17せいきの 学しゃ ニュートンは、こんな ことを かんがえました［1］。たかい 山の 上から、大ほうの たまを 水平に うちます。よわい ちからで うてば、たまは すぐ 下に 落ちます。もっと つよく うてば、もっと とおくまで とんでから 落ちます［1］。では、もっともっと つよく うったら、どうなるでしょう。じつは、ある はやさに なると、たまが 落ちる カーブと、地きゅうの まるい カーブが、おなじに なります。たまは 地めんに とどかないまま、地きゅうを ぐるっと 一しゅうして もどって くるのです［1］。

17世紀の学者ニュートンは、こんなことを考えました［1］。高い山の上から、大砲のたまを水平に撃ちます。弱い力で撃てば、たまはすぐ下に落ちます。もっと強く撃てば、もっと遠くまで飛んでから落ちます［1］。では、もっともっと強く撃ったら、どうなるでしょうか。実は、ある速さになると、たまが落ちるカーブと、地球の丸いカーブが、同じになります。たまは地面にとどかないまま、地球をぐるっと一周してもどってくるのです［1］。

17世紀、アイザック・ニュートンは著書の中で、次のような思考実験を示した。空気の抵抗がないものとし、非常に高い山の頂上から、大砲のたまを水平方向に発射する。速度が小さければ、たまは放物線を描いてすぐに落下する。発射速度を上げていくと、落下地点はどんどん遠くなる［1］。この考えを推し進めると、ある速度に達したとき、たまが落下していく軌跡の曲がり方と、地球表面が丸く曲がっていく度合いが一致する。たまは地面に到達しないまま地球を一周し、発射地点に戻ってくることになる［1］。これが、物体が地球を「回りつづける」ことの基本原理である。

この かんがえかたで いくと、人工えいせいは「落ちて こない」ので はなく、「地きゅうに むかって 落ちつづけて いるのに、よこむきの はやさが あるせいで、地めんに とどかないまま すすんで いる」と いう ことに なります［2］。まるで、空気の ていこうが ない ところで、ボールを ものすごい はやさで よこに なげたら、そのまま えんの ように とんで いくようなものです(ただし ほんとうは、ボールでは なく、空気の ない たかさに ある 人工えいせいの 話です)。

この考え方でいくと、人工衛星は「落ちてこない」のではなく、「地球に向かって落ちつづけているのに、横向きの速さがあるせいで、地面にとどかないまま進んでいる」ということになります［2］。まるで、空気の抵抗がないところで、ボールをものすごい速さで横に投げたら、そのまま円のように飛んでいくようなものです(ただし本当は、ボールではなく、空気のない高さにある人工衛星の話です)。

JAXAはこの現象を2つの視点から説明している。地球の外から見れば「とても速く投げると、地球の丸みにそって、いつまでも落下しつづけながら飛ぶことができる」という自由落下の視点であり、衛星と一緒に回る立場から見れば、地球が引く力(重力)と、回転しているように見えることで外向きに生じる見かけの力「遠心力」がつり合い、軌道を保っているという視点である［2］。どちらも誤りではなく、どの立場(座標系)から見るかによって同じ現象の説明の仕方が変わる、という点がこの話の面白さである。

もし 地めんの すれすれの たかさで 地きゅうを 一しゅうしようと したら、びょうそく やく7.9キロメートルの はやさが ひつようだと されて います［3］。国さいうちゅうステーション(ISS)は、地じょうから やく400キロメートルの たかさを、びょうそく やく7.7キロメートルで とんで います［3］。じそくに なおすと、なんと やく28000キロメートルです。この はやさで、地きゅうを 一しゅうするのに、やく90分しか かかりません［3］。

もし地面すれすれの高さで地球を一周しようとしたら、秒速およそ7.9キロメートルの速さが必要だとされています［3］。国際宇宙ステーション(ISS)は、地上からおよそ400キロメートルの高さを、秒速およそ7.7キロメートルで飛んでいます［3］。時速になおすと、なんとおよそ28000キロメートルです。この速さで、地球を一周するのに、およそ90分しかかかりません［3］。

地表すれすれの高度で円軌道を保つために必要な速度(第一宇宙速度)は、秒速およそ7.9キロメートルとされる［3］。国際宇宙ステーション(ISS)は、地上からおよそ400キロメートルの高度を、秒速およそ7.7キロメートル(時速にしておよそ28000キロメートル)で飛行しており、地球を一周するのにおよそ90分しかかからない［3］。

じつは、この 話には つづきが あります。ロケットが とぶ たかさにも、ごく うすい 空気が のこって いて、それが すこしずつ 人工えいせいの はやさを おそくして いきます［4］。はやさが おちると、えいせいは すこしずつ 下に さがって いきます。1957年に とばされた、せかい はじめての 人工えいせい スプートニク1ごうも、うちあげから 92日で、この うすい 空気に ぶつかって もえつきて しまいました［4］。

実は、この話にはつづきがあります。ロケットが飛ぶ高さにも、ごくうすい空気が残っていて、それが少しずつ人工衛星の速さをおそくしていきます［4］。速さが落ちると、衛星は少しずつ下に下がっていきます。1957年に飛ばされた、世界はじめての人工衛星スプートニク1号も、打ち上げから92日で、このうすい空気にぶつかって燃えつきてしまいました［4］。

衛星が飛行する高度にも、ごく希薄な大気がわずかに残っており、これが大気抵抗として衛星の速度をわずかずつ低下させる。速度が落ちれば軌道高度も低下し、より濃い大気の層に達すると抵抗はさらに強まる［4］。1957年10月4日に打ち上げられた世界初の人工衛星スプートニク1号は、近地点215キロメートル・遠地点939キロメートルの楕円軌道を周回していたが、1958年1月4日、打ち上げから92日・約1440周を経て大気圏に再突入し、燃え尽きた［4］。ニュートンの思考実験の「一周して戻ってくる」たまも、現実には大気抵抗を受けつづければ、いずれ地上に落ちてくることになる。

ISSも、スプートニク1ごうと おなじように、ほうって おくと すこしずつ たかさが 下がって いきます［5］。そこで、ISSに くっついた うちゅう船の エンジンを つかって、ときどき 高さを おしあげる「もちあげ」が おこなわれて います［5］。人が すんで いる ばしょだからこそ、落ちないように、たえず てを かけつづけて いるのです。

ISSも、スプートニク1号と同じように、放っておくと少しずつ高さが下がっていきます［5］。そこで、ISSにくっついた宇宙船のエンジンを使って、ときどき高さを押し上げる「リブースト」がおこなわれています［5］。人が住んでいる場所だからこそ、落ちないように、たえず手をかけつづけているのです。

ISSもスプートニク1号と同様、高度400キロメートル付近に残るわずかな大気抵抗を受けて、放っておけば徐々に高度が低下する［5］。そのため、補給船のエンジンを噴射して軌道を再び持ち上げる「リブースト」が定期的に実施されている［5］。常時、人が滞在する施設であるからこそ、軌道の維持には継続的な手当てが欠かせない。

いっぽう、天気よほうや テレビの ちゅうけいに つかう「せいし えいせい」は、地きゅうを まわりながら、地めんから 見ると いつも おなじ ばしょの 上に 見える えいせいです。ISSより ずっと たかい、地じょう やく36000キロメートルを とんで います［6］。ここまで たかいと、空気の ていこうは ほとんど ありません。その かわり、太ようや 月の 引力に すこしずつ 引っぱられて ばしょが ずれて いくので、こちらも、ときどき ロケットを ふかして ばしょを なおす ひつようが あります［6］。

いっぽう、天気予報やテレビの中継に使う「静止衛星」は、ISSよりずっと高い、地上およそ36000キロメートルを飛んでいます［6］。ここまで高いと、空気の抵抗はほとんどありません。そのかわり、太陽や月の引力などのために、地球のまわりを回る道すじが少しずつずれていきます。そのため、こちらも、ときどきロケットを噴射して、道すじを直す必要があります［6］。

いっぽう気象観測や放送中継に用いられる静止衛星は、ISSよりはるかに高い、赤道上空高度およそ35786キロメートルの静止軌道を周回している［6］。この高度では大気抵抗はほぼ無視できるが、かわりに地球の重力場のゆがみ、太陽・月の引力、太陽輻射圧などの影響でわずかに位置がずれていく。そのため静止衛星も、燃料を使って定期的に軌道を補正する「軌道保持」を必要とし、燃料が少なくなると運用を終え、残った燃料を使って、他の衛星のじゃまになりにくい、より高い「墓場軌道」へ移される［6］。

ひろい ばしょで、ボールを よわく なげたときと、つよく なげたときの、おちる ばしょの ちがいを 見て みよう。つよく なげるほど、とおくに とんでから おちます。ニュートンは、この かんがえを もっと すすめて、「ものすごく つよく なげたら、地きゅうを 一しゅうする」と そうぞうしました。ボールでは 一しゅうしませんが、この 話が、すこし イメージ しやすく なるはずです。

広い場所で、ボールを弱く投げたときと、強く投げたときの、落ちる場所のちがいを見てみよう。強く投げるほど、遠くに飛んでから落ちます。ニュートンは、この考えをもっと進めて、「ものすごく強く投げたら、地球を一周する」と想像しました。ボールでは一周しませんが、この話が、少しイメージしやすくなるはずです。

広い場所で、ボールを弱く投げたときと強く投げたときの落下地点の違いを観察してみよう。投げる速さが増すほど、より遠くまで放物線を描いてから落下することが分かる。ニュートンの思考実験は、この延長線上に「地球を一周してしまうほどの速さ」を想定したものであり、実際に体を動かして確かめることで、軌道という考え方が具体的にイメージしやすくなる。