Orbita geostazionaria

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Rappresentazione in scala dell'orbita geostazionaria

Un'orbita geostazionaria (in inglese: Geostationary Earth Orbit o GEO) è un'orbita circolare ed equatoriale, situata ad una altezza tale che il periodo di rivoluzione di un satellite che la percorre coincide con il periodo di rotazione della Terra. È un caso particolare di orbita geosincrona.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

Tale orbita viene definita 'geostazionaria' in quanto per un osservatore a terra, il satellite appare fermo in cielo, sospeso sempre al di sopra del medesimo punto dell'equatore, muovendosi alla stessa velocità angolare della Terra.

Per pianeti diversi dalla Terra, tale orbita è anche detta isosincrona. Non per tutti i pianeti è possibile che vi sia un'orbita stazionaria, in quanto la loro velocità di rotazione può essere tale da richiedere che il satellite stia in un'orbita troppo vicina oppure troppo lontana per essere stabile.

Nel caso della Terra, il satellite deve percorrere l'orbita in un tempo uguale al giorno siderale, Trot = 23 h 56 min 4,09 s = 86 164,09 s.
Il raggio di tale orbita può essere determinato mediante la terza legge di Keplero:

r_{geos} =\sqrt [3] {\frac {G M T_{rot}^2} {4 \pi^2}} = 42 \; 168 \; km

essendo G = 6.67428 ± 0.00067 × 10−11 m3 kg−1 s−2 la costante di gravitazione universale e M = 5.9736 × 1024 kg la massa della Terra. La formula precedente può essere utilizzata per determinare il raggio dell'orbita isosincrona per ogni corpo celeste, inserendo gli opportuni valori di M e Trot.
Un metodo alternativo per il calcolo del raggio si ricava direttamente dalla Seconda Legge della Dinamica, imponendo un'orbita circolare (quindi con accelerazione {\omega}^2 r):

 m {\omega}^2 r_{geos} = m a = m \frac{M_T G}{{r_{geos}}^2}

Non avendo a disposizione il valore di G e della massa terrestre si può in alternativa scrivere l'ultima come funzione dell'accelerazione gravitazionale terrestre e del raggio della Terra:

m \frac{M_T G}{R_T^2} \frac{R_T^2}{{r_{geos}}^2} = mg \frac{R_T^2}{{r_{geos}}^2}

essendo g = 9,80665 m/ l'accelerazione gravitazionale terrestre, R_T \approx 6 378 km il raggio della terra e \omega = 2\pi / T_{rot} = 7,2921 × 10-5 s-1 la velocità angolare della rotazione terrestre.
Risolvendo si trova:

r_{geos} =\sqrt [3] {\frac {M_T G}{\omega^2}} =\sqrt [3] {\frac {g R_T^2}{\omega^2}}

L'orbita geostazionaria ha quindi un raggio di 42 168 km, pari a circa 6,6 r. Poiché il raggio dell'orbita si misura a partire dal centro del pianeta e il raggio medio della Terra è di circa 6 371 km, l'orbita geostazionaria si trova a circa 36 000 km sopra la superficie terrestre.

Satelliti geostazionari[modifica | modifica wikitesto]

Il punto verde e quello marrone sono sempre in linea col centro della terra in un'orbita geostazionaria

La quota dell'orbita geostazionaria è fissa e, come osservato nella sezione precedente, deriva dal fatto che orbite a quote diverse hanno periodi di rivoluzione diversi, sempre più lenti man mano che ci si allontana dal pianeta. L'orbita con un periodo di rivoluzione pari a 23 ore, 56 minuti e 4,09 secondi (un giorno siderale) si trova a 35 790 km dalla superficie terrestre ed un satellite che la percorre si muove a circa km/s, pari a 11 000 km/h. Per un osservatore a terra sarà come se il satellite fosse fermo sopra di lui: di qui l'espressione geostazionario riferita al satellite e geostazionaria riferito all'orbita.

L'orbita geostazionaria è molto ambita per una quantità di satelliti artificiali: telecomunicazioni, previsioni del tempo, satelliti spia. Tale è l'affollamento che l'orbita è suddivisa in pezzetti dei quali si tiene il conto di quelli rimasti liberi ed occupati, e dopo alcuni anni un satellite deve lasciare libero il posto alla fine della sua vita operativa, spostandosi su un'orbita più alta o più bassa.

Area della superficie terrestre osservabile dall'orbita geostazionaria

Un satellite posto in tale orbita può osservare quasi un intero emisfero terrestre, poiché l'ampiezza del suo orizzonte equivale ad un cerchio con un diametro di circa 18 000 km, che è sempre centrato sull'equatore. Questa dimensione corrisponde a 81,4 gradi di latitudine o longitudine in ogni direzione.

Plutone e Caronte[modifica | modifica wikitesto]

Caronte, satellite di Plutone, ha un'orbita isosincrona rispetto al proprio pianeta. Inoltre ha anche un'orbita sincrona, il che fa sì che un ipotetico osservatore dalla superficie planetaria di Plutone vedrebbe Caronte immobile nel cielo e mostrante sempre la stessa faccia. Lo stesso avverrebbe ovviamente anche guardando dalla prospettiva opposta.

Naturalmente nel caso del sistema terra-luna la situazione e' ben diversa: anche la luna (e viceversa) mostra alla Terra sempre la stessa faccia, ma la sua posizione nel cielo e' tutt'altro che fissa.

Telecomunicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Le comunicazioni che utilizzano un satellite geostazionario subiscono un ritardo non trascurabile dovuto alla lunga distanza che il segnale elettromagnetico deve percorrere dalla stazione di terra al satellite e ritorno. Questo tempo è pari a circa un quarto di secondo. Per calcolarlo esattamente si può usare il teorema del coseno; per esempio, se una stazione di terra si trova ad una latitudine di φ=±45°, sullo stesso meridiano del satellite, il ritardo subito dal segnale è pari a:

2\frac{\sqrt{{r_{geos}}^2+R_T^2-2 r_{geos} R_T \cos\varphi}}c\approx253\,\mathrm{ms}

essendo c la velocità della luce. Per alcune applicazioni, come la telefonia e i giochi di realtà interattiva, questo ritardo non è trascurabile e causa una caduta di prestazioni rispetto ai canali di comunicazione terrestri. I primi sistemi di telefonia basati su satelliti geostazionari risentivano fastidiosamente del conseguente effetto di eco; i primi soppressori di eco sono degli anni settanta e con il tempo si realizzarono tecniche che eliminavano gli effetti negativi introdotti da un ritardo così elevato (anni ottanta).

Un satellite geostazionario offre una copertura di circa un terzo della superficie terrestre. Tre satelliti GEO possono coprire (spaziati di 120°) l'intera superficie del globo, escludendo le latitudini elevate. In contrasto con le più moderne reti satellitari in orbita bassa, le costellazioni geostazionarie richiedono un ridotto numero di satelliti, ma in compenso soffrono di forte ritardo di propagazione e i terminali terrestri necessitano di potenze maggiori e antenne di maggiori dimensioni.

Trasmissioni televisive[modifica | modifica wikitesto]

Le trasmissioni televisive satellitari sfruttano satelliti geostazionari, che permettono agli utenti di utilizzare semplici antenne con puntamento fisso.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

L'orbita geostazionaria della Terra è anche chiamata Fascia di Clarke, dal nome di Arthur C. Clarke, scrittore di fantascienza famoso soprattutto per essere l'autore di "2001: Odissea nello spazio", dal quale venne tratto l'omonimo film. Clarke fu il primo ad ipotizzare[1] l'utilizzo dell'orbita geostazionaria per i satelliti dedicati alle telecomunicazioni.

Alcuni paesi situati sull'equatore, come il Brasile, il Congo, l'Uganda, la Repubblica Democratica del Congo e la Colombia, rivendicarono la supremazia territoriale sull'orbita geostazionaria e consacrarono questa loro volontà di dichiararsi sovrani nella dichiarazione di Bogotà del 1976, dichiarazione rimasta sulla carta e mai riconosciuta dagli altri Stati.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Extra-Terrestrial Relays — Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? - Wireless World del 1945

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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