Почему МКС, Landsat, GPS, GOES и «Уэбб» летают именно там, где летают

По материалам 18 источников: NASA (6), NASA Goddard Scientific Visualization Studio (3), NOAA NESDIS (3), NASA Earth Observatory и ещё 5. Чтение — около 10 минут. Проверено 1 октября 2026 года.

С разных мест в театральном зале спектакль видится по-разному, и точно так же разные околоземные орбиты открывают спутникам разный обзор — и каждый ценен по-своему. Одни спутники словно зависают над одной точкой и постоянно видят одну и ту же сторону Земли, другие облетают планету и за сутки проносятся над множеством разных мест.¹

По сути, околоземные орбиты бывают трёх типов: высокие, средние и низкие. Многие метеорологические спутники и некоторые спутники связи летают по высокой орбите, дальше всего от поверхности. На средней орбите находятся, в частности, навигационные спутники. Большинство научных спутников, включая аппараты Системы наблюдения Земли НАСА (Earth Observing System), летают по низкой орбите.¹ Ещё дальше, примерно в 1,5 миллиона километров от Земли, есть точки равновесия, где космический аппарат может не отставать от нашей планеты, пока она обходит Солнце.¹⁵

Высота задаёт скорость

Высота орбиты, то есть расстояние от спутника до поверхности Земли, определяет, как быстро спутник обращается вокруг планеты. Движением околоземного спутника управляет в основном земное притяжение. Чем ближе спутник к Земле, тем сильнее притяжение и тем быстрее он движется. Например, спутнику НАСА Aqua на высоте около 705 км нужно около 99 минут на один оборот вокруг Земли, а метеоспутник примерно в 36 000 км от поверхности совершает оборот за 23 часа 56 минут 4 секунды. Луна, удалённая на 384 403 км от центра Земли, делает один оборот за 28 суток.¹

Если изменить высоту спутника, изменится и его орбитальная скорость, и здесь возникает странный парадокс. Оператор, который хочет увеличить орбитальную скорость спутника, не может просто включить двигатели, чтобы его разогнать: орбита от этого поднимется, а орбитальная скорость упадёт. Вместо этого двигатели нужно включить против направления движения спутника — на земле такой манёвр затормозил бы любую машину. Спутник переходит на более низкую орбиту, и скорость его движения по ней растёт.¹

Помимо высоты, орбиту спутника определяют эксцентриситет и наклонение. Эксцентриситет описывает форму орбиты: спутник на орбите с малым эксцентриситетом движется почти по кругу, а вытянутая орбита — это эллипс, и расстояние от спутника до Земли меняется в зависимости от того, в какой точке орбиты он находится. Наклонение — это угол между орбитой и земным экватором. У спутника, который летает точно над экватором, наклонение нулевое; у того, что проходит от Северного полюса к Южному, — 90 градусов. Вместе высота, эксцентриситет и наклонение определяют путь спутника и то, какой он увидит Землю.¹

99 мин

Один оборот полярного спутника наблюдения Земли на высоте 705 км¹

12 ч

Один оборот спутника GPS на высоте 20 200 км¹

23 ч 56 мин

Один оборот на геостационарной высоте — столько же длится один оборот Земли¹

28 суток

Один оборот Луны в 384 403 км от центра Земли¹

от 160 до 2000 км

Низкая околоземная орбита

Космическая станция обращается на высоте около 420 км и делает виток за 92 минуты. Здесь работают пилотируемые корабли, грузовики и большинство спутников наблюдения Земли.

1. Низкая околоземная орбита
2. Солнечно-синхронная орбита
3. Средняя околоземная орбита
4. Геостационарная орбита
5. Точка L2 системы Солнце — Земля

Перетащите, чтобы повернуть. Расстояния и размеры в масштабе.

Низкая околоземная орбита: долететь можно за несколько часов

На снимке со станции с длинной выдержкой огни мексиканского полуострова Юкатан вытянулись в полосы. 23 января 2025 года.

NASA

Низкая околоземная орбита начинается сразу над верхней границей атмосферы. Большинство научных спутников и многие метеоспутники летают по почти круговой низкой орбите, а наклонение зависит от того, за чем спутник должен наблюдать: аппарат для измерения тропических осадков летал с наклонением 35 градусов и держался вблизи экватора.¹

Самый известный здешний обитатель — Международная космическая станция (МКС). Её экипаж мчится со скоростью 8 км/с и облетает Землю примерно за 90 минут; за сутки станция делает 16 витков, встречает 16 восходов и 16 закатов, а её трасса проходит над местами, где живёт 90% населения Земли.² Ночью 25 октября 2025 года, когда был сделан снимок в начале этой страницы, станция находилась на высоте 415 км.¹⁸ Наклонение орбиты станции — 51,6 градуса: его выбрали так, чтобы до неё могли добраться и американские, и российские ракеты. При малом наклонении ракета на старте заимствует скорость у вращающейся Земли; спутнику на полярной орбите вращение Земли ничем не помогает, и, чтобы выйти на ту же высоту, ему нужно больше энергии.¹

Именно близость сделала станцию местом, где работают люди. Корабль может прибыть туда всего через четыре часа после старта с Земли.² Экипаж Crew-13, стартовавший с мыса Канаверал утром 1 октября 2026 года, должен был пристыковаться к модулю «Гармония» вечером того же дня, примерно через 7 часов 50 минут после старта.³ У этой близости есть цена: даже самые разреженные верхние слои атмосферы тормозят всё, что летает на низкой орбите.¹

Солнечно-синхронная орбита: одинаковое освещение на каждом витке

Многие спутники Системы наблюдения Земли НАСА летают по почти полярной орбите. На такой орбите с большим наклонением спутник движется вокруг Земли от полюса к полюсу и совершает оборот примерно за 99 минут. Половину витка он видит дневную сторону Земли, а над полюсом переходит на ночную. Пока спутники обращаются по орбите, Земля поворачивается под ними. Когда спутник снова выходит на дневную сторону, он оказывается над районом, соседним с тем, что он видел на предыдущем витке. За сутки полярные спутники дважды просматривают большую часть Земли: один раз днём и один раз ночью.¹

У геосинхронных спутников есть заветное место над экватором, где они остаются над одной точкой Земли; точно так же у полярных спутников есть заветная орбита, на которой они словно остаются в одном и том же времени суток. Это солнечно-синхронная орбита: когда и где бы спутник ни пересекал экватор, местное солнечное время на земле всегда одно и то же.¹ Aqua всегда пересекает экватор с юга на север около 13:30 по местному времени.⁵

Солнечно-синхронная орбита нужна науке, потому что на ней угол падения солнечных лучей на поверхность Земли остаётся как можно более постоянным, хотя от сезона к сезону он меняется. Благодаря этому учёные могут сравнивать снимки одного и того же сезона за несколько лет, не слишком беспокоясь о резких различиях в тенях и освещении, которые могут создать иллюзию перемен.¹

Так же работает Landsat. Landsat 9 летает по солнечно-синхронной почти полярной орбите на высоте 705 км с наклонением 98,2 градуса. Он повторяет свою трассу каждые 16 дней, пересекает экватор в 10:12 плюс-минус пять минут и летит со сдвигом в восемь дней относительно Landsat 8, так что вместе они снимают всю сушу планеты каждые восемь дней.⁴ Коридор, в котором спутник остаётся солнечно-синхронным, очень узок. Любое отклонение по высоте или наклонению выводит его с этой орбиты, а поскольку сопротивление атмосферы и притяжение Солнца и Луны меняют орбиту спутника, удерживаться на ней можно только с помощью регулярных коррекций.¹

Средняя околоземная орбита: двенадцать часов и предсказуемое небо

Спутники на средней околоземной орбите движутся быстрее, чем те, что летают гораздо выше. Полусинхронная орбита — почти круговая орбита в 26 560 км от центра Земли, примерно в 20 200 км над поверхностью. Спутник на этой высоте совершает оборот за 12 часов. Пока он движется, Земля поворачивается под ним, и за сутки спутник проходит над одними и теми же двумя точками на экваторе. Эта орбита стабильна и очень предсказуема. Именно её использует система глобального позиционирования GPS.¹

Спутники GPS распределены по шести равноотстоящим орбитальным плоскостям вокруг Земли. В каждой плоскости четыре позиции для основных спутников, и такая схема из 24 позиций гарантирует, что практически из любой точки планеты видно не меньше четырёх спутников. Космические силы США обычно держат на орбите больше 24 аппаратов, чтобы не терять покрытия, когда основные спутники проходят обслуживание или выводятся из эксплуатации; а уже значительно больше десяти лет в группировке летает 31 действующий спутник.⁶

Геостационарная орбита: вид, который не меняется

Когда спутник оказывается ровно в 42 164 км от центра Земли (примерно в 36 000 км от поверхности), он попадает в особую зону, где его обращение совпадает с вращением Земли. Спутник обходит Землю с той же скоростью, с какой она поворачивается, и поэтому словно стоит на месте над одной долготой. Спутник на круговой геосинхронной орбите точно над экватором находится на геостационарной орбите и совсем не движется относительно земли: он всегда висит над одним и тем же местом земной поверхности.¹

Геостационарная орбита исключительно ценна для наблюдения за погодой, потому что спутники на ней постоянно видят один и тот же участок поверхности. Когда вы смотрите на спутниковый снимок родного города на сайте с прогнозом погоды, этот снимок сделан со спутника на геостационарной орбите.¹ Спутники GOES агентства NOAA (Национальное управление океанических и атмосферных исследований) обращаются в 35 786 км над экватором. GOES-19 работает как восточный спутник NOAA (GOES East), а GOES-18 — как западный (GOES West); вместе они наблюдают больше половины земного шара — от западного побережья Африки до Новой Зеландии и от окрестностей Северного полярного круга до Южного. Их камеры могут присылать снимки штормов с интервалом всего в 30 секунд.⁷

Поскольку геостационарные спутники всегда находятся над одним местом, они удобны и для связи.¹ Оттуда работает и собственная ретрансляционная сеть НАСА. Её спутники слежения и ретрансляции данных на геосинхронной орбите над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами ретранслируют данные более чем 25 миссий, включая космический телескоп «Хаббл» и Международную космическую станцию, и обеспечивают почти непрерывную связь аппаратов, летающих ниже геосинхронной орбиты, с наземными станциями НАСА в Уайт-Сэндсе (Нью-Мексико) и на Гуаме.⁹

У неподвижного обзора есть пределы. Спутник над экватором видит высокие широты только по касательной — это одна из причин, по которым существуют полярные орбиты и орбиты «Молния».¹ NOAA сочетает оба типа орбит. Спутники GOES непрерывно следят за одним полушарием, пока развиваются штормы, а полярные спутники поручают основную работу самой Земле: она вращается под ними, и они каждый день видят погоду над всей планетой.⁸

Точки Лагранжа: вместе с Землёй вокруг Солнца

Точки Лагранжа — места в пространстве, где отправленные туда объекты стремятся оставаться на месте. В точке Лагранжа притяжение двух больших масс в точности равно центростремительной силе, которая нужна малому телу, чтобы двигаться вместе с ними, поэтому космическим аппаратам в этих точках нужно меньше топлива, чтобы удерживать положение.¹⁰ Из пяти точек Лагранжа системы Солнце — Земля устойчивы только L4 и L5. Спутник в любой из трёх остальных похож на мяч, балансирующий на вершине крутого холма: малейшее возмущение столкнёт его оттуда.¹ Точки L1 и L2 неустойчивы на временном масштабе около 23 суток, поэтому спутникам, обращающимся вокруг них, приходится регулярно корректировать курс.¹⁰

Вторая точка Лагранжа находится примерно на том же расстоянии от Земли, но с противоположной стороны: Земля всегда между L2 и Солнцем.¹ Космический телескоп «Джеймс Уэбб», в отличие от космического телескопа «Хаббл», обращается не вокруг Земли. Он обращается вокруг Солнца в 1,5 миллиона километров от Земли, вблизи L2, и особенность этой орбиты в том, что телескоп всё время остаётся на одной линии с Землёй, пока оба движутся вокруг Солнца. Благодаря этому большой солнцезащитный экран обсерватории закрывает телескоп от света и тепла Солнца, Земли и Луны.¹⁵

«Уэбб» наблюдает в основном в инфракрасном свете, который иногда ощущается как тепло, поэтому его нужно заслонять от любого яркого горячего источника. Чтобы солнцезащитный экран защищал от Солнца, Земли и Луны, все три тела должны находиться в одном направлении — поэтому телескоп и вынесен в L2. «Уэбб» не стоит в самой точке L2, а обращается вокруг неё по петле размером примерно с орбиту Луны вокруг Земли; один оборот занимает около шести месяцев, и на этой орбите телескоп не попадает ни в тень Земли, ни в тень Луны.¹⁵ Поскольку L2 всегда находится в одном и том же направлении от Земли, антенны Сети дальней космической связи в Австралии, Испании и Калифорнии могут поддерживать с телескопом связь, пока Земля вращается.¹⁵ 30 августа 2026 года к той же цели стартовал космический телескоп НАСА «Нэнси Грейс Роман».¹⁶

Сопротивление атмосферы, гравитация и мусор: почему спутникам приходится маневрировать

Вывести спутник на орбиту мало — обычно нужны усилия, чтобы он там удержался. Земля не идеальный шар, и в одних местах её притяжение сильнее, чем в других. Эта неравномерность вместе с притяжением Солнца, Луны и Юпитера меняет наклонение орбиты спутника. Спутники GOES за время работы приходится три-четыре раза перемещать, чтобы удержать на месте, а низкоорбитальные спутники НАСА раз в год-два корректируют наклонение, чтобы оставаться солнечно-синхронными.¹

Кроме того, спутники на низкой околоземной орбите сбивает с орбиты сопротивление атмосферы, и при активном Солнце оно сильнее. Как воздух в воздушном шаре расширяется при нагревании, так и атмосфера поднимается и расширяется, когда Солнце добавляет ей энергии, поэтому в максимум солнечной активности спутник летит через более плотный воздух. Когда Солнце спокойно, низкоорбитальным спутникам приходится поднимать орбиту примерно четыре раза в год; на пике солнечной активности спутнику может понадобиться манёвр каждые две-три недели.¹

Третья причина передвигать спутник — уводить его с пути космического мусора. 10 февраля 2009 года спутник связи американской компании Iridium столкнулся с неработающим российским спутником на высоте 790 км над Землёй. Оба разрушились, образовав облако не менее чем из 2500 обломков.^1,17 Сейчас известно более 25 000 объектов крупнее 10 см, а частиц размером от 1 до 10 см, по оценкам, 500 000, и ещё более 100 млн частиц крупнее миллиметра; крупные объекты постоянно отслеживает Сеть космического наблюдения США. Большая часть орбитального мусора находится в пределах 2000 км от поверхности, а сильнее всего он сконцентрирован на высотах около 750–1000 км.¹⁷ Обломки от столкновения со спутником Iridium отбросило вниз, до высоты 705 км, где летают спутники Системы наблюдения Земли НАСА, и теперь инженеры планируют там манёвры уклонения от них.¹