«ماهواره» (Satellite) یک جسم کوچک است که حول یک جسم بزرگتر در فضا می‌چرخد. ماهواره‌ها را به دو گروه ماهواره‌های طبیعی و مصنوعی تقسیم‌بندی می‌کنیم. برای مثال ماه یک ماهواره طبیعی و انواع ماهواره‌های سامانه GPS ماهواره مصنوعی محسوب می‌شوند. در این مطلب از مجله فرادرس توضیح می‌دهیم ماهواره چیست، انواع آن کدامند و حرکت آن‌ها بر مبنای کدام قوانین و مفاهیم فیزیکی توضیح داده می‌شود.

ماهواره چیست؟

ماهواره دستگاه یا پدیده‌ای طبیعی است که به دور یک جرم آسمانی بزرگ‌تر مانند یک سیاره یا ستاره در فضا می‌چرخد. ماهواره‌ها به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. ماه نمونه‌‌ای از یک ماهواره‌ طبیعی است، در حالی که ایستگاه فضایی بین‌المللی یک ماهواره مصنوعی به‌شمار می‌رود. بنابراین به حرکت هر جسمی مانند یک ماهواره به دور یک جرم بزرگ‌تر تحت تاثیر نیروهای گرانشی حرکت ماهواره‌ای گفته می‌شود.

این حرکت را بر مبنای دو مفهوم مهم فیزیکی توضیح می‌دهیم، حرکت دایره‌ای یکنواخت که در آن ماهواره با سرعتی ثابت در مسیری دایره‌ای شکل حرکت می‌کند و قانون جهانی گرانش که نیروی جاذبه بین ماهواره و جرم مرکزی در حال چرخش را کنترل می‌کند. تعادل بین این نیروی گرانشی و اینرسی یا لختی ماهواره، به آن اجازه می‌دهد تا یک مدار پایدار را حفظ کند.

در حال حاضر هزاران ماهواره مصنوعی یا ماهواره‌های ساخت بشر در حال چرخش به دور زمین‌اند، با این هدف که از این سیاره عکس بگیرند و در پیش‌بینی آب و هوا و ردیابی طوفان‌ها به کارشناسان هواشناسی کمک کنند. برخی دیگر از این ماهواره‌ها از سیارات دیگر، خورشید، سیاه‌چاله‌ها، ماده تاریک یا کهکشان‌های دور عکس می‌گیرند. این تصاویر به دانشمندان کمک می‌کند تا منظومه شمسی و جهان هستی را بهتر درک کنند. ماهواره‌های دیگر اغلب در زمینه ارتباطات مانند ارسال سیگنال‌های تلویزیونی و تماس‌های تلفنی در سراسر جهان استفاده می‌شوند. گروهی دیگر از این ماهواره‌ها نیز سیستم موقعیت‌یابی جهانی یا GPS را تشکیل می‌دهند. اگر گیرنده GPS داشته باشید، این ماهواره‌ها می‌توانند به تعیین موقعیت دقیق شما کمک کنند.

آشنایی و مطالعه ماهواره‌ها یک موضوع میان‌رشته‌ای محسوب می‌شود، به همین علت بهتر است ابتدا ببینیم چگونه می‌توان حرکت این اجسام در فضا را توسط قوانین مکانیک کلاسیک توضیح داد. برای مثال اینکه چرا یک ماهواره به سمت زمین سقوط نمی‌کند، سرعت حرکت ماهواره‌ها چقدر است، مدار ماهواره چگونه کار می‌کند یا فاصله ماهواره از زمین باید چقدر باشد، همه از جمله سوالاتی هستند که با قوانین و مفاهیم مهم علم فیزیک مانند نیروی جاذبه، نیروی گریز از مرکز و قوانین کپلر توضیح داده می‌شوند.

این در حالی است که اگر بخواهیم ساختار و کاربرد ماهواره‌ها را بشناسیم، بهتر است از دیدگاه مهندسی و رشته‌هایی مانند مهندسی هوافضا یا مهندسی مخابرات به این اجسام نگاه کنیم. در این صورت خواهیم دانست یک ماهواره از چه قطعاتی ساخته شده است، چگونه توسط راکت‌ها به فضا پرتاب می‌شود، چگونه داده‌ها را به زمین می‌فرستد و انواع مختلف ماهواره‌ مانند ماهواره‌های مخابراتی، جاسوسی و هواشناسی هر کدام چه کاربردی دارند.

یادگیری فیزیک مکانیک برای دانش‌آموزان با فرادرس

اگر دانش‌آموز هستید، یکی از بهترین روش‌ها برای یادگیری مکانیک کلاسیک و حرکت ماهواره‌ها به عنوان مثالی از انواع حرکت، این است که فیلم‌های آموزشی تهیه شده در این زمینه را مشاهده کنید. در ادامه لیستی از تمام دوره‌های آموزشی فرادرس با این ویژگی را برای شما قرار د‌اده‌ایم:

فیزیک حرکت ماهواره‌ ها

برای اینکه بهتر متوجه شوید اصول حاکم بر حرکت یک ماهواره چیست، در بخش اول به بررسی فیزیک ماهواره‌ها خواهیم پرداخت. مبحث فیزیک ماهواره‌ها بر پایه تعادل ظریفی است که بین نیروی گرانش زمین و اینرسی خود ماهواره (تمایل به حرکت در مسیر مستقیم) برقرار است. این تعادل منجر به ایجاد حرکتی مداوم به شکل سقوط و عدم برخورد در مدار می‌شود و می‌توان آن را توسط قوانین نیوتن و کپلر توضیح داد.

همچنین سرعت و شعاع مداری یک ماهواره از طریق اصل پاستگی انرژی به هم مرتبط می‌شوند، به این صورت که مدارهای بالاتر دارای سرعت کمتر (انرژی جنبشی کمتر و انرژی پتانسیل بیشتر) و مدارهای پایین‌تر دارای سرعت بیشتری هستند. به علاوه در بررسی فیزیک یک ماهواره آن را نوعی پرتابه‌ دائمی در نظر می‌گیریم که همواره در حال شتاب گرفتن به سمت زمین است، اما سرعت افقی آن‌ به اندازه‌ای زیاد است که پیوسته از برخورد با زمین می‌گریزد و در مدار باقی می‌ماند.

انواع مدارهای ماهواره

مدارهای ماهواره‌‌ای با اینکه ممکن است پیچیده به نظر برسند، اما نقشی مهمی در علم فیزیک و زندگی روزمره از جمله در فناوری‌هایی مانند سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) و پیش‌بینی وضعیت جوی ایفا می‌کنند. مدارهای ماهواره‌ای در واقع همان مسیرهایی هستند که اجسام تحت تاثیر نیروی گرانش و هنگام گردش به دور یک جرم مرکزی عظیم که معمولا یک سیاره است، طی می‌کنند.

بنابراین حرکت ماهواره تابعی از نیروی جاذبه بین ماهواره و سیاره است، به این شکل که گرانش به عنوان نیروی مرکزگرا عمل کرده و ماهواره‌ را در مدار حفظ می‌کند. به این ترتیب در غیاب گرانش این اجسام صرفا در مسیری مستقیم به حرکت خود ادامه خواهند داد. با شناخت مفهوم مدارها متوجه می‌شویم که ماهواره‌ها چگونه در فضا باقی می‌مانند و سقوط نمی‌کنند. در ادامه با انواع مدارهای ماهواره‌ای آشنا خواهیم شد.

مدار دایره ای

در یک مدار دایره‌ای ماهواره با حفظ فاصله‌ای ثابت از جرم مرکزی مسیری را دنبال می‌کند که یک دایره کامل است. در واقع این نوع مدارها دارای سرعت ثابت، ارتفاع ثابت و تعادل انرژی کاملی هستند که منجر به ایجاد نوعی حرکت پایدار و دائمی خواهد شد. برای نمونه، ماهواره‌ای را تصور کنید که در یک ارتفاع ثابت به دور زمین می‌چرخد. این ماهواره همواره با سرعتی ثابت حرکت می‌کند، چون نیروی گرانشی وارد بر آن با اینرسی آن در تعادل است. همچنین می‌دانیم که جرم زمین $$M = 5.97 times 10^{24} kg$$

حالا با توجه به اینکه گفتیم نیروی گرانشی کشش مرکزگرای لازم برای حفظ ماهواره در مدار را تامین می‌کند و با فرض اینکه ماهواره در شعاع $$r$$ در حال گردش است، از تعادل نیروی گرانش $$F_g$$

$$F_g = F_c$$

$$Rightarrow frac{GMm}{r^2} = frac{mv^2}{r}$$

• $$m$$: جرم ماهواره بر حسب کیلوگرم ($$kg$$)
• $$M$$: جرم زمین بر حسب کیلوگرم ($$kg$$)
• $$v$$: سرعت مداری بر حسب متر بر ثانیه ($$frac{m}{s}$$
• $$r$$: شعاع مدار یا فاصله ماهواره از مرکز زمین بر حسب متر ($$m$$)
• $$G$$: ثابت جهانی گرانش با مقدار $$6.67 times 10^{-11} frac{N.m^2}{{kg}^2}$$

ملاحظه می‌کنید که جرم ماهواره از طرفین رابطه بالا حذف می‌شود. بنابراین سرعت به شکل زیر محاسبه می‌شود:

$$v =sqrt{frac{GM}{r}} frac{N.m^2}{{kg}^2}$$

این فرمول نشان می‌دهد که سرعت مداری یک ماهواره فقط به جرم سیاره مرکزی و شعاع مدار آن بستگی دارد و مستقل از جرم خود ماهواره است.

مدار بیضوی

در مدارهای بیضوی سرعت متغیر است و بیشترین سرعت در نقطه حضیض (نزدیک‌ترین نقطه به زمین) و کمترین سرعت در نقطه اوج (دورترین نقطه از زمین) رخ می‌دهد. همچنین جرم مرکزی (عموما زمین) در یکی از کانون‌های بیضی قرار می‌گیرد. این نوع مدارها به دلیل شکل بیضی‌گونه‌ خود با مدارهای دایره‌ای شکل تفاوت دارند. چنین شکل هندسی منجر به تغییر سرعت و تغییر فاصله ماهواره از جرم مرکزی در طول مسیر مداری خواهد شد. بر این اساس هر چه ماهواره در مدار خود نزدیک‌تر شود، سرعت آن افزایش یافته و هرچه دورتر شود، سرعت آن کاهش می‌یابد.

بر خلاف مدارهای دایره‌ای که فقط یک شعاع ثابت دارند، هندسه و شکل مدارهای بیضوی به این صورت است که یک مدار بیضوی یک منحنی بسته است که توسط دو پارامتر کلیدی به نام کانون و خروج از مرکز تعریف می‌شود. هر بیضی دو کانون دارد و همان‌طور که اشاره شد، جرم مرکزی یا سیاره همیشه در یکی از این دو کانون قرار می‌گیرد. خروج از مرکز یا $$e$$ عددی است که میزان تخت شدن یا فشردگی بیضی را مشخص می‌کند. اگر $$e = 0$$

جدول بالا رابطه بین فاصله از مرکز و سرعت مداری را در یک مدار بیضوی نشان می‌دهد. همچنین تغییر سرعت ماهواره در مدارهای بیضوی ناشی از اصل بقای انرژی و قانون دوم کپلر است. بقای انرژی در یک مدار بیضوی معادل است با ثابت ماندن مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل ماهواره. بنابراین هنگامی که ماهواره به نقطه حضیض نزدیک می‌شود، نیروی گرانش آن را به سمت مرکز می‌کشد و انرژی پتانسیل آن کاهش می‌یابد. در نتیجه برای حفظ تعادل انرژی لازم است انرژی جنبشی آن افزایش پیدا کند که نتیجه آن افزایش سرعت است. در مقابل هنگام دور شدن به سمت نقطه اوج، انرژی پتانسیل آن افزایش یافته و سرعت کاهش می‌یابد.

قانون مساحت‌های برابر یا قانون دوم کپلر نیز بیان می‌کند که خط واصل بین ماهواره و سیاره مرکزی در زمان‌های مساوی مساحت‌های مساوی را جاروب می‌کند. برای اینکه چنین پدیده‌ای رخ دهد لازم است ماهواره هنگام نزدیک شدن به سیاره (حضیض) مسیر طولانی‌تری را در مدت زمان مشابه طی کند و این تنها زمانی ممکن است که سرعت آن بالاتر باشد.

قوانین فیزیکی و فرمول های حاکم بر حرکت ماهواره‌

فهرست زیر نشان می‌دهد حرکت یک ماهواره بر مبنای کدام قوانین، تعاریف و اصول فیزیکی شکل می‌گیرد:

• گرانش و اینرسی: گرانش نیروی مرکزگرای لازم برای حرکت ماهواره را تامین کرده و پیوسته مسیر مستقیم‌الخط آن را به یک منحنی تبدیل می‌کند، در حالی که اینرسی موجب ادامه حرکت ماهواره به سمت جلو می‌شود.
• سرعت مداری: یک ماهواره در مدار پایدار با سرعت خاصی حرکت می‌کند که به فاصله‌اش از سیاره بستگی دارد. مدارهای پایین‌تر نیازمند سرعت‌های بالاتر هستند در حالی که حرکت در مدارهای بالاتر آهسته‌تر است.
• اصل پایستگی انرژی: مجموع انرژی مداری شامل انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل برای یک مدار مشخص، مقدار ثابتی است. بنابراین هر چه یک ماهواره دورتر شود (شعاع بیشتر)، انرژی پتانسیل آن افزایش و سرعت آن کاهش می‌یابد و برعکس.
• حرکت پرتابه: ماهواره‌ها شبیه پرتابه‌هایی هستند که با سرعت زیاد در راستای افق پرتاب شده‌‌اند و انحنای زمین در زیر آن‌ها با همان نرخی که آن‌ها سقوط می‌کنند، دور می‌شود، یعنی خمیدگی زمین با خمیدگی مسیر سقوط برابر است.
• نیروی مرکزگرا: نیروی گرانش وارد بر ماهواره، نیروی مرکزگرای لازم را برای حفظ حرکت آن در مسیر دایره‌ای را تامین می‌کند.
• مدارهای زمین‌ایستا: در این نوع مدارها ماهواره در یک نقطه ثابت بالای سطح زمین باقی می‌ماند.
• مدارهای قطبی: این مدارها به ماهواره‌ها اجازه می‌دهند تا از بالای قطب‌ها عبور کنند.
• دوره تناوب مداری: دوره تناوب یک مدار ماهواره‌ای توسط قوانین کپلر تعیین می‌شود. این کمیت چگونگی حرکت سیار‌ه‌ها و ماهواره‌ها را تحت اثر نیروی گرانشی توصیف می‌کند.
• نیروهای کشندی یا تیدال: ماهواره‌ها همواره تحت تاثیر نیروهای کشندی ناشی از کشش گرانشی یک جرم بزرگ‌تر قرار دارند که می‌تواند به مرور زمان باعث تغییرات جزئی در مدار آن‌ها شود.

دقت کنید در حرکت ماهواره‌ها در حقیقت دو قانون کلیدی پایستگی اعمال می‌شود، پایستگی انرژی و پایستگی تکانه زاویه‌ای. اصل پایستگی انرژی توضیح می‌دهد که چرا سرعت یک ماهواره در مدار بیضوی تغییر می‌کند، در حالی که پایستگی تکانه زاویه‌ای بیان می‌کند که تکانه زاویه‌ای در طول مدار ثابت می‌ماند. این قانون برای درک دقیق رفتار ماهواره‌ها در مدارهای بیضوی (مانند قانون مساحت‌های برابر کپلر) بسیار حیاتی و مهم است.

همچنین می‌دانیم انرژی مکانیکی کل یک ماهواره شامل انرژی پتانسیل گرانشی و انرژی جنبشی آن است. انرژی پتانسیل گرانشی ($$U_G$$

$$U_G = frac{GMm}{r}$$

در حالی که می‌دانیم فرمول انرژی جنبشی با سرعت رابطه مستقیم دارد. همچنین حداقل سرعتی که یک جسم برای رهایی کامل از کشش گرانشی یک جرم آسمانی و رسیدن به فاصله بی‌نهایت به آن نیاز دارد، سرعت گریز نامیده می‌شود. درک این مفهوم به ما این امکان را می‌دهد که تعیین کنیم آیا یک ماهواره می‌تواند مدار زمین را ترک کرده و به فضای بیرون سفر کند یا خیر. سرعت گریز از قانون پایستگی انرژی استخراج می‌شود و یک حد آستانه از سرعت را فراهم می‌کند. در ادامه فرمول این کمیت را به دست می‌آوریم.

گفتیم طبق اصل پایستگی انرژی مکانیکی در هر دو نقطه (نقطه پرتاب و نقطه نهایی) باید برابر باشند:

$$E _1 = E_2$$

در نقطه پرتاب یا سطح سیاره فرض می‌کنیم جسم با سرعت گریز $$v_{es}$$

$$E_K = frac{1}{2} mv_{es}^2$$

انرژی پتانسیل گرانشی جسم نیز مقدار منفی دارد:

$$E_G= -frac{GMm}{r}$$

بنابراین انرژی کل در نقطه پرتاب برابر می‌شود با:

$$E_1= frac{1}{2} mv^2_{es} -frac{GMm}{r}$$

محاسبه انرژی در نقطه نهایی لحظه‌ای است که جسم به سختی از جاذبه سیاره رها شده و به بی‌نهایت رسیده است. چون سرعت گریز حداقل سرعت لازم است، فرض می‌کنیم جسم در بی‌نهایت به سختی متوقف می‌شود. بنابراین انرژی جنبشی آن صفر است. انرژی پتانسیل گرانشی نیز زمانی که فاصله $$r to infty$$

$$frac{1}{2} mv^2_{es} =frac{GMm}{r}$$

$$Rightarrow v_{es} = sqrt{frac{2GM}{r}}$$

 این فرمول نشان می‌دهد که سرعت گریز فقط به جرم سیاره و فاصله از مرکز آن بستگی دارد. اگر تمایل دارید فرمول‌ها و روابط این بخش را بهتر متوجه شوید، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم رشته ریاضی و تجربی – مرور و حل تمرین فرادرس را مشاهده کنید.

پاسخ به سوالات رایج در مورد حرکت ماهواره ها

در این قسمت به چند سوال مهم در مورد این موضوع که ماهواره چیست و چگونه حرکت می‌کند، پاسخ خواهیم داد.

تعادل نیروی گرانش و اینرسی چگونه بر حرکت ماهواره تاثیر می‌ گذارد؟

حرکت یک ماهواره بر مبنای تعادل بین نیروی گرانش (که ماهواره را به سمت جرم بزرگ‌تر می‌کشد) و اینرسی ماهواره (که تمایل دارد حرکت آن را در یک خط مستقیم حفظ کند) تعیین می‌شود:

• اگر نیروی گرانشی بیش از حد قوی باشد، ماهواره به صورت مارپیچی به سمت داخل حرکت کرده و سقوط می‌کند.
• اگر نیروی گرانشی بیش از حد ضعیف باشد، ماهواره از مدار خود دور می‌شود.

سرعت مناسب ماهواره به آن اجازه می‌دهد تا یک مدار پایدار را دنبال کند، به این مفهوم که در حالی که پیوسته در حال سقوط به سمت سیاره است، اما آنقدر سرعت افقی کافی دارد که همواره از برخورد با آن می‌گریزد.

سرعت مداری چگونه با فاصله از جرم مرکزی تغییر می‌ کند؟

سرعت مداری با افزایش فاصله از جرم مرکزی کاهش پیدا می‌کند. این یک ارتباط مهم است، چون ماهواره‌هایی که در ارتفاعات پایین‌تر قرار دارند (جایی که نیروی گرانشی قوی‌تر است)، نیازمند سرعت‌های بالاتری هستند تا نیروی گرانشی را خنثی کنند، در حالی که ماهواره‌های دورتر می‌توانند با سرعت کمتری حرکت کنند. درک این مفهوم به مهندسان کمک می‌کند تا ماهواره‌ها را برای ماموریت‌های خاص طراحی کنند، چه برای ثابت ماندن در مدار زمین‌ایستا بر فراز یک مکان خاص و چه برای عبور از عرض‌های جغرافیایی مختلف.

قانون گرانش جهانی نیوتن چگونه حرکت ماهواره و سرعت گریز را توضیح می دهد؟

قانون گرانش جهانی نیوتن بیان می‌کند که هر جرمی جرم دیگر را با نیرویی متناسب با حاصل‌ضرب جرم‌های آن‌ها و نسبت عکس مجذور فاصله بین آن‌ها جذب می‌کند. این اصل نه تنها چگونگی حفظ ماهواره‌ها در مدار را از طریق برقراری تعادل بین کشش گرانش و نیروی مرکزگرا تعیین می‌کند، بلکه سرعت گریز را به عنوان حداقل سرعتی که برای غلبه کامل بر این نیروی جاذبه گرانشی مورد نیاز است، تعریف می‌کند. در عمل این درک برای پرتاب فضاپیما، تضمین دستیابی آن‌ها به سرعت‌ها و مسیرهای صحیح برای ورود یا خروج موثر از مدار حیاتی است.

چرا ماهواره‌ ها به هم نمی‌ خورند؟

ناسا و سایر سازمان‌های بین‌المللی مسیر ماهواره‌ها را در فضا ردیابی می‌کنند. احتمال برخورد ماهواره‌ها در فضا کم است، زیرا هنگام پرتاب ماهواره آن را در مدار مشخصی قرار می‌دهند که برای جلوگیری از برخورد با ماهواره‌های دیگر طراحی شده است. اما مدارها می‌توانند با گذشت زمان تغییر کنند و با پرتاب هر چه بیشتر ماهواره‌ها به فضا احتمال برخورد آن‌ها افزایش می‌یابد. در فوریه سال ۲۰۰۹ دو ماهواره ارتباطی در فضا با هم برخورد کردند. با این حال اعتقاد بر این است که این اولین باری است که دو ماهواره دست‌ساز به طور تصادفی با هم برخورد می‌کنند.

سوخت ماهواره‌ ها از کجا تامین می‌ شود؟

ماهواره‌ها سوخت خود را حمل می‌کنند و بر خلاف نحوه استفاده اتومبیل از بنزین و سوخت، ماهواره‌ها از این سوخت برای حفظ سرعت خود در مدار استفاده نمی‌کنند، بلکه آن را برای تغییر مدار یا جلوگیری از برخورد با بقایای اجرام دیگر بکار می‌برند. سوخت ماهواره تروستر است که از سوختن هیدرازین به دست می‌آید. این مواد بسیار سمی و قابل اشتعال بوده و قادراند به خودی خود مشتعل شوند. ماهواره‌هایی که با ۳۰۰ کیلوگرم سوخت در مخازن خود در مدار قرار می‌گیرند، می‌توانند ده سال در مدار باقی بمانند.

انواع ماهواره چیست؟

پس از اینکه با فیزیک و شیوه حرکت ماهواره‌ها در فضا آشنا شدیم، در این بخش با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم انواع ماهواره چیست. همان‌طور که اشاره شد، در حالت کلی ماهواره‌ها در دو گروه طبیعی و مصنوعی طبقه‌بندی می‌شوند. ماهواره‌های مصنوعی دارای اشکال و اندازه‌های مختلف‌اند، اما اکثر آن‌ها حداقل دارای دو قسمت مشترک هستند که شامل یک آنتن و یک منبع تغذیه است. آنتن اطلاعات را از زمین به زمین ارسال و دریافت می‌کند. منبع تغذیه نیز می‌تواند یک صفحه خورشیدی یا باتری باشد. صفحات خورشیدی با تبدیل نور خورشید به برق نیرو را ایجاد می‌کنند.

ماهواره‌ های طبیعی

ماهواره‌ طبیعی نوعی جرم آسمانی است که بدون دخالت انسان و بر اثر قوانین گرانش، به‌ صورت طبیعی به دور یک جسم بزرگتر مانند سیاره می‌چرخد. به عبارت دیگر، هر جرمی که به‌ صورت طبیعی و بدون مشارکت انسان دور یک جرم آسمانی دیگر مداری ایجاد کند، یک ماهواره طبیعی محسوب می‌شود. ویژگی‌های مهم ماهواره‌های طبیعی عبارت‌اند از:

• منشا طبیعی دارند و توسط انسان ساخته نشده‌اند.
• تحت اثر نیروی گرانش به دور جسم مرکزی می‌چرخند.
• معمولا شکل نامنظم یا کروی دارند.

در ادامه چند نمونه ماهواره طبیعی را معرفی خواهیم کرد.

ماه

ماه که تنها قمر طبیعی زمین نیز محسوب می‌شود، پیوسته به دور زمین در حال چرخش است. این جرم آسمانی نقش مهمی در ایجاد پدیده‌هایی مانند جزر و مد و تثبیت محور چرخش زمین دارد. چرخه‌های ماه همواره بخشی از تقویم‌های سنتی و علمی و الهام‌بخش شاعران، نویسندگان و هنرمندان بسیاری بوده است.

فوبوس و دیموس

فوبوس و دیموس دو قمر کوچک و نامنظم سیاره مریخ هستند. این دو قمر اندازه‌ای بسیار کوچکتر از ماه دارند و به دلیل شکل نامتقارن و سطح پوشیده از دهانه‌های برخوردی خود، از دیدگاه علمی در زمینه مطالعه تاریخچه برخوردهای سیاره‌ای و منشا اجرام کوچک سامانه خورشیدی اهمیت ویژه‌ای دارند. دقت کنید قمرهای طبیعی را از نظر منشا شکل‌گیری می‌توانیم به سه گروه تقسیم کنیم:

• قمرهایی که همزمان با سیاره تشکیل می‌شوند، مانند اقمار مشتری.
• قمرهایی که حاصل از برخوردهای عظیم هستند، مانند قمر ماه.
• قمرهایی که ناشی از به‌دام‌افتادگی گرانشی هستند، مانند فوبوس و دیموس.

ماهواره‌ های مصنوعی

ماهواره‌های مصنوعی توسط انسان ساخته می‌شوند و با هدف خاصی در مدارهای مختلفی حول زمین یا سایر اجرام آسمانی قرار می‌گیرند. این ماهواره‌ها بر اساس مدار، کاربرد و ارتفاع خود انواع مختلفی دارند که در ادامه توضیح داده‌ایم.

ماهواره‌ مدار پایینی زمین

ماهواره‌های «مدار پایینی زمین» (Low Earth Orbit) یا LEO در ارتفاعی حدود ۱۶۰ تا ۱۶۰۰ کیلومتری بالاتر از سطح زمین دور آن می‌چرخند. از این ماهواره‌ها در زمینه کاربردهایی مانند اینترنت پر سرعت، تصویربرداری ماهواره‌ای و ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) استفاده می‌شود. مدار پایین‌تر این گروه از ماهواره‌های مصنوعی در مقایسه با سایر ماهواره‌ها، تاخیر سیگنال کمتری داشته و تصاویری با وضوح بالاتر ارائه می‌دهند.

از آنجا که این ماهواره‌ها روزانه چندین بار دور زمین می‌چرخند، برای اینکه پوشش مستمری در یک ناحیه مشخص داشته باشیم، لازم است تعداد زیادی از آن‌ها را در قالب یک صورت فلکی ماهواره‌ای تنظیم کنیم. ماهواره‌های LEO دارای ویژگی‌های زیر هستند:

• با سرعت بسیار بالایی حرکت کرده و هر مدار کامل را تقریبا در ۹۰ دقیقه طی می‌کنند (دوره تناوب مداری بسیار کوتاه).
• به منظور داشتن پوشش جهانی مستمر، به مجموعه‌ای بزرگ و درهم تنیده‌ از صدها یا هزاران ماهواره نیاز است.
• به علت کشش جوی عمر مفید ماهواره‌های LEO کوتاه‌تر و معمولا بین ۷ تا ۱۰ سال است.
• نزدیکی این ماهواره‌ها به زمین منجر به کاهش تاخیر سیگنال و انتقال سریع‌تر داده‌ها می‌شود.
• در زمینه تصویربرداری‌های دقیق از سطح زمین کارایی بالایی نشان داده‌اند.
• برای ماموریت‌های رصدی، علمی، جاسوسی و اینترنت ماهواره‌ای مناسب هستند.
• تعداد زیاد این ماهواره‌ها و سرعت‌های مداری بالای آن‌ها نگرانی‌هایی را در مورد زباله‌های فضایی و خطر برخورد ایجاد کرده است.

ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) و ماهواره‌های سنجش‌ از دور مانند Landsat و Sentinel-2 نمونه‌هایی از این نوع ماهواره‌ها محسوب می‌شوند. همچنین از این مدار برای پروژه‌های مدرن اینترنت ماهواره‌ای مانند استارلینک و وان‌وب به‌ طور گسترده استفاده می‌شود. پس سرعت بالا، تاخیر کم و امکان پوشش منطقه‌ای سریع از مزایای اصلی LEO هستند.

ماهواره‌ مدار میانی زمین

ماهواره‌های «مدار میانی زمین» (Medium Earth Orbit) یا MEO در ارتفاعی حدود ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰ کیلومتر از سطح زمین فعالیت می‌کنند . این ماهواره‌ها با ایجاد تعادل بین تاخیر پایین ماهواره‌های LEO و پوشش گسترده ماهواره‌های GEO، ویژگی‌هایی به شکل زیر دارند:

• دوره‌ تناوب مداری این ماهواره‌ها معمولا بین دو ساعت تا کمتر از ۲۴ ساعت متغیر است.
• ماهواره‌های MEO نسبت به سطح زمین ثابت نیستند و برای پوشش مستمر یک ناحیه به آرایه‌ای متشکل از چندین ماهواره نیاز دارند.
• در مقایسه با نوع LEO به تعداد کمتری از ماهواره‌های MEO برای پوشش جهانی نیاز است، البته تعداد آن‌ها از ماهواره‌های GEO بیشتر است‌ (یک آرایه MEO ممکن است برای دسترسی جهانی فقط به شش ماهواره نیاز داشته باشد).
• سیستم‌های MEO تاخیر متعادلی دارند که بهتر از سیستم‌های GEO است و این ویژگی برای خدمات ناوبری و ارتباطات آنی قابل‌قبول است.
• ماهواره‌های MEO برای انتقال سیگنال در فواصل بیشتر به فناوری قدرتمندتری نیاز دارند. این امر باعث افزایش هزینه‌های ساخت و پرتاب آن‌ها نسبت به ماهواره‌های LEO می‌شود.
• در کاربردهای ناوبری، مخابرات متوسط‌برد و سیستم‌های موقعیت‌یابی مناسب‌اند.

تصویر بالا تفاوت مدار پایینی، میانی و بالایی زمین را به خوبی نمایش می‌دهد. ماهواره‌های سامانه GPS و سامانه‌های مشابهی مانند GLONASS و Galileo از جمله انواع ماهواره‌های مدار میانی زمین محسوب می‌شوند. همان‌طور که اشاره شد، MEO نقطه تعادل بین پوشش وسیع و تعداد نسبتا کم ماهواره‌ها است، به‌گونه‌ای که پوشش جهانی با تعداد محدودی ماهواره ممکن می‌شود.

ماهواره‌ مدار زمین‌ ثابت

ماهواره‌های «مدار زمین‌ ثابت» (Geostationary) یا GEO در ارتفاعی حدود ۳۵٫۷۸۶ کیلومتر بالاتر از خط استوا به دور زمین می‌چرخد و سرعت آن دقیقا با سرعت چرخش زمین مطابقت دارد. چنین تطابقی باعث می‌شود که این ماهواره از دید ناظران زمینی در یک نقطه ثابت از آسمان دیده شود و امکان ارتباطات، پخش تلویزیونی و نظارت دائمی بر آب و هوای یک منطقه مشخص را فراهم کند. مهم‌ترین ویژگی‌های GEO به شرح زیر است:

• این ماهواره هر مدار را دقیقا در همان مدت زمانی که زمین یک بار به دور محور خود می‌چرخد (حدود ۲۴ ساعت) کامل می‌کند. پس سرعت مداری GEO با سرعت چرخش زمین برابر است.
• از دیدگاه ناظر زمینی این ماهواره در آسمان ثابت بنظر می‌رسد، زیرا سرعت و جهت مداری آن کاملا با چرخش زمین مطابقت دارد.
• تنها یک ماهواره GEO قادر است یک منطقه جغرافیایی بزرگ را پوشش دهد. پس با قرار دادن سه ماهواره در فواصل مساوی از یکدیگر، می‌توان تقریبا تمام کره زمین به جز قطب‌ها را پوشش داد.
• نمونه ایده‌آلی برای مخابرات، تلویزیون و هواشناسی محسوب می‌شود.

ماهواره‌های هواشناسی GOES و ماهواره‌های مخابراتی مانند Intelsat نمونه‌‌هایی از این دسته از ماهواره‌های مصنوعی محسوب می‌شوند. مزیت اصلی GEO پایداری آن و نیاز نداشتن به تعداد زیاد ماهواره است، اما باید توجه شود که فاصله زیاد باعث افزایش تاخیر سیگنال (Latency) می‌شود که در برخی کاربردها محدودیت ایجاد می‌کند.

ماهواره‌ مدار خورشید همگام

ماهواره‌‌های «مدار خورشید همگام» (Sun-Synchronous Orbit) یا SSO معمولا در ارتفاعی بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر و در یک مدار قطبی پایین (Low Polar Orbit) از قطب شمال تا قطب جنوب می‌چرخند و این اطمینان را ایجاد می‌کنند که هر روز در یک ساعت محلی یکسان از روی بخش مشخصی از زمین عبور کنند. این وضعیت نوردهی ثابت، ماهواره‌های SSO را برای کاربردهایی مانند مشاهده زمین، پایش محیط زیست و ماهواره‌های هواشناسی ایده‌آل کرده است، چرا که می‌توانند داده‌های ثابتی را برای مقایسه در طول زمان جمع‌آوری کنند.

ویژگی‌های این گروه از ماهواره‌های مصنوعی شامل موارد زیر است:

• مسیر ماهواره SSO تقریبا عمودی است و از بالای قطب شمال و جنوب یا نزدیک به آن‌ها عبور می‌کند.
• با توجه به اینکه صفحه مداری ماهواره SSO همگام با چرخش زمین به دور خورشید می‌چرخد، همیشه در یک ساعت محلی مشخص (برای مثال ساعت ۱۰ صبح) از خط استوا عبور می‌کند.
• زاویه میل مداری این نوع ماهواره‌ها نسبت به استوا تقریبا ۹۸ درجه است.
• در کاربردهایی مانند سنجش‌ از راه دور و پایش محیط‌ زیست بسیار مفیداند.

Landsat 8 و Sentinel-3 دو نمونه مثال از SSOها هستند. همچنین همان‌طور که اشاره شد، این گروه از ماهواره‌های مصنوعی امکان مقایسه دقیق داده‌ها در طول زمان را فراهم می‌کنند، زیرا زاویه تابش خورشید در تصاویر متوالی آن‌ها تقریبا یکسان است.

ماهواره‌ مدار انتقال به زمین‌ ثابت

ماهواره‌های «مدار انتقال به زمین‌ ثابت» (Geostationary Transfer Orbit) یا GTO ابتدا در مداری بیضوی با اوج بالا و حضیض پایین قرار می‌گیرند تا بعدها به کمک نیروی موتورهای خود به مدار GEO منتقل شوند. پس این ماهواره در یک مدار بیضوی و موقتی قرار دارد و از این مدار برای حرکت از یک مدار پایین زمین به مدار عملیاتی نهایی خود که همان مدار زمین‌ ایستا است، استفاده می‌کند. فرآیند به این صورت است که ابتدا ماهواره توسط موشک در این مدار GTO قرار می‌گیرد و سپس با استفاده از موتور داخلی خود مانور می‌دهد تا وارد مدار دایره‌ای و مرتفع زمین‌ ایستا شود و بتواند در موقعیت ثابتی بالای زمین باقی بماند.

ویژگی‌‌های این نوع ماهواره را به شرح زیر می‌توان در نظر گرفت:

• پرتاب اولیه GTO به وسیله یک راکت انجام می‌شود تا در یک مدار بیضوی انتقال قرار گیرد. در این مدار یک سر آن (نقطه اوج) در ارتفاع مدار زمین‌ ایستا (تقریبا ۳۵٫۷۸۶ کیلومتر) و سر دیگر آن (نقطه حضیض) در ارتفاع بسیار پایین‌تری است.
• ماهواره از موتور داخلی خود استفاده می‌کند تا در لحظه‌ای که به نقطه اوج (بالاترین نقطه) مدار GTO می‌رسد، شلیک کند.
• این شلیک (اصلاح مداری) باعث می‌شود که مدار ماهواره از بیضوی به دایره‌ای شکل تبدیل شده و آن را به یک مدار زمین‌ ایستا (GEO) تبدیل کند.
• GTO روشی مناسب از نظر مصرف سوخت است و کمک می‌کند تا ماهواره‌ها (به ویژه ماهواره‌های مخابراتی) به مدار عملیاتی نهایی خود دست یابند.
• کاهش هزینه سوخت و افزایش بهره‌وری پرتاب منجر به استفاده گسترده GTOها در انتقال ماهواره‌های مخابراتی سنگین شده است.

نمونه‌هایی از این نوع ماهواره موشک Ariane 5 و ماهواره‌های Inmarsat و Eutelsat است. GTO از نظر انرژی بسیار کارآمد است و بیشتر ماهواره‌های مخابراتی بزرگ ابتدا در GTO قرار گرفته و سپس به‌وسیله «موتور انتقال مداری» به GEO منتقل می‌شوند.

کاربردهای ماهواره چیست؟

پس از اینکه یاد گرفتیم انواع ماهواره چیست، در این بخش با کاربردهای مختلف آن‌ها آشنا می‌شویم. فهرست زیر این کاربردها را معرفی کرده است:

• ارتباطات (تلویزیون، تلفن و تراکنش‌های مالی)
• ناوبری (GPS و خدمات اشتراک خودرو)
• عکاسی، تصویربرداری و مطالعات علمی (مشاهده و پایش زمین و انجام تحقیقات علمی)
• پیش‌بینی وضعیت آب و هوا و اقلیم‌شناسی (هواشناسی و مطالعات اقلیمی)
• ایمنی و واکنش‌های اضطراری (مدیریت بلایا و کنترل بیماری‌ها)

ارتباطات

کاربرد ماهواره در حوزه ارتباطات را می‌توانیم به سه زیر گروه تلویزیون، تلفن و کسب و کار و امور مالی تقسیم کنیم. برای کسب اطلاعات تکمیلی در این زمینه پیشنهاد می‌کنیم مطلب زیر از مجله فرادرس را مطالعه کنید:

تلویزیون

ماهواره‌ها موجب انتقال مستقیم برنامه‌های تلویزیونی به خانه‌ها می‌شوند. به همین علت می‌توان گفت ماهواره‌ها عنصر اصلی موفقیت شبکه‌های تلویزیونی، پخش‌های زنده و حتی سرویس‌های OTT به شمار می‌روند.

تلفن

تماس‌های تلفنی در هواپیماها، ارتباطات صوتی در مناطق دورافتاده یا بحران‌زده و هماهنگی شبکه‌های تلفن همراه همگی به کمک ماهواره‌ها انجام می‌شوند.

کسب‌ و کار و امور مالی

از تایید چند ثانیه‌ای تراکنش‌های کارت اعتباری گرفته تا برگزاری ویدئو کنفرانس میان کشورها، تمامی این امور به کمک ماهواره‌های مخابراتی صورت می‌گیرد.

ناوبری

در این بخش توضیح می‌دهیم یکی دیگر از مهم‌ترین کاربردهای ماهواره چیست. ماهواره‌ها نقش تعیین‌ کننده‌ای در ناوبری مدرن دارند. منظور از ناوبری ماهواره‌ای استفاده از مجموعه‌ای از ماهواره‌ها است که سیگنال‌های دقیق زمانی و مکانی را به گیرنده‌های روی زمین می‌فرستند و به آن‌ها این امکان را می‌دهند تا موقعیت، سرعت و زمان دقیق را مشخص کنند. در ادامه توضیح می‌دهیم دو مورد از کاربردهای حوزه ناوبری ماهواره چیست.

GPS

با کاربرد سامانه موقعیت‌یاب جهانی یا GPS کاربران می‌توانند با استفاده از مجموعه‌ای از ماهواره‌ها موقعیت خود را با دقت چند متر تشخیص دهند. به این ترتیب چه در خودرو باشید، چه در حال دریانوردی یا حتی اگر در جنگل گم شده باشید، GPS همواره به کمک شما می‌آید.

خدمات اشتراک خودرو

فناوری شرکت‌هایی مانند Zipcar برای ردیابی موقعیت خودروهایشان به‌ طور گسترده به ماهواره‌ها وابسته است.

تصویربرداری و مطالعات علمی

کاربرد مهم دیگر ماهواره‌ها در حوزه عکاسی و تصویربرداری‌های موردنیاز در راستای مطالعات علمی است. مشاهده و پایش زمین و تصویربرداری‌های دقیق علمی به منظور انجام تحقیقات محیط‌ زیستی از جمله شاخه‌های این گروه از کاربردهای ماهواره‌اند.

مشاهده و پایش زمین

ماهواره‌ها می‌توانند با ارائه یک نمای هوایی و وسیع از زمین به پایش و مشاهده دقیق‌تر آن کمک کنند. این ابزارها قادراند ابرها، اقیانوس‌ها، آتش‌سوزی‌ها، فعالیت‌های آتشفشانی و بسیاری از پدیده‌های دیگر را ثبت و پایش کنند. کشاورزان از این داده‌ها برای انتخاب محصولات مناسب استفاده می‌کنند و اقلیم‌شناسان نیز از آن‌ها برای بررسی تغییرات اقلیمی بهره می‌برند.

تحقیقات علمی

از تصاویر با کیفیت ماهواره‌ای در زمینه تحلیل‌های محیط‌ زیستی، برنامه‌ریزی کاربری اراضی، مدیریت منابع طبیعی و واکنش به بلایای طبیعی استفاده می‌شود.

پیش‌ بینی هوا و اقلیم

در این بخش توضیح می‌دهیم چهارمین کاربرد ماهواره چیست. کاربردهای ماهواره در زمینه پیش‌بینی آب و هوا و اقلیم به دو بخش هواشناسی و مطالعات اقلیمی تقسیم می‌شود.

هواشناسی

ماهواره‌های هواشناسی چشم‌اندازی گسترده از جو زمین در اختیار هواشناسان قرار می‌دهند و طوفان‌ها، آتش‌فشان‌ها و دیگر پدیده‌ها را رصد می‌کنند.

مطالعات اقلیمی

از طریق ماهواره‌ها می‌توان الگوهای تغییرات اقلیمی، اندازه یخ‌پوشه‌های قطبی و پدیده‌هایی مانند النینیو را بررسی کرد.

ایمنی و واکنش های اضطراری

در آخرین بخش با کاربردهای ماهواره در حوزه ایمنی بیشتر آشنا می‌شویم.

مدیریت بلایا

در هنگام وقوع زلزله، سیل یا آتش‌سوزی، ماهواره‌ها وضعیت واقعی منطقه آسیب‌دیده را نشان می‌دهند. این داده‌ها به نیروهای امدادی کمک می‌کند تصمیم‌های سریع و نجات‌بخش بگیرند.

کنترل بیماری‌ ها

ماهواره‌ها قادرند الگوهای پراکندگی بیماری‌ها و محل‌های احتمالی رشد حشرات ناقل بیماری‌ها مانند پشه‌ها را شناسایی کنند.

یادگیری فیزیک مکانیک برای دانشجویان با فرادرس

کتاب‌های فیزیک پایه دانشگاهی در اغلب رشته‌ها شامل علوم پایه و مهندسی تدریس می‌شوند و یکی از مهم‌ترین مباحث این کتاب‌ها، فیزیک مکانیک است. در همین راستا، فرادرس چند دوره آموزشی با عنوان فیزیک پایه دانشگاهی تهیه کرده است که تماشای این دوره‌ها به یادگیری بهتر شما کمک خواهد کرد:

1. فیلم آموزش رایگان بردارها در فیزیک ۱ دانشگاهی فرادرس
2. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ فرادرس
3. فیلم آموزش فیزیک ۱ دانشگاهی با رویکرد حل مساله فرادرس
4. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ مرور و حل مساله فرادرس
5. فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ مرور و حل تست فرادرس
6. فیلم آموزش رایگان فیزیک پایه ۱ حرکت دورانی فرادرس
7. فیلم آموزش رایگان حرکت ذره در سه بعد در مکانیک تحلیلی فرادرس

همچنین دو فیلم آموزشی فرادرس با موضوع کاربرد نرم‌افزار و حل مسائل حرکت‌شناسی، شامل موارد زیر هستند:

1. فیلم آموزش رایگان شبیه سازی حرکت یک پرتابه در متلب فرادرس
2. فیلم آموزش حل مسائل فیزیک با پایتون فرادرس

نقش ماهواره ها در آینده

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس بررسی می‌کنیم ماهواره‌ها چه نقش مهمی در زندگی آینده انسان‌ها ایفا می‌کند. به طور کلی پیش‌بینی می‌شود که ماهواره‌ها در آینده منجر به توسعه و پیشرفت در حوزه‌های زیر خواهند شد:

• فناوری ارتباطات کوانتومی
• ابرشهرها و اتصالات شهری
• هوش مصنوعی در فضا
• کوچک‌‌سازی و کیوب‌‌ست‌ها
• پایش محیط‌ زیست

در ادامه این بخش هر مورد را بیشتر توضیح می‌دهیم.

فناوری ارتباطات کوانتومی

ماهواره‌ها در آینده نقش مهمی در گسترش ارتباطات کوانتومی ایفا خواهند کرد. جهانی را تصور کنید که در آن فاصله اهمیتی ندارد و تاخیرهای ناشی از ارسال سیگنال به نقاط دوردست از بین رفته‌اند. ارتباطات کوانتومی امکان ارسال بسیار سریع و در عین حال کاملا امن داده‌ها را فراهم می‌کنند. ماهواره‌های مجهز به فناوری کوانتومی، انتقال داده‌ها را به شکلی انجام می‌دهند که حتی بهترین هکرها نیز قادر به رمزگشایی آن نباشند. برای مثال، یک ماهواره می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی رمزگذاری‌ شده‌ای را به زمین ارسال کند که از لحاظ امنیتی تقریبا غیرقابل‌نفوذ باشند. این تحول برای دولت‌ها، صنایع مالی و تمام حوزه‌هایی که با داده‌های حساس سروکار دارند، بسیار مهم و حیاتی خواهد بود.

ابرشهرها و اتصالات شهری

با رشد جمعیت و افزایش تمایل به شهرنشینی، تعداد ابرشهرها و کلان‌شهرها رو به افزایش است و ماهواره‌ها نقش مهمی در اتصال این شهرها به یکدیگر خواهند داشت. در شهرهای هوشمند آینده، از ماهواره‌ها در زمینه مدیریت حمل‌ و نقل، پایش شرایط آب‌ و هوایی و اقلیمی، کنترل بحران‌ها و مدیریت بلایا استفاده می‌شود. همچنین می‌توان از ماهواره‌ها در مدیریت ترافیک نیز بهره برد.

هوش مصنوعی در فضا

با اینکه در حال حاضر هوش مصنوعی اغلب روی زمین و در ابزارهایی مانند دستیارهای مجازی استفاده می‌شود، اما در آینده استفاده از آن در فضا نیز رواج خواهد یافت. ماهواره‌های نسل جدید حجم بسیار بزرگی از داده‌ها را تحلیل می‌کنند و به کمک الگوریتم‌های هوش مصنوعی شرایط جوی فضا را پیش‌بینی کرده و عملیات خود را به‌ طور خودکار تنظیم خواهند کرد. این تحول را نوعی «خودبهبوددهی» برای ماهواره‌ها در نظر می‌گیرند.

کوچک‌ سازی و کیوب‌ ست‌

کیوب‌‌ست‌ها (CubeSats) ماهواره‌های مکعبی کوچک، کم هزینه و استاندارد شده‌ای هستند که با هدف آموزش، آزمایش و اکتشاف فضا طراحی می‌شوند. در واقع این ابزارها نسل جدیدی از ماهواره‌ها هستند که کوچکتر، سبکتر و چابکتر از ماهواره‌های سنتی‌اند. این ماهواره‌های مکعبی کوچک هزینه تولید و پرتاب پایینی دارند و در مدت‌ زمان کوتاهی ساخته می‌شوند. به همین دلیل بسیاری آن‌ها را «اسپرسوهای فناوری فضایی» نیز می‌نامند! کیوب‌ست‌ها در آینده دسترسی به فضا را برای دانشگاه‌ها، استارتاپ‌ها و حتی علاقه‌مندان مستقل آسانتر خواهند کرد.

پایش محیط‌ زیست

ماهواره‌ها نقش مهمی در نظارت بر وضعیت سلامت زمین دارند و می‌توان از آن‌ها در جنگل‌زدایی، بررسی میزان گازهای گلخانه‌ای، بررسی رطوبت خاک و روند ذوب شدن یخ‌های قطبی استفاده کرد. به عبارت دیگر، ماهواره‌ها همچون یک «ردیاب سلامتی جهانی» برای زمین عمل می‌کنند.