Солнечные суперштормы помогают оценить риски для спутников

На околоземной орбите постоянно растущий флот спутников ведет опасную битву с трением. Эти спутники вращаются в обычно тихом районе на высоте сотен километров над поверхностью, на краю атмосферы Земли. Обычно спутники ощущают лишь легкий толчок из-за встречных ветров разреженного воздуха, но сильные штормы на Солнце могут настолько изменить атмосферу Земли, что за один день спутник уйдет с орбиты дальше, чем он обычно проделывает за год.

Эти отклонения орбиты не приводят к падению спутников с неба, но они могут нарушить их связь с Землей, сократить продолжительность их жизни и даже повысить вероятность столкновения в космосе.

Хотя исследователи и инженеры уже давно знают об этом эффекте, известном как орбитальное сопротивление, новая коллекция исследований, проведенных учеными НАСА, обнаруживает, что менее интенсивные, но более продолжительные штормы неожиданно оказывают большее влияние на орбиты спутников, чем более короткие и более сильные. тяжелые события.

Ученые НАСА в течение многих лет тщательно следили за космической погодой и отслеживали сопротивление орбиты, поскольку спутники на низкой околоземной орбите служат основой для наблюдений за Землей, погодными изменениями и телекоммуникационными системами. Новое исследование, посвященное редким экстремальным историческим штормам, поможет операторам спутников лучше понять время жизни и динамику спутников, сделав околоземную космическую среду более безопасной, когда разразится следующая большая супер-буря.

«Орбитальное сопротивление очень важно, – отметил Джим Спанн, руководитель отдела космической погоды в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия. – Этот новый результат подчеркивает тот факт, что даже во время менее экстремальных явлений космической погоды орбитальное сопротивление спутников оказывает большее влияние, чем мы ожидали. И это становится все более и более серьезной проблемой просто потому, что у нас появляется все больше и больше космических аппаратов».

Что вызывает орбитальное торможение

Наша ближайшая звезда, Солнце, дает свет, питающий жизнь на Земле. Но она также извергает опасные частицы и радиацию, которые могут повлиять на космонавтов и космические технологии. Ученые изучают множество последствий этих излияний, в том числе то, что случается, когда такие извержения очень сильны. Однако, когда дело доходит до тысяч активных спутников в космосе, одной из ключевых проблем является косвенное воздействие частиц и излучения, даже от небольших штормов.

Частицы высоких энергий и солнечное излучение могут нагревать атмосферу Земли, поскольку они сталкиваются с обычными молекулами, такими как азот и кислород. Нагретый воздух поднимается вверх и заставляет атмосферу расширяться, как воздушный шар. Если шторм достаточно силен, он заставит атмосферу расшириться настолько, что поглотит орбиты спутников на низкой околоземной орбите, которые в противном случае пролетели бы через районы с небольшой атмосферой или без нее.

Повышенная атмосфера похожа на встречный ветер – она ​​замедляет вас. Для спутника это сопротивление заставляет его замедляться и снижаться по высоте. Согласно новой статье, недавно опубликованной в ноябрьском выпуске Space Weather, во время экстремальной магнитной бури спутник может снизится на полкилометра по высоте за один день.

“Это много. Фактически, это столько же, сколько спутник обычно теряет за год”, – говорит автор статьи Денни Оливейра.

Оливейра – ученый из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, который в последние несколько лет изучает, как активность Солнца вызывает торможение орбиты спутника.

Ранее Оливейра помогал улучшать модели, обнаружив, что эффекты орбитального сопротивления распространяются в космос вдвое выше, чем ожидалось ранее. Эта работа также обнаружила, что более сильные штормы нагревают и охлаждают верхние слои атмосферы быстрее, чем более мелкие штормы.

Но в своем последнем исследовании ученые обнаружили, что последствия более слабых, но более продолжительных штормов могут быть столь же сильными, если не более сильными, чем экстремальные штормы.

Оливейра и его коллеги изучали экстремальные штормы прошлого века, чтобы понять, как подобные события повлияют на наши современные спутники. Такие суперштормы с Солнца редки – с начала космической эры произошел только один, и он был лишь наполовину меньше, чем событие 1921 года. Однако за тот же период произошли десятки меньших магнитных бурь от Солнца, не все из которых достигли Земли.

Исследователи использовали данные о том, как спутники реагировали на относительно небольшие бури, с записями магнитной активности на Земле во время прошлых супербурь. Это помогло им впервые количественно оценить, как спутник выдержит супершторм.

Они обнаружили, что самые сильные штормы не обязательно вызывают наибольшее сопротивление. Последствия более продолжительного и менее интенсивного шторма могут нарастать со временем, в конечном итоге вызывая большее орбитальное сопротивление, чем короткий мощный шторм. Это открытие удивило ученых, которые не ожидали, что продолжительность шторма будет таким важным фактором.

торможение спутника

Контроль столкновений

Солнечные бури непропорционально сильно влияют на спутники на низкой околоземной орбите, которые живут в пределах первых 375 миль космоса над поверхностью Земли, которые могут быть окутаны раздувающейся атмосферой. Подавляющее большинство новых спутников называют этот регион своим домом, в том числе быстрорастущие группировки спутников связи, запущенные частными предприятиями.

На графике показаны слои атмосферы и связанные с ними слои свечения на высоте от 50 до 400 миль. МКС находится на высоте 300 миль.
Поскольку солнечная активность нагревает термосферу, этот атмосферный слой раздувается и может поглощать спутники, которые обычно вращаются в почти свободной от частиц области атмосферы над ним.
Кредиты: НАСА
Орбитальное сопротивление и Международная космическая станция

Орбитальное сопротивление также влияет на Международную космическую станцию, которая движется по низкой околоземной орбите на высоте около 500 км над поверхностью. Чтобы не потерять высоту во время солнечной бури, команда тщательно следит за солнечной активностью. Высота космической станции может быть увеличена, чтобы компенсировать естественное орбитальное сопротивление, которое влияет на все орбитальные космические корабли, в том числе во время более сильного сопротивления, вызванного космической погодой. Регулировка высоты также используется для поддержания правильного местоположения при прибытии заходящего космического корабля и иногда во избежание попадания космического мусора.

«В течение этого последнего минимума солнечного цикла иногда между маневрами может пройти два или три месяца для поддержания рабочей высоты станции», – сказал Чарли Грей, работающий в программном офисе Международной космической станции в Космическом центре имени Джонсона НАСА в Хьюстоне, штат Техас.

В настоящее время Солнце усиливает активность, поскольку оно приближается к следующему солнечному максимуму – периоду в течение своего 11-летнего цикла, когда наиболее вероятно возникновение огромных вспышек и CME. В то время как космические аппараты пополнения запасов регулярно посещают космическую станцию ​​и могут доставлять больше топлива, спутники меньшего размера и кубсаты имеют ограниченный запас, если вообще имеют его.

«По прогнозам, этот солнечный максимум не будет таким значительным, как 20 лет назад, но штормовые явления будут более значительными, чем сейчас, – сказал Джим Спанн, руководитель отдела космической погоды в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия. – Они будут влиять на сопротивление орбиты малых спутников, большинство из которых не имеют собственных двигателей, чтобы скорректировать потерю высоты».

Как только спутник сбивается с орбиты, последствия только усугубляются, поскольку на меньших высотах больше атмосферы и, следовательно, больше лобовое сопротивление даже в спокойных условиях. Чем ниже волочится спутник, тем сильнее его сопротивление.

Орбитальное сопротивление плохо для спутника, который хочет оставаться на рабочей высоте, но оно также плохо для ближайших спутников, которые могут столкнуться со спутником, который отклонился от курса. Более того, даже крошечные кусочки космического мусора представляют огромный риск для спутников, поэтому минимизация столкновений является ключом к сохранению околоземной среды в качестве функционального пространства для спутников.

«Идея в том, что если мы знаем, насколько сильна буря и как долго она продлится, мы сможем более точно отследить положение спутника, – отметил Оливейра. – Это поможет снизить вероятность столкновения».

атмосфера, МКС и спутники

Синоптики космической погоды

Новые результаты – всего лишь один из аспектов космической погоды и области гелиофизики, в которой ученые пытаются понять, как активность Солнца колеблется в Солнечной системе и влияет на Землю.

«Космическая погода – это все о предсказании – мы должны ее предсказать, нам нужно быть в безопасности, – сказал Оливейра. – То же самое, если вы хотите пойти на пляж – вы хотите знать, будет ли он дождливым или солнечным, или же волны будут слишком опасными для плавания. Это более или менее то, что мы хотим делать с космической погодой».

Ученые НАСА десятилетиями наблюдали за космической погодой и воздействием сопротивления спутников на спутники, особенно с 1970-х годов, когда солнечная активность привела к увеличению сопротивления миссии НАСА Skylab, в результате чего она сошла с орбиты раньше, чем ожидалось. За прошедшие годы усовершенствованные модели помогли ученым лучше понять влияние нормальной солнечной активности на орбитальное сопротивление. Однако из-за редкости экстремальных явлений трудно точно знать, как они могут повлиять на нынешние спутники – что становится все более важным, поскольку все больше и больше спутников заполняют небо.

Чтобы обеспечить заблаговременное предупреждение о приближающихся штормах, многие из гелиофизических миссий НАСА помогают отслеживать активность Солнца. Такие миссии, как Обсерватория солнечной динамики и Солнечная и гелиофизическая обсерватория, постоянно следят за Солнцем, в то время как другие миссии, такие как Исследование ионосферных связей, Испытательные стенды космической среды и предстоящий эксперимент с атмосферными волнами, изучают, как космическая погода и изменчивость солнечной активности влияют на верхние слои атмосферы Земли, спутники и другие технологии. Эта информация помогает обезопасить астронавтов и активы НАСА в космосе во время космических погодных явлений.

Хотя никто не может точно предсказать, когда случится следующая большая солнечная супер-буря или продолжительный шторм, Оливейра надеется, что новая работа поможет ученым и инженерам лучше подготовиться к ее приближению. Солнце может быть на расстоянии 250 миллионов километров, но это не значит, что оно не оказывает большого влияния на Землю.

 

Дивіться огляди:

-->