Órbitas explicadas: baixa, geoestacionária, polar e além

O que é uma órbita

Uma órbita é a trajetória que um objeto descreve ao redor de outro sob a ação da gravidade. Um satélite em órbita da Terra não está livre da gravidade. Ele está em queda contínua, mas se move para o lado com velocidade tão alta que a superfície do planeta se curva para longe na mesma proporção em que ele cai. A NASA usa essa mesma ideia para explicar por que os astronautas flutuam na Estação Espacial Internacional: a gravidade terrestre a cerca de 250 milhas de altitude ainda tem 88,8% da intensidade da superfície, mas a estação, o astronauta e os objetos ao redor caem juntos.

Quanto mais baixa a órbita, mais rápido o objeto precisa se mover e menor é o tempo de cada volta. A Estação Espacial Internacional completa uma órbita em cerca de 90 minutos, segundo a NASA, o que resulta em 16 voltas por dia. Já um satélite muito mais alto leva muito mais tempo para dar uma volta. É essa relação entre altitude e período que permite escolher órbitas adequadas para cada finalidade.

Além da altitude, uma órbita é descrita pela sua forma e pela sua inclinação. A forma pode ser aproximadamente circular ou elíptica, e a inclinação é o ângulo entre o plano da órbita e o plano do equador. Essas características definem quais partes da Terra o satélite sobrevoa.

Órbita terrestre baixa

A órbita terrestre baixa, conhecida pela sigla LEO, é a mais usada para observação da Terra e para voos tripulados. A NASA observa que a maior parte dos satélites científicos e muitos satélites meteorológicos ocupam órbitas baixas quase circulares. Um exemplo documentado é o satélite Aqua, da própria agência, a cerca de 705 quilômetros de altitude com período de aproximadamente 99 minutos.

O telescópio espacial Hubble também está em órbita baixa, a uma altitude de cerca de 483 quilômetros, com um período de 95 minutos, segundo a NASA. A Estação Espacial Internacional, também em órbita baixa, completa uma volta em cerca de 90 minutos.

Uma limitação da órbita baixa é o arrasto atmosférico. Mesmo a centenas de quilômetros de altura, restam moléculas de gás suficientes para frear lentamente o satélite. A NASA explica que, dependendo da atividade solar, satélites nessa faixa precisam de impulsos de correção a cada quatro semanas ou a cada alguns meses para manter a altitude.

Órbita geoestacionária

Existe uma altitude em que o período orbital coincide com o tempo de rotação da Terra. A NASA define a órbita geossíncrona como uma órbita direta, de baixa inclinação, com período de 23 horas, 56 minutos e 4 segundos. Quando a órbita está sobre o equador e é praticamente circular, o satélite parece parado no céu, sempre sobre o mesmo ponto da superfície. Essa configuração é chamada geoestacionária.

A distância do centro da Terra é de cerca de 42.164 quilômetros, o que corresponde a algo em torno de 36 mil quilômetros acima da superfície, segundo a NASA. Como o satélite enxerga sempre a mesma região, essa órbita é usada para monitoramento meteorológico contínuo, como no caso dos satélites GOES, e também para comunicações e para o sistema de busca e salvamento.

Chegar até lá exige um caminho em etapas. A NASA descreve que a espaçonave é colocada primeiro em uma órbita elíptica cujo ponto mais afastado fica em torno de 37 mil quilômetros. Ali, um motor é aceso para circularizar a órbita. O lançamento a partir de locais próximos ao equador, como Kourou, reduz as correções necessárias, conforme informa a ESA.

Órbitas polares e heliossíncronas

Uma órbita polar tem inclinação próxima de 90 graus e passa perto dos polos. Como a Terra gira embaixo do satélite, a cada volta ele sobrevoa uma faixa diferente, e o conjunto de faixas cobre praticamente todo o planeta. A NASA indica que satélites em órbita polar de baixa altitude, com período em torno de 99 minutos, veem a maior parte da Terra duas vezes por dia, uma vez de dia e outra de noite.

A órbita heliossíncrona é um caso especial de órbita quase polar, em que o plano orbital gira lentamente, acompanhando o movimento anual da Terra ao redor do Sol. O efeito prático é que o satélite passa sobre cada lugar sempre na mesma hora solar local. Isso mantém o ângulo de iluminação da superfície o mais constante possível, o que facilita comparar imagens tiradas em datas diferentes. A NASA cita como exemplo o satélite Terra, que cruza o equador em horário solar local praticamente constante, por volta das 10h30 da manhã.

Esse tipo de órbita é típico de satélites de sensoriamento remoto. Sua manutenção exige ajustes ao longo dos anos, por causa de perturbações gravitacionais. A NASA menciona correções anuais ou a cada dois anos. É a família de órbitas relevante para programas como o dos satélites CBERS e Amazonia-1, discutidos no guia sobre o programa espacial brasileiro.

Transferência de Hohmann

Para ir de uma órbita a outra gastando o mínimo de propelente, os engenheiros usam a transferência de Hohmann. Na descrição da NASA para viagens interplanetárias, a espaçonave segue uma elipse cujo ponto mais próximo do Sol fica à distância da órbita da Terra e cujo ponto mais distante fica à distância da órbita de Marte. Para ir a Marte, a nave acelera na mesma direção do movimento da Terra ao redor do Sol. Para ir a Vênus, ela desacelera em relação a esse movimento.

A consequência prática é que as oportunidades de lançamento são limitadas. Segundo a NASA, as janelas para Marte acontecem aproximadamente a cada 25 meses, e as janelas para Vênus, a cada cerca de 19 meses. Isso ocorre porque a Terra e o planeta de destino precisam estar posicionados de forma que a nave chegue ao destino no momento em que o planeta estiver lá.

O mesmo raciocínio vale, em escala menor, para trocar de órbita ao redor da Terra, como na passagem da órbita de transferência para a geoestacionária. Existem trajetórias mais rápidas, mas elas custam mais propelente. A escolha depende do tipo de missão, da massa disponível e do tempo que se aceita gastar na viagem.

Pontos de Lagrange

Em um sistema com dois corpos grandes, como o Sol e a Terra, existem cinco regiões onde a atração gravitacional dos dois combinada com o movimento orbital cria pontos de equilíbrio para um objeto pequeno. Eles são chamados pontos de Lagrange, em homenagem ao matemático Joseph-Louis Lagrange, e numerados de L1 a L5, segundo a ESA.

Os pontos L1, L2 e L3 ficam sobre a linha que liga os dois corpos e são instáveis. Segundo a NASA, sondas em L1 e L2 precisam de correções de trajetória aproximadamente a cada 23 dias. O ponto L1 do sistema Sol-Terra dá uma visão contínua do Sol, e a ESA cita a missão SOHO como exemplo. O ponto L2 fica a cerca de 1,5 milhão de quilômetros da Terra, no lado oposto ao Sol. Nesse ponto a nave evita a sombra da Terra e mantém temperatura mais estável, e a ESA relaciona as missões Herschel, Planck, Gaia e o telescópio espacial James Webb entre as que usaram ou usam o L2.

Os pontos L4 e L5 estão 60 graus à frente e 60 graus atrás da Terra na órbita. São estáveis, e é ali que se acumulam objetos como poeira e asteroides, chamados troianos. A NASA relata que o telescópio WISE descobriu em 2010 o primeiro asteroide troiano da Terra. Cerca de 24,96 é a razão mínima de massas entre os dois corpos para que L4 e L5 sejam estáveis, condição atendida pelos sistemas Terra-Sol e Terra-Lua.

Escolher a órbita certa

Cada órbita é uma solução para um problema. Para fotografar detalhes do solo com boa resolução e repetir a observação com iluminação parecida, escolhe-se uma órbita baixa heliossíncrona. Para manter um satélite de comunicação apontado para a mesma região sem antenas móveis, a geoestacionária é a opção. Para observar o Sol sem interrupção ou o céu profundo com pouca interferência térmica, os pontos de Lagrange são interessantes, ao custo de manobras periódicas e de maior distância para as comunicações.

Para o leitor que deseja seguir adiante, os guias sobre telescópios espaciais e sobre sondas planetárias mostram como essas órbitas aparecem em missões concretas, do Hubble ao James Webb. Na linha do tempo do site, os eventos relacionados apresentam alguns dos marcos que tornaram essas soluções possíveis.