宇宙には重力がないから浮いている？
地球を写した映像を見ると、人工衛星は何もない空間に浮いているように見えます。エンジンを動かし続けているから落ちないのでしょうか。それとも宇宙に出ると地球の重力が消えるのでしょうか。どちらも、地球を回る多くの人工衛星を説明する答えにはなりません。衛星は地球の重力を受けながら、地球の周囲を落ち続けるように運動しています。
物を手から離すと地面へ落ちます。地球の周りを回る衛星も、地球側へ引かれています。ただし、横向きにも十分速く進んでいるため、地球へ近づく間に地球の表面そのものが曲がって遠ざかっていくと考えられます。この「落ちるのに地面へぶつからない」という関係を理解するのが軌道の基本です。
横向きの速度が運動を変える
高い場所から小さな物を安全に落とす実験では、手を離した物は地面に着きます。ここから、ものすごく高い山の上で、水平に向けて物を投げる想像上の実験を考えてください。初めは近くへ落ちますが、速さを増していくと遠くへ届きます。十分な速さがあり、空気抵抗が小さいなら、地球の丸みに沿って回り続ける軌道が考えられます。
この説明はニュートンの大砲の思考実験として知られています。現実に物を投げたり、大きな速度を作ったりして試す話ではありません。実際の人工衛星はロケットで高度と速度を与えられます。地球が丸いこと、地球の重力が中心の方向へ働くこと、前へ進む運動があることを、三つとも使って説明します。
高い場所では地球の引力は消える？
地球の重力は高度が上がると弱くなりますが、低い人工衛星の高さでゼロにはなりません。例えば地球半径を約6370km、高度を400kmとすると、地球中心からの距離は6770kmです。重力の強さは中心からの距離の二乗に反比例するので、地表と比べる割合はおよそ(6370÷6770)²、約0.89です。これは地表の約9割に近い強さが残るという概算です。
ここで注意したいのは、人工衛星に乗っている人が無重力のように見えることです。周囲の物も人もほぼ同じように自由落下しているため、互いに支え合う力が小さくなり、ふわふわ浮いて見えます。重力が存在しないという意味ではありません。「重力の大きさ」と「体が感じる支えの力」を分けて考える必要があります。
どの衛星も同じ速さで回る？
軌道の高さによって必要な速度と一周にかかる時間は異なります。地球に比較的近い円軌道では、衛星は非常に速く地球を回ります。一方、遠い軌道ほど一般に円軌道の速度は小さく、周期は長くなります。通信などに使われる静止衛星は、地球の自転と同じ周期で回る特別な軌道にあります。
円軌道では、地球の中心から遠いほど軌道速度は遅くなり、地球を一周する周期は長くなります。円軌道の近似では、重力によって必要な向心加速度と速度の関係が決まり、速度は地球中心からの距離に依存します。楕円軌道を進む衛星では場所によって速さが変わるため、円軌道の説明をそのまま当てはめないようにします。
空気が薄いなら永久に回る？
低い軌道にもごく薄い大気があり、人工衛星の運動を少しずつ減速させることがあります。高度や太陽活動によって影響の大きさは変わります。衛星によっては軌道を維持するために、ときどき推進装置で調整します。燃料を使わず何年も同じ状態で回り続けられるとは限りません。
NASAの宇宙飛行の解説でも、必要な速度が得られれば継続的なエンジン噴射がなくても軌道を進める一方、薄い大気などによって軌道が変わる場合があると説明されています。衛星が「落ちない」と言う場合、落下しないのではなく、地面まで達しない軌道を保っているという意味に読み替える方が正確です。
円軌道の速さを数字で確かめる
地球をほぼ円軌道で回るとき、目安として地表付近の第一宇宙速度は約7.9km/s、高度約400kmの国際宇宙ステーションは約7.7km/s、静止衛星は約3.1km/sです。いずれも周回する軌道に沿った速さの比較であり、地面に対する見かけの移動と同じではありません。
地球半径を約6370km、高度400kmとした円軌道を考えます。地球中心からの半径は約6770kmで、円周は2×3.14×6770＝約4万2500kmです。もし一周に約93分かかるなら、時速に換算すると4万2500÷(93÷60)＝約2万7400km/hとなります。実際の低軌道の宇宙機と大まかに近い速さです。ここで出した値は条件を簡略化した概算で、特定の衛星の正確な軌道要素を表すものではありません。
逆に、これほど速い物体がどうして地球に引かれ続けるのかを考えると、軌道の意味が分かります。進む方向が少しずつ曲がるためには中心方向への加速度が必要で、その役割を重力が担っています。ただ「速いから落ちない」という言い方だと、速度だけがあればどんな高度でも安定すると誤解しやすくなります。高さ、重力、軌道の形、空気抵抗を一緒に見る必要があります。
自由落下の説明で混同しやすいこと
宇宙飛行士の映像では、物が部屋の中で空中にとどまって見えます。これを「引力から完全に逃れた証拠」とは考えません。宇宙機と人と物がほぼ同じ運動をするため、相対的に落ちていないように見えるからです。衛星の内部で感じる重さを説明するときは、地球の重力がなくなることと、宇宙機と人がほぼ同じ加速度で落ち続けることを混同しないようにしましょう。衛星に働く重力と、内部で体が感じる力を二つの矢印で描いて説明すると、現象を取り違えにくくなります。
速さと高さの条件を変えて考える
紙に地球を円として描き、低い円軌道と高い円軌道を二つ加えてみてください。どちらも地球の中心へ向かう引力を受けていますが、軌道半径や周期は異なります。ISSのような低軌道にある宇宙機と静止衛星を同じ絵に描くと、見かけ上地上に止まる衛星でも、実際には地球の周りを運動していることが分かります。
人工衛星の説明では、「エンジンの有無」「重力の有無」「前へ進む速さ」を一緒にしないことが大切です。ロケットの役割は必要な軌道へ載せることで、載った後は重力と慣性に従って進みます。条件を変えたときに軌道がどう変わるかまで考えられれば、ただ宇宙に浮いているというイメージから一歩進めます。
