Спутники ГНСС находятся в обратной зависимости от силы солнечных бурь

Известно, что солнечные бури создают проблемы для спутников на орбите Земли. Ученые пытаются лучше понять эти события, чтобы помочь операторам защитить свои космические аппараты. И иногда они натыкаются на сюрпризы.

Исследования показывают, что спутники на орбите могут больше страдать от более мягких солнечных бурь, чем от пугающих событий, которые наносят ущерб электросетям и телекоммуникационным сетям на Земле.

Специалисты проанализировали спутниковые данные за 20 лет и обнаружили, что самый сложный инцидент для американских космических аппаратов GPS, которые предоставляют критически важные услуги для многих секторов, включая все виды транспорта, банковское дело и бурение нефтяных скважин — произошёл от небольшой солнечной бури в 2010 году, во время сонной части 11-летнего цикла солнечной активности.

Иногда люди думают, что супершторм – это катастрофа. Но исследования показывают, что это не обязательно так.

Солнечные бури вызываются взаимодействием заряженных частиц, составляющих солнечный ветер, с магнитным полем Земли и атмосферой нашей планеты. Солнечный ветер – это поток ионизированного газа, который постоянно вытекает из Солнца. Во время обширных извержений солнечного материала, известных как выбросы корональной массы (CME), Солнце одновременно выбрасывает в космос огромное количество этого солнечного ветра.

Частицы в солнечном ветре намагничиваются, и когда эти огромные выбросы плазмы сталкиваются с магнитными линиями Земли с противоположным магнитным полюсом, они временно отключают защитный магнитный экран планеты и проникают глубоко в атмосферу. Реакции солнечных частиц с атмосферными газами вызывают разноцветные полярные сияния, а также индуцируют электрические токи, которые в случае самых сильных бурь могут вывести из строя электрические сети и нарушить работу телекоммуникационных сетей.

Солнечные бури влияют на спутники несколькими способами. Например, когда частицы солнечного ветра смешиваются с молекулами воздуха, атмосфера нагревается и вздувается, вызывая увеличение плотности разреженных газов в верхних слоях атмосферы. Космические аппараты на низкой околоземной орбите, включая Международную космическую станцию, внезапно испытывают большее сопротивление и начинают терять высоту.

Спутники ГНСС (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou и Galileo) страдают и от другого явления космической погоды. Когда мощные всплески солнечного ветра нарушают магнитное поле Земли, заряженные солнечные частицы попадают в ловушку за магнитными линиями планеты, впрыскивая дополнительную энергию во внешний радиационный пояс Земли. В этом регионе, который простирается на высоте от 13 000 до 45 000 км, концентрации энергичных частиц всегда довольно высоки. Солнечная буря нужной силы может значительно нагреть обстановку, что приведёт к резкому увеличению количества электронов-убийц, электронов, которые настолько энергичны, что облетают планету каждые 10 минут.

Эти электроны обладают очень высокой энергией. Они могут проникать сквозь поверхности спутников, встраиваться в диэлектрическую среду и оставаться там. Заряд может накапливаться с течением времени, а затем может превысить уровни для пробоя. Может случиться электростатический разряд, который повредит электронные компоненты.

В некоторых случаях электроны-убийцы могут нанести непоправимый ущерб.

Операторы могут защитить свои космические аппараты от этих событий, используя защищённые технологии или переводя спутники в безопасный режим, но это приводит к перебоям в обслуживании. Более того, исследование показало, что электроны-убийцы могут оставаться внутри спутников ещё долго после того, как прошла солнечная буря.

Это одна из причин, из-за которой иногда трудно свалить проблемы с космическим кораблём на аномалии. Заряд может накапливаться, и он может дойти до точки, когда он всё почти разрушит, но на самом деле не разрушит. А затем, немного позже, может произойти небольшое событие и вызвать разряд, хотя, конечно, большая часть этого заряда была бы связана с экстремальным событием.

Чем сильнее буря, тем ближе к поверхности планеты скапливаются электроны-убийцы. Самые серьёзные события, которые случаются раз в 20 или 100 лет, толкают облако энергичных частиц к более низким орбитальным областям на высоте около 8000 км над Землёй. Эти регионы используются некоторыми телекоммуникационными спутниками.

GPS, работающее уже более 40 лет, вскоре может подвергнуться испытанию, поскольку текущий солнечный цикл, 25-й с момента начала записей, приближается к своему максимуму. Вопреки более ранним прогнозам, солнечная активность находится на пути к максимальному уровню более чем за 20 лет, а это будет означать, что на планету и спутники на её орбите будет попадать больше солнечного ветра.

В то время как спутники группировки GPS (США) могут быть защищены от порочного воздействия электронов-убийц за счёт тщательной разработки, сигналы, которые эти спутники излучают, чтобы пользователи на Земле знали своё местоположение, могут по-прежнему страдать. В результате мощные солнечные бури могут сделать ненадёжными особенно высокоточные услуги позиционирования, например, используемые в авиации.

Сигналы спутников проходят через атмосферу Земли и достигают приёмников на земле. По пути эти лучи сталкиваются с ионосферой планеты, границей между атмосферой и вакуумом космического пространства на высоте от 80 до 640 км. Здесь разреженные газы верхних слоев атмосферы постоянно подвергаются воздействию интенсивного солнечного света, что приводит к тому, что атомы выбрасывают электроны, превращая газ в ионизированную плазму. Когда солнечные вспышки и выбросы корональной массы поражают планету, ионосфера перегружается. Её свойства меняются, что затем влияет на то, как спутниковые сигналы распространяются через эту область.

В спутниковой навигационной системе автомобиля ошибка может показаться незначительной, например, расположение перекрёстка, но системы, используемые самолётами для помощи при посадке, могут оказаться совершенно бесполезными.

В большинстве случаев такие сбои довольно кратковременны, и системы снова включаются в течение нескольких минут. Но во время самых сильных солнечных бурь сбои могут длиться гораздо дольше.

В феврале этого года относительно умеренная солнечная буря вынудила канадских операторов нефтяных вышек приостановить бурение на несколько часов, поскольку технология, используемая для позиционирования их буровых долот, показывала ненадёжные показания.

Шторм, вызвавший февральский срыв, стал сильнейшим за последние годы. Это событие, классифицированное Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA) как шторм 3-й категории по пятибалльной шкале, удивило синоптиков, поскольку оно произошло вслед за двумя относительно небольшими выбросами корональной массы, которые получили дополнительный импульс от потоков быстрого солнечного ветра, вытекающего из корональной дыры, отверстия в магнитном поле Солнца.

Такие корональные дыры могут вызвать наибольшие проблемы в области GPS, поскольку они производят солнечный ветер примерно такой интенсивности, чтобы возбуждать частицы, находящиеся дальше от Земли.

Текущий солнечный цикл должен достичь пика либо в 2024, либо в 2025 году. Это, однако, не означает, что спутниковые операторы смогут расслабиться через два года. Некоторые из наиболее продолжительных корональных дыр появляются после пика солнечного цикла.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал