静止衛星は、地球のまわりを回っています。それなのに地上からは、空のほぼ同じ位置に見えます。ここで区別したいのは、「動かないこと」と「見ている人との位置関係が変わらないこと」です。地面に立つ私たちも、地球の自転とともに動いています。観察する側の動きを消してしまうと、静止衛星の説明はつながりません。
この記事では、地球の中心を基準にした回転と、地上からの見え方を別々に考えます。軌道を求める難しい公式を覚えるよりも、二つの矢印をどこから描くかを確かめましょう。
「同じ速さ」は、同じ距離を進むことではない
地球の中心から赤道上の地点Aへ線を引き、その延長上に衛星Sを置く図を考えます。地球が四分の一回転する間に、衛星も地球の中心のまわりを同じ向きに四分の一周すれば、中心・A・Sの並び方は保たれます。地球上のAから見ると、Sの方向が変わらないわけです。
ただし、AとSが移動した道のりは同じではありません。衛星の通る円は、赤道の円よりずっと大きいからです。同じ時間で同じ角度だけ回ることと、同じ時間で同じキロメートルだけ進むことは違います。「自転と同じ速さ」という説明に出会ったら、ここでは一周にかかる時間、つまり回転の周期が一致していると読み直してください。
周期だけ合わせればよいわけでもない
静止衛星の軌道には、地球の自転と同じ向きに回ること、赤道の真上の円軌道を通ること、一周の周期を自転に合わせることが必要です。高さは地表から約3万6000kmです。正確な自転周期は約23時間56分ですが、小学生向けの模型では約24時間として考えることがあります。問題に与えられた条件を使い、二つを途中で混ぜないようにします。
同じ周期でも軌道が赤道に対して傾いていると、地上から見た南北の位置などが変わります。また、円ではない軌道では見かけの位置が変化します。「一日で一周する衛星」ならどれも静止衛星、とまとめるのは早すぎます。必要な条件を一つずつ照らし合わせることが大切です。
なお、高さを自由に変えたうえで好きな周期を指定できるわけではありません。実際の人工衛星の軌道では、地球の重力と運動の関係が働きます。下の円の模型は、速さの言葉を整理するための図であって、衛星の設計図ではありません。
例題1：同じ角度でも、進む距離は？
模型の円周が、内側は40cm、外側は240cmだとします。内側の点Aと外側の点Sは、どちらも24秒で一周し、同じ向きに動きます。6秒間に、それぞれ何cm進みますか。また、二点が最初に中心から同じ方向にあれば、その並びは保たれますか。
答え・解説： 6秒は24秒の四分の一です。Aは40÷4＝10cm、Sは240÷4＝60cm進みます。二点とも90度回るので、中心から見た方向は一致したままです。進む距離は6倍違いますが、回転の周期は同じです。距離の違いだけを見て「Sが先に行ってしまう」と答えないようにしましょう。
円周の数値は学習用に決めた値です。地球と衛星の実寸比を表していません。模型で比較している量を明記すると、計算できたことと、現実に言えることが整理できます。
例題2：静止衛星の条件を選ぶ
次のうち、地上から同じ位置に見える静止衛星の説明に当てはまるものを選びます。アは赤道上の円軌道を自転と同方向・同周期で回る衛星。イは同じ円軌道上で、自転と反対方向に同じ周期で回るという模型。ウは自転と同周期ですが、軌道面が赤道面に対して傾いている衛星です。
答え・解説： アです。イでは地上の地点と衛星が逆向きに進むため、位置関係が変わります。ウも一周にかかる時間だけでは条件が足りません。赤道面から外れる動きがあるので、同じ方向に見え続けることにはなりません。周期の一致は必要ですが、それだけで十分ではないのです。
日本を見ていても、日本の真上ではない
気象衛星の画像で日本が写っているからといって、静止衛星が日本の真上にあるわけではありません。赤道上空から斜めに日本を見ています。観測する地域と、衛星の真下にある地点は別です。地球儀に日本と赤道を記し、中心から衛星へ線を延ばすと、この違いを確認できます。
同じ地域を繰り返し観測しやすいことは静止衛星の利点ですが、地球の裏側まで一つの衛星で見ることはできません。地球自体が遮るためです。「高いところから見る」と「全部が同時に見える」も同じではありません。図では、地球の輪郭で遮られる視線まで意識してください。
観察者自身の動きが見え方を変える例は、火星の逆行でも扱っています。また、遠い天体との情報のやり取りは光が届く時間とつながります。静止衛星では、まず何を基準にして静止と言っているのかを言葉にするところから始めましょう。