Эксперт объяснил, почему солнечные бури могут так легко уничтожать спутники

4 февраля 2022 года компания SpaceX запустила 49 спутников в рамках интернет-проекта Элона Маска Starlink, большинство из которых сгорело в атмосфере несколько дней спустя. Причиной неудачи стоимостью более 50 миллионов долларов США стала геомагнитная буря, вызванная Солнцем.

Геомагнитные бури возникают, когда космическая погода попадает на Землю и взаимодействует с ней. Космическая погода вызывается колебаниями на Солнце, которые выбрасывают в космос электроны, протоны и другие частицы.

Я изучаю опасности, которые космическая погода представляет для космических средств, и то, как ученые могут улучшить модели и прогнозирование космической погоды для защиты от этих опасностей.

Когда космическая погода достигает Земли, она запускает множество сложных процессов, которые могут вызвать массу проблем для всего, что находится на орбите. И инженеры вроде меня работают над тем, чтобы лучше понять эти риски и защитить от них спутники.

Что вызывает космическую погоду?

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 выбрасывают необычно сильные всплески частиц в определенном направлении. Если Земля окажется на пути усиленного солнечного ветра, порожденного одним из таких событий, и получит удар, то возникнет геомагнитная буря.

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 движется со скоростью примерно 900 000 миль в час (1,4 миллиона километров в час). Но сильные солнечные события могут вызвать ветры в пять раз быстрее.

Самая сильная геомагнитная буря в истории была вызвана выбросом корональной массы в сентябре 1859 года. Когда масса частиц упала на Землю, они вызвали скачки напряжения в телеграфных линиях, которые шокировали операторов и, в некоторых экстремальных случаях, привели к возгоранию телеграфных приборов.

Исследования показывают, что если геомагнитная буря такого масштаба обрушится на Землю сегодня, то ущерб от нее составит около 2 триллионов долларов.

Магнитный щит

Выбросы от Солнца, включая солнечный ветер, были бы невероятно опасны для любой формы жизни, которой не повезло оказаться под их непосредственным воздействием. К счастью, магнитное поле Земли делает многое для защиты человечества.

Первое, с чем сталкивается солнечный ветер при приближении к Земле, - это магнитосфера. Эта область, окружающая атмосферу Земли, заполнена плазмой, состоящей из электронов и ионов. В ней преобладает сильное магнитное поле планеты. Когда солнечный ветер попадает в магнитосферу, он переносит массу, энергию и импульс в этот слой.

Магнитосфера может поглощать большую часть энергии от повседневного уровня солнечного ветра. Но во время сильных бурь она может перегружаться и передавать избыточную энергию в верхние слои атмосферы Земли вблизи полюсов. Именно это перенаправление энергии к полюсам приводит к фантастическим явлениям авроры, но оно также вызывает изменения в верхних слоях атмосферы, которые могут нанести вред космическим объектам.

Опасности для того, что находится на орбите

Геомагнитные бури могут угрожать орбитальным спутникам, которые ежедневно служат людям на земле, несколькими различными способами.

Когда атмосфера поглощает энергию магнитных бурь, она нагревается и расширяется вверх. Это расширение значительно увеличивает плотность термосферы - слоя атмосферы, простирающегося от 50 миль (80 км) до примерно 600 миль (1000 км) над поверхностью Земли. Более высокая плотность означает большее сопротивление, что может стать проблемой для спутников.

Именно эта ситуация привела к гибели спутников Starlink компании SpaceX в феврале.

Спутники Starlink выводятся ракетами Falcon 9 на низковысотную орбиту, как правило, на высоте от 60 до 120 миль (100-200 км) над поверхностью Земли.

Затем спутники с помощью бортовых двигателей медленно преодолевают силу сопротивления и поднимаются на конечную высоту около 350 миль (550 км).

Последняя партия спутников Starlink столкнулась с геомагнитной бурей, находясь на низкой околоземной орбите. Их двигатели не смогли преодолеть значительно возросшее сопротивление, и спутники начали медленно падать к Земле и в конце концов сгорели в атмосфере.

Тяготение - это только одна опасность, которую космическая погода представляет для объектов космического базирования.

Значительное увеличение количества высокоэнергетических электронов в магнитосфере во время сильных геомагнитных бурь означает, что большее количество электронов будет проникать через защитную оболочку космического аппарата и накапливаться в его электронике. Это скопление электронов может привести к разряду, который, по сути, является небольшим ударом молнии, и повредить электронику.

Проникающая радиация или заряженные частицы в магнитосфере - даже во время слабых геомагнитных бурь - также могут изменять выходной сигнал электронных устройств. Это явление может привести к ошибкам в любой части электронной системы космического аппарата, а если ошибка возникает в чем-то критическом, то весь спутник может выйти из строя.

Небольшие ошибки являются обычными и обычно устранимыми, но полные отказы, хотя и редко, случаются.

Наконец, геомагнитные бури могут нарушить способность спутников поддерживать связь с Землей с помощью радиоволн. Многие коммуникационные технологии, такие как GPS, например, полагаются на радиоволны. Атмосфера всегда искажает радиоволны на некоторую величину, поэтому инженеры корректируют эти искажения при создании систем связи.

Но во время геомагнитных бурь изменения в ионосфере - заряженном эквиваленте термосферы, охватывающем примерно тот же диапазон высот - изменяют прохождение радиоволн. Калибровки, установленные для спокойной атмосферы, становятся неверными во время геомагнитных бурь.

Это, например, затрудняет фиксацию сигналов GPS и может отбросить позиционирование на несколько метров. Для многих отраслей - авиации, морской промышленности, робототехники, транспорта, сельского хозяйства, армии и других - ошибки позиционирования GPS в несколько метров просто недопустимы. Системы автономного вождения также потребуют точного позиционирования.

Как защититься от космической погоды

Спутники критически важны для функционирования большей части современного мира, и защита космических активов от космической погоды является важной областью исследований.

Некоторые риски можно минимизировать, экранируя электронику от радиации или разрабатывая материалы, более устойчивые к радиации. Но в условиях мощной геомагнитной бури можно сделать лишь очень много.

Возможность точного прогнозирования бурь позволит в определенной степени упредить спутники и другие активы, отключив чувствительную электронику или переориентировав спутники так, чтобы они были лучше защищены.

Но хотя моделирование и прогнозирование геомагнитных бурь значительно улучшилось за последние несколько лет, прогнозы часто оказываются неверными.

Национальное управление океанических и атмосферных исследований предупредило, что после выброса корональной массы геомагнитная буря "скорее всего" произойдет за день до или в день февральского запуска Starlink. Но запуск все равно состоялся.

Солнце похоже на ребенка, который часто закатывает истерики. Оно необходимо для продолжения жизни, но его постоянно меняющийся нрав усложняет ситуацию. Беседа

Пиюш Мехта, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии, Университет Западной Вирджинии.