地球のすぐそばを周回する低軌道（LEO: Low Earth Orbit）は、現代の宇宙利用において最も重要な領域です。通信衛星から宇宙ステーションまで、多くの人工物がこの領域に集中しており、私たちの日常生活を支えるインフラの基盤となっています。本記事では、LEOの定義から物理的な特性、そして直面している課題までを詳しく解説します。
Key Facts
- 定義: 一般的に高度2,000km未満の領域を指し、軌道周期は128分以下。
- 速度: 安定した軌道を維持するために秒速約7.8km（時速約28,000km）という猛烈な速度で飛行。
- 利点: 地球に近いため通信遅延が少なく、打ち上げに必要なエネルギー（デルタV）も少なくて済む。
- リスク: 大気抵抗による軌道減衰や、増え続けるスペースデブリ（宇宙ゴミ）による衝突リスク。
低軌道（LEO）とは何か
低軌道とは、地球を周回する軌道のうち、周期が128分以下（1日あたり11.25周以上）で、離心率が0.25未満のものを指します。物理的な境界としては、高度2,000kmまでが「LEO領域」と定義されることが一般的です。この高度を超えると中軌道（MEO）へと移行し、内側のヴァン・アレン帯（放射線帯）に近づきます。
多くの人工物は高度800km付近に集中しています。また、高度450km以下の領域は「超低軌道（VLEO）」と呼ばれ、大気抵抗が強いため、高度を維持するための特殊な技術が必要となる領域として注目されています。
軌道と領域の使い分け
ここで重要なのが「LEO軌道」と「LEO領域」の区別です。例えば、非常に楕円形の軌道を持つ物体は、最接近点（近地点）ではLEO領域を通過しますが、最遠点（遠地点）が2,000kmを超えるため、LEO軌道とは呼ばれません。しかし、LEO領域を通過する以上、そこに存在する多くの衛星にとって衝突のリスクとなるため、厳重な追跡管理が行われています。
LEOの物理的特性とメカニズム
LEOを飛行する物体は、地球の重力と遠心力が釣り合うことで、絶えず「自由落下」している状態にあります。そのため、機体内部の人間は無重量状態（微小重力）を経験します。重力自体は地表と比べてわずかに減少している程度ですが、速度によって軌道を維持しています。
必要な軌道速度は高度によって異なります。例えば高度200kmでは秒速7.79kmが必要ですが、高度1,500kmまで上がると秒速7.12kmまで低下します。打ち上げ時にLEOに到達させるには、約9.4km/sの速度変化（デルタV）が必要です。
大気の影響と軌道減衰
LEOは完全な真空ではなく、熱圏（高度80〜600km）や外圏（600km以上）の希薄なガスが存在します。特に高度300km以下の衛星は、この大気抵抗（ドラッグ）によって速度を失い、次第に高度が下がる「軌道減衰」を起こします。最終的には大気圏に再突入して燃え尽きることになります。
LEOの活用事例とメリット・デメリット
LEOが多用される最大の理由は、地球に近いため通信の遅延（レイテンシ）が極めて少なく、高帯域の通信が可能であることです。また、打ち上げコストが低く、有人ミッションの往還やメンテナンスも比較的容易です。
| 用途 | 具体例 | 特徴・メリット |
|---|---|---|
| 有人拠点 | 国際宇宙ステーション (ISS)、天宮 | 研究開発や有人滞在に適した高度（340〜420km） |
| 地球観測 | ハッブル宇宙望遠鏡、Envisat | 近距離から高精細な撮影が可能 |
| 通信ネットワーク | Starlink、Iridium | 低遅延通信を実現。広域カバーには多数の衛星（コンステレーション）が必要 |
| 重力測定 | GRACE-FO、GOCE | 地球の重力場を精密に測定 |
運用上の課題
一方で、LEOの衛星は一度に観測できる地球の範囲（視野）が狭いため、地球全土をカバーするには大量の衛星を連携させる「衛星コンステレーション」を構築する必要があります。また、前述の大気抵抗により、ISSのように定期的にエンジンを噴射して高度を上げる「リブースト」作業が不可欠です。
深刻化するスペースデブリ問題
LEOの利用拡大に伴い、運用を終えた衛星や衝突で発生した破片などのスペースデブリ（宇宙ゴミ）の増加が深刻な問題となっています。軌道速度（時速約28,000km）での衝突は極めて破壊的であり、一つの衝突がさらなる破片を生み、連鎖的に衝突が増える「ケスラーシンドローム」への懸念が高まっています。
NASAの追跡によれば、直径10cm以上の物体が25,000個以上、1mm以上の粒子に至っては1億個を超えると推定されています。デブリの寿命は高度に依存し、400km付近では5年程度で落下しますが、500kmを超えると25年以上残留します。1958年に打ち上げられたヴァンガード1号は、現在もLEOからMEOにまたがる軌道にあり、今後240年は残留すると予測されています。
Frequently Asked Questions
LEOとGEO（静止軌道）の最大の違いは何ですか？
最大の違いは高度と速度です。LEOは高度2,000km未満で高速に地球を周回しますが、GEOは高度約35,786kmに位置し、地球の自転と同じ速度で周回するため、地上からは常に同じ位置に止まっているように見えます。LEOは低遅延ですが視野が狭く、GEOは広範囲をカバーできますが遅延が大きくなります。
なぜLEOの衛星は時間とともに落下するのですか？
高度数百kmの領域には、非常に薄いながらも地球の大気が存在するためです。衛星がこの大気粒子と衝突することで摩擦（大気抵抗）が生じ、速度が低下します。速度が落ちると遠心力が弱まり、重力に引かれて高度が徐々に下がっていくためです。
人間がLEOで無重力を感じるのはなぜですか？
重力がなくなっているわけではなく、衛星が地球の周りを猛スピードで落下し続けている（自由落下状態にある）ためです。地球へ向かう重力と、円運動による遠心力がちょうど打ち消し合っているため、内部にいる人は浮遊感（無重量状態）を感じます。
スペースデブリはどのようにして除去されるのですか？
自然な除去方法は、大気抵抗による再突入です。しかし、高高度のデブリは自然落下に数十年から数百年かかるため、近年ではロボットアームや網を用いてデブリを捕獲し、強制的に大気圏へ落下させる技術の開発が進められています。
References
- "Free fall" by definition requires that gravity is the only force acting on the object. That definition is still fulfilled when falling around Earth, as the other force, the centrifugal force is a .
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