Всегда ли солнечно-синхронные орбиты с севера на юг?

Вы правы в своем понимании,

Как только он достигнет окрестностей Южного полюса, в частности, самой южной точки своей орбиты, он начнет двигаться на север.

Причина, по которой они сказали с севера на юг, состоит в том, чтобы отличить его от орбит, идущих с запада на восток (которые, кстати, остаются с запада на восток).

Это также очень четко демонстрируется наземным треком спутника: спутник попеременно движется то на юг, то на север.

(Источник: tornado.sfsu.edu )

Движение север-юг (или юг-север) само по себе не создает солнечно-синхронную орбиту. На самом деле это отклонение от прямого направления с севера на юг в сочетании со сжатием основного объекта (планеты или другого тела, вокруг которого вращается спутник), что позволяет использовать солнечно-синхронные орбиты.

Статья в Википедии о прецессии узлов является хорошим общим источником по этой теме.

Если планета расположена далеко от какого-либо значимого гравитирующего объекта (например, солнца) и не вращается, гравитация заставляет ее принимать сферическую форму. Орбиты вокруг сферически-симметричного объекта очень просты: они не меняют форму, не меняют ориентацию и т. д. Но никакие планеты не являются точно сферическими, и отклонение планеты от сферичности может привести к интересной эволюции орбит вокруг нее.

Если планета вращается, центробежная сила выпячивает экватор. Эту ситуацию можно рассматривать как несколько меньшую сферическую массу, при этом выпуклость представляет собой «дополнительную массу» (достаточную, чтобы сделать фактическую массу планеты), сосредоточенную вокруг экватора вращающейся планеты. Если объект движется по орбите с наклонением, скажем, 45° над северным полушарием, эта дополнительная масса мягко тянет спутник к югу. В конце концов он добирается до экватора, где «пересекает узел». Узлы — это места, где орбита пересекает плоскость экватора. Восходящий узел находится там, где спутник переходит из южного в северное полушарие, а нисходящийузел наоборот. Из-за этого южного притяжения, находясь над северным полушарием, спутник достигает нисходящего узла немного раньше, дальше на запад, чем если бы планета была чисто сферической. Плоскость его орбиты повернулась на запад!

В то время как над южным полушарием притяжение выпуклости направлено на север, заставляя его достигать восходящего узла еще раньше, поэтому плоскость орбиты повернулась еще дальше, в том же направлении. Выпуклость (и возникающий из-за нее крутящий момент на спутнике) вызывает прецессию плоскости орбиты.

Уравнение, которое связывает скорость этой прецессии с характеристиками планеты и орбиты, имеет вид

$$\omega_p = -\frac{3}{2} J_2\frac{R_p^2}{p^2}\omega \cos i$$ где$\omega_p$- скорость прецессии в радианах в секунду,$J_2$- параметр, описывающий отклонение гравитационного поля от сферического в результате вздутия,$R_p$средний радиус планеты,$p$- "полуширокая прямая кишка" орбиты, параметр, связанный с размером и эксцентриситетом орбиты,$\omega$- средняя угловая скорость орбитального объекта вокруг главной ($2\pi$радианы, деленные на период обращения), и$i$наклонение орбиты. Статья в Википедии дает немного другую версию этого уравнения, но они эквивалентны.

Для качественного описания прецессии вам не нужно обращать внимание на большую часть этого уравнения. Если эксцентриситет и размер орбиты остаются фиксированными, то все слева от$\cos i$постоянно. С положительным$i$(«прямая орбита») восходящий узел мигрирует на запад («отрицательное» направление), как в приведенном выше качественном примере.

Но поскольку Земля вращается вокруг Солнца, направление от центра Земли к Солнцу смещается на восток в системе отсчета, привязанной к звездам («инерциальной» системе отсчета). Чтобы установить солнечно-синхронную орбиту, наклонение должно составлять$\cos i$отрицательное, изменяя это направление прецессии на запад. Делать$\cos i$отрицательный,$i$должен быть больше 90° ($\frac{\pi}{2}$радианы) или ретроградным — но незначительно.

Если вы подставите все значения параметров в уравнение и предположите, что объект находится на низкой круговой околоземной орбите (круговая НОО),$i$оказывается где-то около 97-98°, в зависимости от точной высоты орбиты. Это всего лишь 7-8° от прямой линии север-юг, поэтому ее обычно называют полярной орбитой. Но эти 7-8° ретроградного компонента, отклонение от точной полярности, имеют решающее значение для солнечной синхронности. Действительно, если орбита точно полярна,$i$равен 90°, поэтому$\cos i$равен нулю , и прецессии не происходит.

Для орбит на больших высотах$\omega$меньше, поэтому для поддержания$\omega_p$при солнечно-синхронном значении$\cos i$должно иметь большее отрицательное значение. Это означает, что наклонение его орбиты должно быть дальше от точно полярного.

В дополнение к ответу Ганса, это термины, используемые в космическом сообществе для описания орбит, о которых вы говорите.

Спутники, вращающиеся с севера на юг, называются полярными орбитами . Все эти орбиты размещают спутник над полюсами. Эти орбиты имеют наклонение (угол между плоскостью орбиты и экватором) около 90º.

Солнечно -синхронная орбита относится к группе полярных орбит. Его наклонение чуть больше 90º (в зависимости от высоты орбиты). Это гарантирует, что орбита останется в одном и том же положении относительно Солнца. Это означает, что спутник будет проходить над заданным местом на Земле в одно и то же время суток каждый день, что важно для некоторых приложений.