为什么同步卫星都在赤道上方（为什么绕地卫星从根本上说并不稳定）

人造卫星的寿命，与地球距离的关系，五个影响因素。

图1解：国际空间站在近地轨道运行。图源：Forbes

大家可能会觉得，发射一颗人造卫星使其绕地运行，应该是再正常不过的事情了，毕竟我们的月球已经这样做了四十亿年之久。然而，若我们只负责将卫星发射到轨道上，任由其运行的话，过不了几十年，它们就会重新回到大气层。结果就是被完全烧毁或是撞向地表，就像过去我们发射过的很多卫星那样。

图2解：欧洲空间局的ATV-1货运飞船重新进入大气层。图源：Forbes

那自然卫星怎么样呢？太阳系其他行星的卫星们与其行星的距离都要比人工绕地卫星距地球远得多。比如国际空间站（ISS），它的公转时间只有90分钟，而我们的月球却需要近一个月才能绕地球一圈。即便是那些距离行星近的自然卫星（其轨道离心率所引发的潮汐热使木卫一成为太阳系中火山最活跃的天体）也拥有稳定的轨道。

木卫一在太阳系终结之前都将持续在其现有的轨道运行。然而若我们放任国际空间站不管，它将在20年内就离开现有的轨道。不仅仅是国际空间站，现在几乎所有的近地卫星都面临着同样的命运：当下个世纪到来时，几乎所有的人造卫星都将重新进入大气层后被烧尽，或是像国际空间站这样的大型卫星（约431吨重）将在破裂后撞向地面或是海面。

为什么会这样呢？为什么人造卫星就不能简单地遵从爱因斯坦，牛顿和开普勒定律，从而永恒地待在其既定轨道上呢？事实上，我们可以从好几个方面进行解释：

图3解：大气密度随与高度的关系图。X轴为密度，Y轴为高度。图源：Forbes

1. 大气阻力

大气阻力是目前对近地卫星影响最大的原因，它也直接造成了近地卫星轨道的不稳定。其他的卫星如地球同步卫星，也会最终脱离其轨道，但不像近地卫星那样的迅速。我们在正常情况下将‘太空’定义为100千米以上的上空，也就是常说的卡门线以上。但是像这样规定太空和大气层边界的定义，通常都不太明确。在现实中，大气颗粒物可以延伸到非常高的太空，只是其浓度会随着高度变小而已。当其浓度到了1微克每立方厘米或是1毫微克甚至是1皮克每立方厘米（皮克，为万亿分之一克）时，我们可以说我们有效地到达了太空。但是从大气层持续而来的原子可以延伸至数千千米之外，当人造卫星与这些原子碰撞时，它们将损失自身的动量进而慢下来，这就是为什么近地卫星如此的不稳定。

图4解：左图为当太阳风与无磁场保护的火星接触，右图为当太阳风与有磁场保护的地球接触图。图源：Forbes

1. 太阳风粒子

太阳一直在向外发射高能粒子，大多数是质子，也有电子和氦原子核，它们也会与卫星相碰撞并最终使其减速。在长时间的作用下，太阳风粒子也能造成近地卫星的轨道变化，但其不是主要的成因。它们对距行星较远的卫星有着更大的影响，将卫星减速并拉近轨道，直到大气阻力开始起主要作用。

图5解：地球重力异常图。图源：Forbes

1. 不完美的地球重力场

如果地球像水星一样，没有大气层，人造卫星就能完好地待在其轨道上了吗？答案是不能的，即便太阳风不存在也不可能。这是因为地球，就像其他任何行星一样，不是一个点质量，而是一个有着不规则重力场的不完美球体。这个不规则的重力场作用在其卫星上，就导致了潮汐力。卫星在运行到距行星更近的位置时，受到的潮汐力越大。这也是为什么地球上有潮汐现象的原因。木卫一就是在潮汐力的作用下被拉扯得四分五裂，同时潮汐力也会使卫星减速并最终脱离原有轨道，然而其所需的时间比大气阻力要长得多，就像之前所说的，木卫一虽然受到来自木星强大的潮汐力，可是它显然不会在几十年内就撞向木星。总的来说，一颗卫星越接近其行星，潮汐力的作用就会越大。

图6解：太阳系众天体图。图源：Forbes

4，来自太阳系其他天体的万有引力

地球并不是太阳系唯一的天体，人造卫星受到的万有引力也不仅仅来自地球，也可以来自月球，太阳，包括其他的行星，彗星，小行星和其他的天体。在所有引力的合力长时间作用下，将不仅导致人造卫星的轨道偏移，也同样能减缓其速度。假设地球只是一个质点----将其压缩成一个不自旋的黑洞，且没有大气层，太阳风也不存在，即便如此，人造卫星还是会慢慢地减速最终被这个黑洞所吞噬。在这样的假设下，人造卫星在太阳结束生命之前都不会改变其轨道，但这依旧不是一个恒久稳定的系统，它们还是会最终偏离轨道。

图7解：太阳周遭的时空曲线。图源：Forbes

5，相对论

水星相对于地球的近日点进动是每世纪5600弧秒(1.5556度)，但牛顿力学考虑了来自其它行星所有的影响，预测的进动只有每世纪5557弧秒 (1.5436度)。在20世纪初期，爱因斯坦的广义相对论对观测到的进动提供了解释。这个效应非常小：水星近日点的相对论进动是每世纪42.98弧秒，刚刚好是之前不足的值。轨道衰变率在弱重力场的作用下微乎其微（如我们在太阳系内观测到一样）：地球需要10的150次方年之后才会旋进太阳，近地卫星的轨道衰变时间比这个还要长数十万倍。不管怎么说，进动所造成的的影响的确存在，也是广义相对论的必然结果。其影响在距行星近的卫星比距行星远的卫星上要大的多。

图8解：火卫一（颜色增强后）。图源: Forbes

以上所说的五类衰变同样也适用于自然卫星。离火星最近的卫星火卫一最终就会因潮汐力而破裂进而旋入火星的大气层中。尽管火星大气层要比地球大气层小140倍，火星大气层仍然很大且能够扩散到很远，加之火星并没有像地球一样的磁场来阻挡太阳风，导致火卫一可能在数千万年之后就会遭遇被毁灭的命运。数千万年在人类的角度看的确很长很长，然而在太阳系长达数十亿的年岁看来，不过是沧海一粟。

图9解：木卫十六图，左图为其被拉长的形状。右图为木卫十六总是朝向木星的一面。图源: Forbes

在木卫一和木星之间，还有四颗较小的卫星，木卫十六则是距木星最近的卫星（与木星大气层的距离只有木星半径的0.8倍），在这种情况下，大气阻力和太阳风都不是其轨道衰变的主要原因。木卫十六拥有一条只有12万8千千米的公转半长轴，因此受到了来自木星巨大的潮汐力，这就是在木卫十六轨道衰变的主要原因。

1994年，休梅克－利维9号彗星与木星相撞的事件中，潮汐力占了绝对的主导作用。休梅克－利维9号彗星在被潮汐力分裂成21个小碎块后最终撞向了木星。这的确是卫星轨道之所以不稳定的重要因素之一，特别是当一个大型卫星在近距离绕行星运动时，所有的行星都将不可避免地最终旋进撞击其母星。

所有以上的因素一共造就了行星轨道根本上的不稳定性。足够长的时间加之没有人为的维护，所有的天体轨道最终都难逃衰变的命运，只是时间的长度不同罢了。

作者: Ethan Siegel

FY: 神灵之踹

如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处