何？衛星はなぜ午前と午後のシフトでスケジュールされているのですか?

8月3日、当社の風雲3号6号衛星が宇宙に打ち上げられました。多くの関連ニュースでは「太陽同期早朝軌道衛星」と呼ばれているのを目にすることがあるかもしれません。衛星が「朝」の軌道にあるというのはどういう意味ですか?午後の衛星、夕方の衛星などはありますか？

これらは実際には主に衛星の軌道と機能に関連しています。今日はそれらについて簡単にお話ししましょう。

午前と午後の違いは何ですか？

衛星放送は早朝シフト

今回打ち上げられた衛星は気象衛星ですので、気象衛星を例に挙げてみます。気象衛星の運用特性に応じて、一般的には 2 種類の軌道があります。1 つは静止軌道、もう 1 つは極軌道とも呼ばれる近極太陽同期軌道です。

私たちは自国の天候を最も心配しており、中国を常に監視するための衛星が必要です。つまり、地上から見ると、この衛星は常に私たちの上空に静止したまま浮かんでいるのです。また、地球が自転していることもわかっています。そのため、我が国の上空で「静止」しているこの衛星は、実際には地球の自転周期と同期して回転しています。風雲衛星の二重番号（第2号、第4号など）はすべてこのタイプの静止衛星です。彼らの衛星雲画像には、常に中国が位置する地球の側が映し出されています。

我々はすべて一つの世界であり、中国の天候は孤立しているわけではないので、世界をスキャンするために極軌道衛星も必要です。極軌道衛星は北極と南極の間を往復し、地球の反対側を見ることができるだけでなく、静止衛星が極を観測できないという欠点を補います。

気象衛星が配置されている極軌道は「近極太陽同期軌道」と呼ばれ、地球が太陽に対してどの方向を向いても、衛星軌道と昼夜の境界の角度は常に一定であることを意味します。こうすることで、衛星が昼側に移動するたびに、その下の地面は常に同じ時点にあり、照明角度も常に同じになり、観測データの一貫性を確保することができます。当社の風雲衛星（1号機と3号機）は、いずれもこのような近極太陽同期軌道衛星です。

北極から「見下ろす」太陽同期極軌道。画像出典: 著者

では、なぜ「明けの明星」と「午後の明星」が存在するのでしょうか?天気は朝と午後に密接に関係していることが多いからです。

実際の例を挙げると、青海チベット高原の雲は人間のように「仕事に出かける」ことが多く、午前中に地面から蒸発し、正午に厚い雲を形成し、午後から夕方にかけて再び地面に落ちます。グレートプレーンズでも、激しい対流気象は通常午後か夕方に発生し、朝や午前中に発生することはまれであることに気づくでしょう。そのため、極軌道気象衛星は午前衛星と午後衛星に分かれており、午前と午後の異なる時間帯の気象現象を観測することができます。明けの明星が地球の昼側に現れるとき、その真下の領域は常に現地の朝であり、宵の明星は午後にあります。
中国の風雲3E衛星は、ある意味特別だ。これは世界初の民間の「明けの明星と宵の明星」であり、「暁の明星」としても知られています。この衛星は昼夜の境界（朝夕の境界線とも呼ばれる）の上を周回しており、国際民間気象衛星が朝と午後の軌道衛星しか持たないというギャップを埋めています。さらに、その軌道は常に太陽の軌道上にあります。地球を観測するだけでなく、太陽の天気も継続的に観測できるため、フレアやコロナホールなどの太陽活動の監視や早期警報に大きな意義があります。

どのトラックを選択するかは機能によって異なります

これを読んで、衛星の軌道配置はその機能に応じたものでなければならないことが皆さんもお分かりになったはずです。

それは本当だ。たとえば、中国の太陽観測衛星「西和」は、太陽の大気のダイナミクスに関する継続的な研究を行うために、太陽同期軌道上で、太陽の境界（気象学的境界に少し似ている）を周回しています。米国のウェッブ宇宙望遠鏡は、赤外線の干渉を避けるため、太陽と地球から離れた第二ラグランジュ点に浮かんでいます。また、太陽と地球からの放射線を遮断するために、テニスコートほどの大きさの 5 層のサンシェードも備えています。

たとえば、宇宙ステーションを考えてみましょう。一緒に考えてみましょう。宇宙ステーションの軌道を設計するように頼まれたら、どこに配置すればよいでしょうか?宇宙ステーションは人が住む場所なので、周囲の宇宙環境は電離放射線が強すぎる状況であってはならないことを考慮する必要があります。私たちは通常、地球の磁場と大気に守られて地上に留まり、宇宙がただ荒涼としているように感じています。船外活動に必要なのは、保温と圧力の維持だけです。

実際、地球の高度640〜58,000キロメートルにヴァン・アレン放射線帯の輪が存在します。地球の磁気圏に捕らえられた高エネルギーの荷電粒子で満たされており、粒子一つ一つが悪意に満ちている。したがって、宇宙ステーションの軌道はこの領域を避けなければなりません。中国の宇宙ステーションと国際宇宙ステーションの高度はわずか約400キロメートルで、これは西安から鄭州までの直線距離に相当します。

人類が中長期的に宇宙に滞在できる範囲。

ヴァン・アレン放射線帯の断面から、地球の高緯度では放射線帯が地表に近づいていることもわかります。オーロラは太陽風が地球の大気に衝突して形成されることは誰もが知っています。地球の極付近の宇宙環境は非常に悪いため、宇宙ステーションは低高度に加えて低緯度でなければなりません。中国の宇宙ステーションは北緯42度から南緯42度の間でのみ運用されます。国際宇宙ステーションはロシアのバイコヌール発射場から人や貨物を運ぶ必要があるため、52°というより大きな傾斜角を選択しなければならない。

もう 1 つの例は、BeiDou や GPS などのナビゲーション衛星です。極地を含む世界中の測位とナビゲーションには、少なくとも 3 つまたは 4 つの衛星を常時確認する必要があります。そのため、ほとんどの衛星は移動しなければなりませんが、宇宙ステーションのように地面近くを飛行することはできません。彼らの理想的な位置は、地上約2万キロメートルの「中軌道」です。

衛星の機能と宇宙環境によって、衛星の飛行方法が決まります。この考えを拡張すれば、他の惑星に送られたいくつかの深宇宙探査機の一見奇妙に見える軌道も理解できるようになります。たとえば、ジュノー宇宙船は木星付近の大気の調査を行っています。論理的に考えると、大気を研究したいのであれば、木星の表面近くを飛行すればよいことになる。しかし、ジュノーの軌道は実は非常に平らな楕円です。近いときは木星の表面からわずか4,200キロメートルですが、遠いときは800万キロメートルも離れたところまで飛ぶことになります。なぜ？木星は非常に強力で恐ろしい磁気圏を持っているため、そこに長く留まると死んでしまいます。したがって、ジュノーは「タッチ・アンド・ラン」戦略しか採用できず、毎回素早く飛行し、すぐに遠くの安全な場所に逃げ、ゆっくりとデータを収集して地球に送り返すことになります。

木星におけるジュノー宇宙船の極端に細長い軌道。

衛星の軌道を区別する

記事の冒頭で述べたように、気象衛星は 2 つの軌道に分かれており、1 つは静止軌道、もう 1 つは極軌道です。ここでちょっとしたスキルを学んでみましょう。雲の写真を見たとき、それが気象衛星のどの軌道から撮影されたのかをどうやって見分けるのでしょうか?

心配しないでください。公式や定理はなく、計算機を使用する必要もありません。視野を見て高さを判断するだけです。

たとえば、以下の地球全体のクラウドマップ。静止軌道衛星は地球と同期して回転しており、中国上空の画像では中国半球しか見えないことが分かっています。したがって、地球全体を見ることができるということは、静止軌道衛星によるものではなく、極軌道衛星が接近通過中にスキャンした画像のモザイクであるに違いありません。実際、海の上には特に明白で規則的な「スキャン」の痕跡（ぼやけた平行な白い跡）が見られます。これらは、極軌道衛星が海上を通過する際に撮影した海面の反射です。

Fengyun-3D で撮影された世界の雲マップ。

もう 1 つの例は、下の地球の雲マップです。静止衛星の軌道は非常に高く（地上から約 36,000 キロメートル）、その位置からは地球全体の約 1/3 の球体を見ることができます。これは「円盤図」とも呼ばれます。対照的に、極軌道上の衛星は地球のごくわずかな範囲しか見ることができません。

風雲4号Aが撮影したアジア太平洋地域の雲図。

つまり、球体が見えたら、それは静止衛星によって撮影されたものです。壁に掛かっている世界地図のように見えるものは、極地衛星によって撮影されたものです。

著者: ク・ジオン、ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨国家衛星気象センター風雲4号副主任エンジニア楊磊