«Жизнь со звездой» — часть 2: космическая погода

14.08.2017

Уже на закате программы «Аполлон» NASA решило запустить в космос первую (для США) орбитальную станцию. Всё шло хорошо, и третья миссия (Скайлэб-4), закончившаяся в феврале 1974 года, подготовила станцию к консервации приподняв её орбиту на 11 км (до 433×455 км). По прогнозам солнечной активности NASA, станция должна была оставаться на орбите до 1983 года, когда третий полёт «Шаттла» должен был снова поднять её орбиту. Но уже скоро стало понятно, что текущий солнечный цикл будет сильнее, чем ожидалось. В сентябре 1977 было принято решение отправить к станции беспилотную миссию, для подъёма орбиты, и в октябре 1979 она уже должна была полететь, но увы: станция сошла с орбиты уже 11 июля этого года.

Таковым было крупнейшее последствие влияния космической погоды на деятельность человека, (и пожалуй крупнейшим просчётом NASA в прогнозах за всю его историю), послужившим к потере станции стоимостью в 2,5 млрд $. Второе событие, по степени тяжести, оказалось отключение электричества на 9 часов в провинции Квебек (Канада) в 1989 году, от которого пострадало 6 млн. человек (ущерб оценивается в 30 млн. $). В продолжении статьи о солнечной активности, я расскажу о том, как космическая погода (являющаяся её проявлением) влияет на деятельность человека.

Так или иначе, большинство проявлений космической погоды связано с магнитным полем Земли, так что начать я предлагаю с рассмотрения его структуры:

Магнитосфера Земли

Взаимодействие солнечного ветра (и корональных выбросов) с магнитным полем Земли начинается на расстоянии около 10 земных радиусов, образованием головной ударной волны. В этом месте сверхзвуковой поток ионизированных частиц резко тормозится до дозвуковой скорости, и уплотняется. Во время минимума 11-летнего цикла ударная волна отодвигается дальше от Земли (за счёт ослабления потока солнечного ветра), во время максимума — приближается к Земле.

В области магнитопаузы магнитное поле Земли окончательно превосходят по своей силе солнечные, и заряженные частицы начинают двигаться по его линиям индукции (в промежутке между этими областями располагается магнитослой). В противоположной от Солнца стороне располагается магнитный хвост, который прослеживается до тысячи земных радиусов.

Наклонение оси Земли (на 23°), и отклонение геомагнитных полюсов от этой линии (ещё примерно на 11°) приводит к тому, что магнитный диполь Земли наклоняется относительно плоскости эклиптики примерно на ±35° в ходе (на схеме это не показано).

Большая часть заряженных частиц беспрепятственно огибает магнитное поле, но в моменты, когда внешние возмущения поля приводят к пересоединению магнитного поля — заряженные частицы отбрасываются к полярным каспам, попутным образованием полярных сияний). Захваченные таким образом вещество, являются основным источником заряженных частиц в плазмосфере Земли (области, содержащих холодную плазму).

Важность магнитного поля в плане защиты планеты и космонавтов от пагубного влияния Солнца значительно преувеличено. Так Марс (не имеющий полноценного магнитного поля), в процессе диссипации теряет примерно 8,5 тонн своей атмосферы в сутки, при этом Земля — теряет около 90 тонн. Защита космонавтов от солнечных космических лучей составляет 200 — 10 000 раз, но защита от корональных выбросов, составляет только 10 — 20 раз (при этом меньшей защите соответствует события большей степени тяжести). Это никак не может сравниться с защитой атмосферы, составляющей многие порядки величины.

Радиационные пояса Земли

Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов, с энергиями в несколько десятков кэВ, и простирается на расстоянии 13-60 тыс. км от Земли. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов с энергиями в несколько десятков МэВ, и простирается на расстояние 1-6 тыс. км, но в областях магнитных аномалий этот пояс может значительно «провисать»:

Наиболее значительной среди таких аномалий является Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА), в которой внутренний радиационный пояс опускается до высоты в 200 км. Она является основным источником сбоев низкоорбитальных спутников, и вносит значительную долю в облучение космонавтов (примерно 15-20%).

Основным источником частиц в радиационных поясах Земли являются частицы космического ветра, проникающие туда через полярные каспы. Однако есть ряд других источников: взаимодействие галактических космических лучей с частицами атмосферы образуют потоки вторичных частиц (вносящее основной вклад в протоны с энергией в 20-30 МэВ, и электронов с энергией 0.1-1 ГэВ); аномальные космические лучи (представляющие из себя однократно- или двукратно- заряженные атомы с энергией порядка 10-20 МэВ); солнечные вспышки (вклад в протоны с энергией больше 1 МэВ); ионосфера (частицы с энергией до нескольких сотен кэВ).

Солнечные вспышки и корональные выбросы массы

Солнечные вспышки распространяются со скоростью света, и достигают Земли уже через 8,5 минут. Солнечные космические лучи пребывают к Земле через несколько часов. Однако основной источник магнитных бурь (корональные выбросы) — распространяются в среднем со скоростью в 470 км/с, при максимальной скорости чуть выше 3000 км/с, что даёт время прибытия к Земле основной бури в диапазоне 0,5-5 дней.

Дальнейшее развитие событий сильно зависит от направления магнитного поля коронального выброса: если оно сонаправленно с магнитным полем Земли — то поток заряженных частиц большей частью просто огибает его; если же они направлены в противоположные стороны — поток частиц начинает интенсивно тормозиться, параллельно прижимая головную ударную волну ближе к Земле (до 6-8 радиусов Земли в среднем). В случаях самых мощнейших геомагнитных бурь — ударная волна может прижиматься практически к самой атмосфере:

Геомагнитные бури

За месяц может происходить от 0 до 8 геомагнитных бурь (в зависимости от периода 11-летнего цикла). Возмущения магнитного поля, создаваемые во время бури, неравномерны, и растут от минимума на экваторе, до максимума на широтах 62-67°. Средняя мощность поступления энергии в магнитосферу (посредством солнечного ветра) — составляет 3*10¹¹ Вт (это на порядок меньше текущего производства электроэнергии в мире). При этом полная энергия отдельной геомагнитной бури может достигать 2*10²¹ Дж, но её выделение растягивается на несколько дней, поэтому магнитные возмущения в ходе бурь — довольно слабы. Но генерируемые ими в длинных проводящих линиях геоиндуцированные токи (ГИТ) могут достигать десятков и сотен ампер, приводя к целому ряду нежелательных эффектов:

В линиях электропередач такие паразитные токи могут приводить к повышенному нагреву трансформаторов, снижению их эффективности, и даже выходу из строя (самым показательным случаем стал Квебек, 13 марта 1989 года). В случае линий связи — это может вызывать помехи, вплоть до полной потери связи на несколько часов/дней (самый показательный случай произошёл 1-2 сентября 1859 года, за 23 года до появления первой электростанции в мире, так что ущерб был не столь велик). В случае трубопроводов, это может вызывать снижение эффективности катодной защиты, предназначенной для борьбы с коррозией (этот эффект носит кумулятивных характер, и проявляется не сразу). В случае железных дорог, это может выводить из строя различную автоматику, подключенную к железнодорожному полотну.

Однако эти токи не являются запредельными, и учёт их во время проектирования проводящих линий, в купе с различными техническими приёмами — позволяют избежать выхода оборудования из строя даже в случае самых тяжёлых геомагнитных бурь. Бури также приводят к другому интересному явлению:

Полярные сияния

Переполнение «магнитной ловушки» Земли в ходе корональных выбросов приводит к высыпанию заряженных частиц в атмосферу, в областях полюсов Земли. Сталкиваясь с атомами атмосферы, они вызывают их ионизацию, а уже эти атомы — излучают свет. В земной атмосфере за этот процесс в основном отвечают атомы азота и кислорода, что определяет зеленоватый цвет полярного сияния, на других планетах — цвет полярного сияния может быть совершенно иным (за счёт другого состава их атмосферы).

Фото сделанное Джеком Фишером из модуля «Ку́пол» МКС

Воздействие заряженных частиц привод не только к красивому свечению, но и практически к полному блокированию коротковолновой связи в полярных областях на срок до нескольких дней (за счёт нарушения процесса отражения сигнала от ионосферы). Данные эффекты влияют и на более коротковолновое излучение: так замедление процесса прохождения дециметровых волн через ионосферу, приводит к тому, что точность систем спутниковой навигации может падать на порядок (до 50 м), в данных областях.

Второй отраслью, по радиационному облучению её работников является не атомная (как многие могли бы подумать), а авиация: на высотах, используемой гражданской авиацией (около 10 км) большая часть атмосферы, хорошо экранирующая все виды космических лучей — оказывается под вами. Но даже так, средняя доза облучения лётного состава в США составляет только 3,01 мЗв/год (что всё ещё в 6,5 раз меньше нормативов у нас, и в 2 раза меньше стандартов Евросоюза). Для обычных же пассажиров, не проводящих значительную часть жизни в небе, бояться в большинстве случаев и вовсе не о чём.

Однако в ходе геомагнитной бури ситуация может кардинально меняться: проникающие при этом в атмосферу заряженные частицы генерируют тормозное излучение, которое всё ещё безопасно на поверхности Земли, но вот на высотах, на которых происходит полёт — радиационный фон ощутимо повышается, и с ним приходится считаться. Это приводит к тому, что трассы полётов, проходящие вблизи полюсов Земли, в данные периоды времени могут значительно смещать по направлению к экватору (это также связано с желанием избежать тех зон, где связь с самолётами может нарушаться). К счастью, такого рода полётов и так происходит довольно мало (данные за 2009 год):

Для целей подсчёта дозы, которую вы можете получить в процессе полёта, Федеральное управление гражданской авиации США выпустило специальное приложение.

Влияние на Землю

Общая светимость Солнца в ходе 11-летнего цикла меняется всего на 0,1%, однако в конкретных областях — изменения могут быть значительно выше: так изменения в ультрафиолетовом диапазоне спектра могут составлять 6-8%, и приводить к увеличению выработки озона в атмосфере Земли (являющимся парниковым газом), во время солнечных максимумов. С другой стороны, этому периоду времени сопутствует учащение полярных сияний, в ходе которых заряженные частицы могут проникать вплоть до высот в 25-30 км, и вызывать разрушение озона в полярных областях (вплоть до 20% от общей концентрации, за одно событие).

Другим доказанным путём влияния на атмосферу, является облачность (хоть и не прямое влияние, а опосредованное). Выглядит оно следующим образом: поток галактических космических лучей, сталкиваясь с частицами атмосферы, образует ливень вторичных частиц, максимум которых наблюдается в районе верхней границы тропосферы. Эти вторичные частицы — становятся точками конденсации водяного пара в атмосфере, что приводит к образованию облаков. Облака — снижают среднюю прозрачность нашей атмосферы. В итоге во время солнечного максимума прозрачность атмосферы увеличивается, а во время минимума — снижается.

В ходе 10-летнего эксперимента «CLOUD» (проводимого в ЦЕРНе) было установлено, что хотя космические лучи и вносят значительный в клад в образование облаков, их влияние — далеко не единственное: источники ядер для конденсации могут создаваться при различных химических реакциях серной кислоты, аммиака и органических соединений, которые выделяются в воздух как живыми организмами, так и в процессе деятельности человека.

Влияние на космонавтику

Для низкоорбитальных аппаратов наибольшую угрозу представляют вариации плотности верхней атмосферы в ходе 11-летнего цикла: до высоты примерно 150 км влияние Солнца на плотность атмосферы минимально, но с этой высоты оно начинает расти, достигая на высотах в 500-600 км разницы на порядок между солнечным минимумом и максимумом (в максимуме она оказывается плотнее, за счёт роста плотности солнечного ветра, и ультрафиолетового излучения). Это может вынуждать аппараты увеличивать частоту орбитальных манёвров для поддержания своей орбиты с 4 раз в год (во время солнечного минимума), до одного раза за 2-3 недели (во время максимума).

Сравнение времени жизни аппаратов КОРОНАС-И (вверху) и КОРОНАС-Ф (внизу), запускавшихся на полярную орбиту высотой около 500 км, около минимума и максимума 23-го солнечного цикла соответственно.

Другая угроза — это вспышки и корональные выбросы, которые создают радиационную нагрузку на космонавтов и автоматические аппараты. Они наиболее часто происходят во время максимума солнечного цикла. Однако вместе с этим увеличивается поток солнечного ветра, который делает гелиосферу Солнца более плотной, и немного увеличивая её размеры (пульсации которой были зафиксированы «Вояджерами»). Это в свою очередь увеличивает экранирование потока галактических космических лучей (которые приходят в Солнечную систему из вне), и снижает их поток. Так что общая доза радиации, получаемая космонавтами на низкой околоземной орбите — во время солнечного максимума даже уменьшается:

Для аппаратов отдельную угрозу представляет статическое электричество, которой возникает при бомбардировке их электронами прибывающими к нам с солнечным ветром, корональными выбросами, или высыпаемые из внешнего радиационного пояса, в ходе возмущений магнитного поля Земли.

Наибольшей тяжести подвергаются геостационарные спутники, орбита которых (составляющая 6,6 земных радиусов) во время крупных геомагнитных бурь выходит за пределы головной ударной волны (в передней её части). Тем самым они оказываются вынуждены периодически проходить через самые возмущённые области магнитосферы Земли, и экспонироваться прямому потоку коронарных выбросов массы. Это накладывает жёсткие ограничения по радиационной стойкости для элементарной базы данных аппаратов, и необходимости особо тщательного продумывания защиты от статического электричества, так как аппараты на этой орбите должны существовать десятки лет.

Прогноз космической погоды

Наиболее отдалённым прогнозами, использующимися на практике — являются 45 и 27-дневный. Хотя они и имеют низкую точность, они уже применяются при планировании деятельности космонавтов: в основе него лежит такое распределение их работ, чтобы выход космонавтов в открытый космос происходил во время, когда Солнце поворачивается к нам наименее активной областью (с наименьшим числом пятен).

Точность 3-х дневного прогноза уже достигает 30-50%, но максимальную точность (около 95% и выше) — может дать только часовой прогноз, получаемый со спутников в точке Лагранжа L₁ (отстоящая от Земли на 1,5 млн. км по направлению к Солнцу). Сейчас таких спутников два: это запущенный ещё 25 августа 1997 года ACE, и недавно выведенный на орбиту (9 февраля 2015 года) аппарат DSCOVR. Столь невысокие показатели точности обуславливаются тем, что межпланетное магнитное поле, создаваемое вращающимся Солнцем — носит характер спиральной структуры:

А корональные выбросы массы (отклоняемые этим магнитным полем), могут в последний момент «обогнуть» Землю, зацепив при этом аппарат. Проблема же получения точных 3-х дневных прогнозов, заключается в неоднородности данного магнитного поля, которое осложняет задачу предсказания распространения корональных выбросов.