die von der Magnetosphäre der Erde eingefangen wurden, und jedes Teilchen ist voller Bosheit. Daher muss die Umlaufbahn der Raumstation dieses Gebiet meiden. Die Flughöhen der chinesischen Raumstation und der internationalen Raumstation betragen nur etwa 400 Kilometer, was der Luftlinienentfernung von Xi'an nach Zhengzhou entspricht.

Der Bereich, in dem sich Menschen mittel- bis langfristig im Weltraum aufhalten können.

Aus dem Querschnitt des Van-Allen-Strahlungsgürtels ist außerdem ersichtlich, dass sich der Strahlungsgürtel in den hohen Breitengraden der Erde näher am Boden befindet. Wir alle wissen, dass das Polarlicht durch den Sonnenwind entsteht, der die Erdatmosphäre bombardiert. Da die Weltraumbedingungen in der Nähe der Erdpole sehr schlecht sind, muss die Raumstation nicht nur eine niedrige Höhe, sondern auch eine niedrige geografische Breite haben. Die chinesische Raumstation ist nur zwischen dem 42. nördlichen und südlichen Breitengrad in Betrieb. Da die Internationale Raumstation Menschen und Fracht vom russischen Startplatz Baikonur transportieren muss, muss sie einen größeren Neigungswinkel von 52° wählen.

Ein weiteres Beispiel sind Navigationssatelliten wie BeiDou und GPS. Für die Positionsbestimmung und Navigation rund um die Welt, einschließlich der Pole, müssen wir jederzeit mindestens drei oder vier Satelliten sehen können. Die meisten von ihnen müssen sich also bewegen, können aber nicht wie die Raumstation in Bodennähe fliegen. Ihr idealer Standort liegt in der „mittleren Erdumlaufbahn“ etwa 20.000 Kilometer über dem Boden.

Die Funktion des Satelliten und die Weltraumumgebung bestimmen, wie er fliegt. Wenn wir diese Idee erweitern, können wir auch die scheinbar seltsamen Umlaufbahnen einiger Weltraumsonden verstehen, die zu anderen Planeten geschickt werden. Beispielsweise führt die Raumsonde Juno Atmosphärenforschung in der Nähe des Jupiters durch. Wenn es die Atmosphäre untersuchen will, sollte es logischerweise einfach nah an der Oberfläche des Jupiters vorbeifliegen. Aber Junos Umlaufbahn ist tatsächlich eine sehr flache Ellipse. In der Nähe ist er nur 4.200 Kilometer von der Oberfläche des Jupiters entfernt, in der Ferne fliegt er jedoch bis zu 8 Millionen Kilometer weit weg. Warum? Da Jupiter eine extrem starke und furchterregende Magnetosphäre hat, werden Sie sterben, wenn Sie sich längere Zeit darin aufhalten. Daher kann Juno nur diese „Touch and Run“-Strategie anwenden: Jedes Mal fliegt es schnell, entkommt dann schnell in weite Ferne an einen sicheren Ort, sammelt langsam die Daten und sendet sie zurück zur Erde.

Die extrem langgestreckte Umlaufbahn der Raumsonde Juno um Jupiter.

Satellitenumlaufbahnen, also unterscheiden

Wie wir zu Beginn des Artikels sagten, sind Wettersatelliten in zwei Umlaufbahnen unterteilt: die geostationäre Umlaufbahn und die polare Umlaufbahn. Lassen Sie uns jetzt eine kleine Fertigkeit erlernen: Wenn wir ein Wolkenbild sehen, wie können wir dann erkennen, aus welcher Umlaufbahn eines Wettersatelliten es aufgenommen wurde?

Keine Sorge, es gibt keine Formeln oder Theoreme und Sie müssen keinen Taschenrechner verwenden. Sie müssen lediglich das Sichtfeld betrachten und die Höhe bestimmen.

Beispielsweise die globale Wolkenkarte unten. Wir wissen, dass sich Satelliten in geostationären Umlaufbahnen synchron mit der Erde drehen und dass auf den Bildern über China nur die chinesische Hemisphäre zu sehen ist. Da die gesamte Welt sichtbar ist, kann es sich nicht um das Werk von Satelliten in geostationären Umlaufbahnen handeln, sondern um ein Mosaik aus Bildern, die von polaren Satelliten während ihrer Vorbeiflüge aufgenommen wurden. Tatsächlich können wir über dem Ozean besonders deutliche und regelmäßige „Scanning“-Spuren (unscharfe parallele weiße Markierungen) erkennen. Dabei handelt es sich um Reflexionen der Meeresoberfläche, die von polarumlaufenden Satelliten beim Überfliegen des Ozeans erfasst werden.

Globale Wolkenkarte, aufgenommen von Fengyun-3D.

Ein weiteres Beispiel ist die Wolkenkarte der Erde unten. Die Umlaufbahn eines geostationären Satelliten ist extrem hoch (etwa 36.000 Kilometer über dem Boden) und von seiner Position aus kann man eine Kugel sehen, die ungefähr 1/3 der gesamten Erde ausmacht, auch als „Scheibendiagramm“ bekannt. Im Gegensatz dazu können Satelliten in polaren Umlaufbahnen nur einen winzigen Streifen der Erde sehen.

Wolkenkarte der Asien-Pazifik-Region, aufgenommen von Fengyun-4A.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn Sie eine Kugel sehen, wurde diese von einem geostationären Satelliten aufgenommen. Wenn es wie eine Weltkarte aussieht, die an der Wand hängt, wurde es von einem Polarsatelliten aufgenommen!

Autor: Qu Jiong, populärwissenschaftlicher Autor

Rezension von Yang Lei, stellvertretender Chefingenieur von Fengyun-4, Nationales Satellitenmeteorologisches Zentrum