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인공위성의 궤도는 어떻게 정해지나요?

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.위성 궤도에는 원형 궤도와 타원형 궤도가 있고, 궤도 높이도 해발 250㎞로 대기 바로 위를 도는 궤도부터 해발 32,200㎞ 이상인 궤도까지 있다. 궤도가 크면 클수록 위성이 궤도를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간, 즉 '궤도주기'가 길어진다.인공위성은 위성의 속도와 지구와 위성 사이에 작용하는 중력이 균형을 이루어 궤도를 회전한다. 중력이 위성을 잡아당기지 않으면, 위성은 회전속도 때문에 궤도에서 벗어나 궤도 밖으로 멀리 날아가버릴 것이다. 반면에 위성이 어느 정도 속도를 내면서 회전하지 않으면 위성은 중력에 끌려서 지구로 떨어질 것이다.중력과 속도의 균형을 이해하려면 작은 물체를 줄에 매달아 돌리는 것을 생각해보면 된다. 줄이 끊어지면 물체는 직선으로 날아가는데, 줄이 중력과 같은 구실을 해서 물체가 궤도를 따라 회전하게 한다. 줄에 매달린 물체는 위성의 고도와 궤도주기의 관계도 보여준다. 물체가 도는 속도가 같을 때, 줄이 길면 높은 고도에서 도는 위성처럼 물체가 한 바퀴 도는데 걸리는 시간이 길고, 줄이 짧으면 물체가 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이 짧다.인공 위성의 궤도에는 위성이 지구와 함께 도는 '지구정지궤도', 태양과 함께 도는 '극궤도', 대기 최상층부를 도는 '저고도궤도'가 있다. 인공위성은 대부분 이 세 가지 궤도 중 한 궤도에서 돌고 있다.(1) 지구정지궤도 적도 상공 약 35,900㎞ 높이에 있는 궤도이다. 지구정지궤도를 도는 위성은 지구 자전 방향으로 지구와 같은 속도로 회전한다. 따라서 지구에서 보면 위성이 항상 같은 곳에 있는 것처럼 보이기 때문에, 이 궤도를 정지궤도라고 부른다. 지구정지궤도는 고도가 높기 때문에 이 궤도로 위성을 쏘아올리려면 크고 강력한 로켓이 필요하다.(2) 극궤도 북극과 남극을 통과한다. 극궤도를 통과하는 인공위성은 지구가 태양을 도는 것에 맞춰 조금씩 움직여서, 항상 그 곳 시간으로 같은 시간에 적도를 통과한다. 이 궤도를 도는 인공위성은 지구의 모든 경도를 통과하기 때문에 지구표면 전체에 대한 자료를 얻을 수 있다. 기상을 관측하는 노아-에이치(NOAA-H)위성은 극궤도위성으로, 위성의 고도는 870㎞, 궤도주기는 102분이다. 이 위성이 적도를 통과하는 시간은 항상 오전 1시 40분과 오후 1시 40분이다.(3) 저고도궤도 지구 대기의 최상층부에는 공기가 거의 없어서 이 궤도에서는 우주선의 속력이 줄지 않는다. 궤도가 낮기 때문에 다른 두 궤도보다 위성을 발사할 때 에너지가 적게 든다. 먼 우주를 관측해서 과학 정보를 제공하는 위성은 대개 저고도궤도에 있다. 예를 들어 흐불우주망원경은 위성의 고도 610㎞, 궤도주기 97분인 궤도를 돌고 있다.위성 궤도 인공위성은 대부분 다음 세 가지 궤도 중 한 가지로 돌고 있다. 고도가 높은 지구정지궤도는 적도 상공 약 35,900㎞ 위를 지나며, 태양의 움직임과 같이 움직이는 극궤도는 남극과 북극 수백 킬로미터 위를 지난다. 저고도궤도는 480㎞ 상공의 공기가 거의 없는 고도를 지난다.

학문 / 지구과학·천문우주

23.02.01

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