एक कक्षा क्या है? | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

परिचय

• एक कक्षा (orbit) एक पूर्वानुमेय और पुनरावृत्त पथ को दर्शाती है जिसे एक खगोलीय वस्तु दूसरी के चारों ओर घूमते हुए अपनाती है। कक्षा में मौजूद वस्तुओं को आमतौर पर उपग्रह (satellites) कहा जाता है, जो प्राकृतिक (जैसे पृथ्वी या चाँद) या कृत्रिम (जैसे अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन) हो सकते हैं। यह ध्यान देने योग्य है कि कई ग्रहों के पास प्राकृतिक चाँद होते हैं जो उनकी परिक्रमा करते हैं।
• हमारे सौर मंडल में, विभिन्न खगोलीय तत्व जैसे ग्रह, धूमकेतु, उल्काएँ आदि, केंद्रीय सूर्य के चारों ओर घूमते हैं। इनमें से अधिकांश वस्तुएँ एक निराकार समतल, जिसे एक्लिप्टिक प्लेन (ecliptic plane) कहा जाता है, के भीतर या उसके निकट स्थित पथों का पालन करती हैं।

कक्षा का आकार क्या है?

• कक्षाएँ विभिन्न आकारों की होती हैं, लेकिन सभी एक अंडाकार (elliptical) रूप में होती हैं, जो अंडों के समान होती हैं। ग्रहों की कक्षाएँ, विशेष रूप से, लगभग गोलाकार होती हैं। इसके विपरीत, धूमकेतुओं की कक्षाएँ उच्च असमानता और "चपटी" उपस्थिति के साथ विशिष्ट आकार प्रदर्शित करती हैं, जो कि पूर्ण वृत्त के बजाय पतली अंडाकार जैसी होती हैं।
• पृथ्वी की कक्षा में उपग्रह, जिसमें चाँद भी शामिल है, हमारे ग्रह से उनकी दूरी में भिन्नता दिखाते हैं। वे समय-समय पर पृथ्वी के निकट आते और दूर जाते हैं। किसी उपग्रह की कक्षा में पृथ्वी के निकटतम बिंदु को पेरिजी (perigee) कहा जाता है, जबकि सबसे दूर के बिंदु को अपोगी (apogee) कहा जाता है।
• ग्रहों की कक्षाओं में, सूर्य के निकटतम बिंदु को पेरिहेलियन (perihelion) कहा जाता है, और सबसे दूर के बिंदु को अपहेलियन (aphelion) कहा जाता है। दिलचस्प बात यह है कि पृथ्वी अपने अपहेलियन को उत्तरी गोलार्ध की गर्मियों में प्राप्त करती है।
• किसी उपग्रह द्वारा पूर्ण कक्षा पूरी करने के लिए आवश्यक समय को कक्षीय काल (orbital period) कहा जाता है, जैसे कि पृथ्वी का कक्षीय काल एक वर्ष है। इसके अलावा, झुकाव (inclination) उस कोण को दर्शाता है जो कक्षीय समतल और पृथ्वी के भूमध्यरेखीय समतल के बीच बनता है।

वस्तुएँ कक्षा में कैसे रहती हैं?

• वस्तुओं के गति बनाए रखने की प्रक्रिया न्यूटन के पहले गति नियम द्वारा नियंत्रित होती है, जो कहता है कि एक गतिशील वस्तु तब तक चलती रहेगी जब तक उसे किसी बाहरी बल द्वारा प्रभावित नहीं किया जाता।
• गुरुत्वाकर्षण बलों की अनुपस्थिति में, पृथ्वी के चारों ओर परिक्रमा करने वाला उपग्रह सीधे अंतरिक्ष में आगे बढ़ता।
• हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण की उपस्थिति एक ऐसा बल प्रदान करती है जो उपग्रह को फिर से पृथ्वी की ओर खींचता है।
• इससे उपग्रह के सीधे रेखा में चलने की प्रवृत्ति, जिसे गति कहा जाता है, और गुरुत्वाकर्षण बल के बीच निरंतर संघर्ष उत्पन्न होता है, जो उपग्रह को उसकी कक्षा में बनाए रखने का प्रयास करता है।
• कक्षा को प्राप्त करने और बनाए रखने की कुंजी वस्तु की गति और गुरुत्वाकर्षण बल के बीच की नाजुक संतुलन में निहित है।
• यदि किसी वस्तु की आगे की गति अधिक है, तो यह कक्षा को छोड़कर अंतरिक्ष में आगे बढ़ जाएगी।
• इसके विपरीत, यदि गति बहुत कमजोर है, तो वस्तु नीचे गिर जाएगी और अंततः पृथ्वी से टकरा जाएगी।
• जब ये बल संतुलन में पहुँचते हैं, तो वस्तु लगातार ग्रह की ओर गुरुत्वाकर्षण खींचाव का अनुभव करती है लेकिन अपनी महत्वपूर्ण पार्श्व गति के कारण टकराव से बचती है।
• कक्षा बनाए रखने के लिए आवश्यक गति को कक्षीय गति कहा जाता है, जिसकी मात्रा ऊँचाई के साथ भिन्न होती है।
• उदाहरण के लिए, पृथ्वी की सतह से 150 मील (242 किलोमीटर) की ऊँचाई पर, कक्षीय गति लगभग 17,000 मील प्रति घंटे होती है।
• विशेष रूप से, उच्च कक्षाओं में उपग्रहों की कक्षीय गति कम होती है।

कक्षा के प्रकार

जब एक उपग्रह या अंतरिक्ष यान अपनी यात्रा पर निकलता है, तो यह आमतौर पर पृथ्वी के चारों ओर कई विशेष कक्षाओं में से एक में प्रवेश करता है। वैकल्पिक रूप से, यह पृथ्वी की कक्षा से मुक्त होकर सूर्य के चारों ओर एक अंतरोंद्रवीय यात्रा शुरू कर सकता है, अंततः मंगल या बृहस्पति जैसे दूरस्थ स्थलों तक पहुँच सकता है। कक्षा का चयन कई कारकों पर निर्भर करता है जो उपग्रह के इच्छित उद्देश्य और मिशन लक्ष्यों के साथ मेल खाते हैं। यहाँ कुछ प्रमुख उपग्रह कक्षाएँ हैं:

1. स्थिर भू-कक्षा (GEO)

• स्थिर भू-कक्षा (GEO) में उपग्रह पृथ्वी के समवर्ती पर स्थित होते हैं, जो लगभग 35,786 किलोमीटर (लगभग 22,236 मील) की ऊँचाई पर होते हैं।
• ये पृथ्वी की घूर्णन के साथ समन्वय में चलते हैं, एक कक्षा पूरी करने में लगभग 23 घंटे, 56 मिनट, और 4 सेकंड लेते हैं।
• इस समन्वय का अर्थ है कि GEO उपग्रह पृथ्वी पर एक निश्चित बिंदु के सापेक्ष स्थिर दिखाई देते हैं, जिससे ये किसी विशेष क्षेत्र की निरंतर निगरानी के लिए आदर्श होते हैं।
• GEO का उपयोग अक्सर दूरसंचार उपग्रहों के लिए किया जाता है क्योंकि यह भूमि आधारित एंटेना को उपग्रह के स्थान पर स्थिर रहने की अनुमति देता है बिना इसकी गति का अनुसरण किए।
• जलवायु पर्यवेक्षण उपग्रह भी GEO कक्षाओं से लाभान्वित होते हैं क्योंकि वे विशिष्ट क्षेत्रों की निरंतर निगरानी कर सकते हैं, जिससे मौसम विज्ञानी मौसम प्रवृत्तियों की निगरानी कर सकते हैं।

2. निम्न पृथ्वी कक्षा (LEO)

• निम्न पृथ्वी कक्षा (LEO) पृथ्वी की सतह के काफी करीब होती है, आमतौर पर कुछ सौ किलोमीटर से लेकर लगभग 2,000 किलोमीटर (लगभग 125 से 1,240 मील) की ऊँचाई तक होती है।
• GEO के विपरीत, LEO उपग्रहों को एक निश्चित पथ का पालन करने की आवश्यकता नहीं होती और उनके पास झुकी हुई या तिरछी कक्षाएँ हो सकती हैं।
• उपग्रह चित्रण के लिए LEO को पसंद किया जाता है क्योंकि यह पृथ्वी के करीब होता है, जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों की अनुमति देता है।
• अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) LEO में परिक्रमा करता है क्योंकि यह अंतरिक्ष यात्रियों के लिए इस कक्षा में यात्रा करना आसान होता है।
• LEO उपग्रह उच्च गति से चलते हैं (लगभग 7.8 किलोमीटर प्रति सेकंड या लगभग 17,500 मील प्रति घंटे) और लगभग 90 मिनट में पृथ्वी के चारों ओर एक कक्षा पूरी करते हैं।
• हालांकि, व्यक्तिगत LEO उपग्रह दूरसंचार के लिए कम उपयुक्त होते हैं क्योंकि उनकी तेज गति के कारण उन्हें लगातार ट्रैक करना आवश्यक होता है।
• निरंतर कवरेज प्रदान करने के लिए, कई LEO उपग्रह अक्सर उपग्रह समूहों का हिस्सा होते हैं जो एक साथ मिलकर बड़े क्षेत्रों को कवर करते हैं।

3. मध्य पृथ्वी कक्षा (MEO)

MEO कक्षाएँ LEO और GEO के बीच स्थित होती हैं, जिनकी ऊँचाई सामान्यतः 2,000 से 35,786 किलोमीटर (लगभग 1,240 से 22,236 मील) के बीच होती है।

• MEO में उपग्रह एक निश्चित पथ का पालन नहीं करते हैं और विभिन्न उद्देश्यों के लिए कार्य कर सकते हैं।
• यूरोपीय Galileo प्रणाली जैसे नेविगेशन उपग्रह MEO का उपयोग वैश्विक स्थिति निर्धारण और समय सेवाओं के लिए करते हैं।
• MEO नेविगेशन के लिए फायदेमंद होता है क्योंकि यह उपग्रहों को पृथ्वी की सतह के बड़े हिस्से को एक साथ कवर करने की अनुमति देता है।

4. ध्रुवीय कक्षा और सूर्य-समन्वयित कक्षा (SSO)

• ध्रुवीय कक्षाओं में उपग्रह पृथ्वी के ध्रुवों पर से उत्तर से दक्षिण (या इसके विपरीत) हर कक्षा में गुजरते हैं।
• ये कक्षाएँ सामान्यतः 200 से 1,000 किलोमीटर (लगभग 124 से 621 मील) की ऊँचाई पर होती हैं और इन्हें निम्न पृथ्वी कक्षा का एक प्रकार माना जाता है।
• सूर्य-समन्वयित कक्षाएँ (SSO) एक विशेष प्रकार की ध्रुवीय कक्षा होती हैं जहाँ उपग्रह सूर्य के साथ समन्वयित होते हैं, जिससे वे पृथ्वी पर एक ही स्थान पर लगातार एक ही स्थानीय समय पर गुजरते हैं।
• SSO उपग्रह पृथ्वी की सतह का अवलोकन इस प्रकार करते हैं जैसे कि यह हमेशा एक ही समय हो, जो समय के साथ परिवर्तनों की निगरानी के लिए उपयोगी है।
• वैज्ञानिक और पर्यावरणविद् SSO उपग्रहों का उपयोग मौसम पैटर्न का अध्ययन करने, मौसम की घटनाओं की भविष्यवाणी करने, जंगल की आग या बाढ़ जैसी आपात स्थितियों की निगरानी करने और वनों की कटाई और समुद्र स्तर के बढ़ने जैसे मुद्दों पर दीर्घकालिक डेटा एकत्रित करने के लिए करते हैं।
• निरंतर प्रकाश बनाए रखने के लिए, SSO उपग्रह अक्सर सूर्योदय या सूर्यास्त के साथ समन्वयित होते हैं और लगभग 600 से 800 किलोमीटर (लगभग 373 से 497 मील) की ऊँचाई पर परिक्रमा करते हैं।

5. संक्रमण कक्षाएँ और जियोस्टेशनरी ट्रांसफर कक्षा (GTO)

ट्रांफर ऑर्बिट्स का उपयोग उपग्रहों को उनके प्रारंभिक प्रक्षेपण पथ से उनके अंतिम कक्षा में स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है। विशेष रूप से, जीटीओ (GTO) में प्रक्षिप्त उपग्रहों को सीधे अंतिम जियोस्टेशनरी ऑर्बिट में नहीं रखा जाता है। इसके बजाय, वे एक ट्रांफर ऑर्बिट पर प्रारंभ करते हैं जो उन्हें ऑनबोर्ड प्रोपल्शन की मदद से इच्छित कक्षा तक पहुँचने की अनुमति देता है। जीटीओ से जीईओ (GEO) में संक्रमण के लिए उपग्रह की असमानता (orbit shape) को बदलना शामिल होता है ताकि जियोस्टेशनरी ऊँचाई पर कक्षा को गोलाकार किया जा सके।

6. लैग्रेंज पॉइंट्स (L-Points)

लैग्रेंज पॉइंट्स अंतरिक्ष में अद्वितीय स्थान हैं जहां पृथ्वी और चंद्रमा या पृथ्वी और सूरज जैसे दो बड़े निकायों की गुरुत्वाकर्षण शक्तियाँ एक स्थिर क्षेत्र बनाती हैं, जहाँ वस्तुएँ अपेक्षाकृत स्थिर रह सकती हैं। ये बिंदु, जिन्हें L1 से L5 तक नामित किया गया है, विभिन्न उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिसमें अंतरिक्ष टेलीस्कोप और पृथ्वी के पर्यावरण की निगरानी शामिल है। उदाहरण के लिए, जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) को L2 पर रखा गया है, जहाँ यह पृथ्वी के वातावरण और गर्मी से न्यूनतम हस्तक्षेप के साथ ब्रह्मांड का अवलोकन कर सकता है। L-Points उन मिशनों के लिए लाभकारी होते हैं जिन्हें अंतरिक्ष या पृथ्वी के विशिष्ट क्षेत्रों का स्थिर और बिना अवरोध वाला दृश्य आवश्यक होता है।