Satèl·lits

Article traduït per Rafel Marco i Molina e-mail Twitter Facebook

Poques vegades ens aturem a pensar en la importància que tenen els satèl·lits en la nostra vida diària. I són més importants del que sembla. N’hi ha de tota mena i cobreixen tots els objectius possibles. Avui vull fer-vos cinc cèntims sobre els distints tipus de satèl·lit que corren pel món (més aviat, que hi ha en òrbita), segons la distància a què es troben de la Terra i comentar-vos alguna de les seves peculiaritats.

[@more@]

Segons la distància a què es troben de la Terra, els científics classifiquen els satèl·lits en GEO, MEO i LEO. GEO és l’abreviatura d’Òrbita Terrestre Geosíncrona (en anglès, esclar), que significa, clar i català, que fa una volta a la Terra en 24 hores i es troben, per tant, a 35.800 quilòmetres de la superfície de la Terra; les òrbites MEO són aquelles que es corresponen amb distàncies mitjanes (entre 10.000 quilòmetres i 20.000 quilòmetres); i les LEO les que es corresponen amb distàncies més curtes (menys de 10.000 quilòmetres).

Una dada a tenir en compte sobre els satèl·lits és que com més lluny hi són, més lents han d’anar-hi. Considerem la Lluna. Es troba a uns 380.000 quilòmetres de la Terra i la seva velocitat tangencial (és a dir, la velocitat lineal a què sortiria si la Terra desaparegués de cop) és d’1 quilòmetre per segon. No és una velocitat extraordinària: és aproximadament Mach 3. I com ja haureu endevinat, un avió que vola a aquesta velocitat no està precisament en òrbita. Si volguéssim que un avió estigués en òrbita en les altures que vola habitualment, la velocitat hauria de ser d’uns 10 quilòmetres per segon. Així que a mesura que ens acostem a la Terra, la velocitat de l’òrbita ha de ser més gran.

Les òrbites ideals, en molts casos, serien aquelles en què els satèl·lits estiguessin sempre sobre el mateix punt de la Terra. A aquestes òrbites les anomenaríem geoestacionàries. En realitat, aquestes només poden donar-se quan el satèl·lit es troba sobre l’equador. Si fos de nord a sud, per exemple, estaria mig dia sobrevolant l’hemisferi nord i l’altre mig l’hemisferi sud; i el que pretenem és, precisament, que no canviï de punt sobre la superfície. El gir de la Terra hauria d’acompanyar, per tant, el gir del satèl·lit. Als satèl·lits que hi ha en una òrbita GEO fora de l’equador se’ls anomena "geosincrònics"; només són geoestacionaris els que hi ha per sobre de l’equador. Observeu alguna vegada les fotos dels satèl·lits meteorològics, aviam si se us acut des d’on es prenen aquestes fotos.

El METEOSAT, per exemple, es troba sobre el golf de Guinea, just sobre un punt en la intersecció de l’equador amb el meridià de Greenwich; i l’AMAZONAS 2 d’Hispasat es troba també sobre l’equador, però a 61º oest, per sobre de l’Amèrica del Sud. Tots dos van ser posats en aquestes òrbites per coets Ariane 5. Són dos exemples, però n’hi ha molts més.

Segur que ja coneixeu el gran avantatge d’aquesta òrbita: no hem de moure les nostres antenes parabòliques. I, per descomptat, la TV via satèl·lit ofereix grandíssims avantatges, com ara no haver de construir una elaborada infraestructura, cosa que permet emetre TV a gairebé mig món de forma simultània. Al Marroc, per exemple, els carrers i els edificis amb prou feines han canviat en mil anys. Només en destaca un canvi: antenes parabòliques en gairebé tots els terrats. El pitjor és que essent tan lluny de la superfície terrestre, el seu senyal a emetre ha de ser més potent. No obstant això, el sacrifici en potència queda compensat amb l’avantatge posicional.

A més, existeix un altre avantatge més curiós. Si sou víctimes d’un segrest i no sabeu on us han portat, aleshores cerqueu alguna antena parabòlica i fixeu-vos cap a on apunta. Si ho fa cap al nord és que esteu a l’hemisferi sud i viceversa, i si l’antena apunta cap amunt, est o oest, aleshores esteu a l’equador. Espero que mai no tingueu necessitat d’emprar aquest recurs.

Després hi ha els satèl·lits espia. No els veieu de mal ull. Encara que en el seu moment s’empraven amb finalitats exclusivament militars, avui dia els utilitzen els governs i les indústries per a controlar inundacions, incendis, salut dels cultius, etc. Si volguéssiu posar en marxa un d’aquests satèl·lits, en quina òrbita el posaríeu? D’una banda, l’ideal seria una òrbita geoestacionària per a poder observar en tot moment els mateixos punts de forma continuada en el temps, però aleshores estaria molt lluny i no podríem veure tan bé com voldríem. És cert que existeixen telescopis, però hi ha un punt a partir del qual una imatge ja no es pot ampliar a causa de la naturalesa ondulatòria de la llum. D’altra banda, volem estar a prop de la superfície de la Terra per a poder veure amb més detall, per la qual cosa volem una òrbita molt baixa i perdríem el punt de vista al cap de poc temps, cosa que tampoc no ens agradaria. Vegem això amb una mica més de detall.

Dèiem que podríem posar-los en l’òrbita geoestacionària a 35.800 quilòmetres, però aquesta distància és massa gran fins i tot per a un telescopi. La falta de nitidesa en els telescopis ve determinada per la fórmula: b=h*L/d; on b és la resolució, d el diàmetre de la lent o el mirall del telescopi, h la distància a què es troba de l’objecte (en aquest cas, l’altura sobre la superfície de la Terra) i L la longitud d’ona de la llum. Per exemple, el mirall del Hubble té un diàmetre de 2,4 metres. Si estigués en una òrbita geoestacionària, la h seria 35.000 quilòmetres i la longitud d’ona de la llum és d’uns 520 nanòmetres. Si inserim aquestes dades a la fórmula ens sortirà una resolució de 7,58 metres. Això vol dir que si tinguéssim dos objectes situats a menys de 7,58 metres l’un de l’altre, s’hi veurien tan borrosos que no hauria manera de veure si en són dos o un. Com podeu veure, una autèntica porqueria de nitidesa si el que volem observar és una persona o un cotxe. No obstant això, ens vindria molt bé per a observar huracans o localitzar un vaixell. Per tant, descartem la GEO en els satèl·lits espia.

D’altra banda, si els posem molt baixos, en una òrbita LEO per a poder veure millor, hem d’anar més de pressa. Per a això, l’altura ideal oscil·la entre els 150 i els 300 quilòmetres (una òrbita LEO). En una òrbita d’aquest tipus, un satèl·lit va a uns 8 quilòmetres per segon, el que provoca que faci una volta a la Terra cada hora i mitja. El problema és que tenim molt poc tempos per a observar un objectiu: al voltant d’uns 75 segons i durant uns 600 quilòmetres de recorregut. Si estigués al doble d’altura, trigaríem el doble de temps, però la meitat de resolució, així que ja veieu que és una solució de compromís. Una vegada que el satèl·lit ha perdut el seu objectiu de vista ha de donar una volta a la Terra per a tornar a veure’l, la qual cosa significa que no ho podrà fer fins passada hora i mitja. I això suposant que la Terra no gira sobre el seu eix. De fet, si un punt de l’equador triga 24 hores a fer una volta a una circumferència de 40.000 quilòmetres de contorn, significa que es mou a uns 1.600 quilòmetres per hora, la qual cosa provoca que quan el satèl·lit intenti albirar el mateix punt, aquest pot haver-se desplaçat al voltant d’uns 2.500 quilòmetres. Gens menyspreable, oi? Per descomptat, aquest càlcul depèn de la longitud (em refereixo a la longitud cartogràfica) del punt que vulguem observar.

Però clar, guanyem en resolució. Si apliquem la mateixa fórmula del telescopi al Hubble a 300 quilòmetres d’altura, la seva resolució seria de 6 centímetres, la qual cosa permetria identificar una persona. Però compte, que no tots els satèl·lits espia portarien la tecnologia del Hubble. La conclusió és que els satèl·lits espia han d’estar en un òrbita baixa per a poder tenir una bona resolució, però no són capaços de llegir matrícules de cotxes, reconèixer persones i coses per l’estil, com passa en algunes pel·lícules. El que sí que obtenen són unes imatges borroses per a aquestes resolucions i no hi ha manera tècnica d’evitar-ho, ja que és una causa física, no tècnica.

Voleu observar tot el globus terrestre a tota hora? Bé, poseu més satèl·lits amb una bona resolució. Desconec si això realment es fa amb satèl·lits espia. El que sí que puc dir-vos és que es fa amb un altre tipus de satèl·lits, dels quals parlarem tot seguit, però no per a observar-nos-hi, sinó per a orientar-nos-hi.

Entre aquests dos tipus de satèl·lits, els GEO i els LEO, es troben els que segueixen una òrbita terrestre mitjana, els MEO, entre els quals els fascinants GPS. És autènticament impressionant veure fins on ha arribat la tecnologia: hi ha cotxes que el porten al davantal, els utilitzen els esportistes, les bombes intel·ligents per a ser guiades vers el seu objectiu amb un marge d’error de pocs metres, etc.

Un receptor GPS capta els senyals d’alguns dels 24 satèl·lits de posicionament global que actualment orbiten el nostre planeta. Hi ha qui pensa que els nostres aparells emeten senyals per a comunicar-se amb el satèl·lit, però en realitat són receptors i no emissors. Sí, podrien haver-se dissenyat d’una altra manera, però no hem d’oblidar que en principi es van concebre per a ús militar i un soldat mai no vol revelar la seva posició, cosa que faria emetent ones de ràdio. Els satèl·lits GPS estan en constant moviment i emetent de forma contínua la posició en què es troben. El nostre receptor GPS porta un petit ordinador que mesura el temps que triga a arribar el senyal des dels mateixos satèl·lits i en calcula la distància a cada un. Una vegada n’és computada la distància de tres, ja pot determinar en quin lloc es troba de la Terra.

També hi ha qui pensa que els satèl·lits GPS segueixen òrbites geosincròniques, però no és així, ja que haurien de portar radiotransmissors molt més potents perquè els senyals arribessin als nostres receptors. D’altra banda, tampoc no poden estar massa a prop, ja que aleshores anirien massa ràpids. Per aquest motiu es va arribar a una solució intermèdia i es troben a uns 20.000 quilòmetres d’altura. La seva velocitat és d’uns 4 quilòmetres per segon i amb aquesta velocitat triguen 12 hores a volar entorn de la Terra.

Els GPS porten un rellotge atòmic intern molt precís, de l’ordre dels nanosegons. Tan important és aquesta precisió? Doncs, n’és tant, que cal tenir en compte els efectes relativistes. D’una banda, tenim la dilatació del temps donada la velocitat que porten i, d’altra, la gravetat a aquesta altura és menor que la que tenim a la superfície de la Terra. Si restem la diferència d’ambdós fenòmens, obtenim que el temps transcorre 39 milionèsimes de segon per dia més lent per als satèl·lits que per a les persones que estem a la superfície de la Terra. És a dir, al final de cada dia, el satèl·lit és 39 milionèsimes de segon menys jove que nosaltres.

No sembla una diferència molt gran, però cal tenir en compte que la velocitat de la llum s’usa en els càlculs de la nostra posició. Qualsevol milionèsima que ens deixem pel camí, multiplicada per aquesta xifra es transforma en un error que podria representar una errada d’11 quilòmetres més cada dia en calcular la nostra posició. Així que els satèl·lits han d’avançar aquestes 39 milionèsimes de segon cada dia perquè puguem utilitzar aquests serveis. Una vegada més, Einstein tenia raó.

Per a posar un satèl·lit en òrbita necessitem potents coets que pesen més que el mateix satèl·lit. De fet, es malbarata un 96% de l’energia cada vegada que s’hi fa. Però això ja és una altra història.

Fonts:
Miller, Richard (2009). Física para futuros presidentes, Barcelona: Antoni Bosch.

http://www.migui.com/ciencias/fisica/relatividad-y-cuantica-en-la-practica-gps-y-relojes-atomicos.html

http://www.consumer.es/web/es/motor/educacion_y_seguridad_vial/2005/12/23/148023.php

http://www.upv.es/satelite/trabajos/pracGrupo17/sistemas.html

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.