Подробно о влиянии геомагнитных штормов на орбитальные группировки
Солнце время от времени выбрасывает в космос большое количество энергии и частиц, которые могут врезаться в Землю.
4 февраля 2022 года компания SpaceX запустила 49 спутников в рамках интернет-проекта Илона Маска Starlink, большая часть которых через несколько дней сгорела в атмосфере. Причиной этого сбоя, обошедшегося в $50 млн, стала геомагнитная буря, вызванная Солнцем.
Геомагнитные бури возникают, когда космическая погода влияет на Землю и взаимодействует с ней. Космическая погода бывает вызвана флуктуациями внутри Солнца, которые выбрасывают в космос электроны, протоны и другие частицы.
Когда космическая погода достигает Земли, она запускает множество сложных процессов, которые могут доставить много неприятностей всему, что находится на орбите.
Солнце всегда выбрасывает в космос постоянное количество заряженных частиц. Это называется солнечным ветром. Солнечный ветер также несет с собой солнечное магнитное поле. Иногда локальные флуктуации на Солнце вызывают необычно сильные выбросы частиц в определённом направлении. Если Земля окажется на пути усиленного солнечного ветра, вызванного одним из этих событий, и будет поражена, мы получим геомагнитную бурю.
Двумя наиболее распространенными причинами геомагнитных бурь являются выбросы корональной массы – взрывы плазмы с поверхности Солнца – и солнечный ветер, выходящий через корональные дыры – пятна низкой плотности во внешней атмосфере Солнца.
Скорость, с которой выброшенная плазма или солнечный ветер достигает Земли, является важным фактором: чем выше скорость, тем сильнее геомагнитная буря. Обычно солнечный ветер распространяется со скоростью примерно 1,4 млн км/час. Но сильные солнечные явления могут вызывать ветры в пять раз быстрее.
Самая сильная геомагнитная буря за всю историю наблюдений была вызвана корональным выбросом массы в сентябре 1859 года. Когда масса частиц ударялась о Землю, они вызывали скачки напряжения в телеграфных линиях, которые поражали операторов, а в некоторых крайних случаях даже поджигали телеграфные приборы. Исследования показывают, что, если сегодня на Землю обрушится геомагнитная буря такой силы, она нанесёт ущерб примерно в $2 триллиона.
Выбросы солнца, включая солнечный ветер, были бы невероятно опасны для любой формы жизни, которой не посчастливилось подвергнуться их прямому воздействию. К счастью, магнитное поле Земли защищает человечество.
Первое, с чем сталкивается солнечный ветер при приближении к Земле, – это магнитосфера. Эта область, окружающая атмосферу Земли, заполнена плазмой, состоящей из электронов и ионов. Когда солнечный ветер сталкивается с магнитосферой, он переносит в этот слой массу, энергию и импульс.
Магнитосфера может поглощать большую часть энергии повседневного уровня солнечного ветра. Но во время сильных бурь он может перегружаться и передавать лишнюю энергию в верхние слои земной атмосферы вблизи полюсов. Это перенаправление энергии к полюсам приводит к фантастическим полярным сияниям, но также вызывает изменения в верхних слоях атмосферы, которые могут нанести вред космическим объектам.
Существует несколько различных способов, которыми геомагнитные бури угрожают орбитальным спутникам.
Когда атмосфера поглощает энергию магнитных бурь, она нагревается и расширяется вверх. Это расширение значительно увеличивает плотность термосферы, слоя атмосферы, который простирается примерно от 80 км до примерно 1000 км над поверхностью Земли. Более высокая плотность означает большее сопротивление, что может быть проблемой для спутников.
Именно эта ситуация привела к гибели спутников SpaceX Starlink в феврале. Спутники Starlink сбрасываются ракетами Falcon 9 на низкую орбиту, обычно где-то между 100 и 200 км над поверхностью Земли. Затем спутники используют бортовые двигатели, чтобы медленно преодолевать силу сопротивления и подниматься на свою окончательную высоту примерно в 550 км.
Последняя партия спутников Starlink столкнулась с геомагнитной бурей ещё на очень низкой околоземной орбите. Их двигатели не смогли преодолеть значительно возросшее лобовое сопротивление, и спутники начали медленно падать на Землю и, в конце концов, сгорели в атмосфере.
Сопротивление – это лишь одна из опасностей, которую космическая погода представляет для космических объектов. Значительное увеличение количества высокоэнергетических электронов в магнитосфере во время сильных геомагнитных бурь означает, что больше электронов будет проникать через экран космического корабля и накапливаться в его электронике. Это скопление электронов может привести к разряду типа молнии и повреждению электроники.
Проникающая радиация или заряженные частицы в магнитосфере – даже во время умеренных геомагнитных бурь – также могут изменить выходной сигнал электронных устройств. Это явление может вызвать ошибки в любой части электронной системы космического корабля, и если ошибка произойдет в чём-то критическом, весь спутник может выйти из строя. Небольшие ошибки распространены и обычно исправимы, но полные сбои, хотя и редко, случаются.
Наконец, геомагнитные бури могут нарушить связь спутников с Землей. Атмосфера всегда искажает радиоволны на некоторую величину, поэтому инженеры корректируют это искажение при построении систем связи. Но во время геомагнитных бурь изменения в ионосфере – заряженном эквиваленте термосферы, который охватывает примерно тот же диапазон высот – изменят то, как через неё проходят радиоволны. Калибровки для спокойной атмосферы во время геомагнитных бурь становятся неверными.
Это, например, затрудняет захват сигналов GPS и может привести к смещению позиционирования на несколько метров. Для многих отраслей – авиационной, морской, робототехнической, транспортной, сельскохозяйственной, военной и других – ошибки GPS-позиционирования в несколько метров просто неприемлемы. Автономные системы вождения также потребуют точного позиционирования.
Спутники имеют решающее значение для функционирования большей части современного мира, и защита космических активов от космической погоды является важной областью исследований.
Некоторые риски можно минимизировать, защищая электронику от излучения или разрабатывая материалы, более устойчивые к излучению. Но перед лицом мощной геомагнитной бури можно сделать лишь ограниченную защиту.
Способность точно прогнозировать штормы позволила бы в определённой степени упреждающе защитить спутники и другие активы, отключив чувствительную электронику или переориентировав спутники для лучшей защиты. Но хотя моделирование и прогнозирование геомагнитных бурь за последние несколько лет значительно улучшились, прогнозы часто бывают неверными. Национальное управление океанических и атмосферных исследований предупредило, что после выброса корональной массы «вероятна» геомагнитная буря за день до или в день запуска Starlink в феврале.
Солнце – как ребенок, который часто закатывает истерики. Жизни необходимо продолжаться, но её постоянно меняющийся характер усложняет жизнь.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
