Солнце сбивает спутники: как геомагнитные бури вредят космонавтике
Активность Солнца в последние годы росла. Пик текущего 11-летнего цикла пришёлся на октябрь 2024 года, однако его отголоски мы будем наблюдать ещё долго — примерно до 2030-го. Геомагнитные бури и солнечные вспышки доставят неудобства не только метеозависимым людям, но и космическим агентствам и компаниям по всему миру. Оказалось, что повышенная активность дневного светила «убивает» спутники раньше времени и увеличивает риски их падения в густонаселенных районах. О том, как космическая погода влияет на объекты на Земле и на орбите, читайте в материале Pro Космос.
Цикл Швабе: как меняется активность Солнца
В сущности, понятие «солнечная активность» подразумевает совокупность явлений и процессов, которые связаны с формированием и разрушением мощных магнитных полей в атмосфере Солнца и происходят циклически с разной периодичностью. Лучше всего изучен цикл Швабе, названный в честь немецкого астронома — он заметил эту периодичность в XIX веке.
Типичный цикл Швабе длится 11 лет. В течение этого времени количество тёмных областей (пятен) на поверхности светила сначала растёт, а потом уменьшается. В начале цикла солнечных пятен почти нет: звезда выглядит спокойно. Затем пятен становится всё больше, а вместе с ними увеличивается активность Солнца — вспышки, выбросы плазмы и геомагнитные бури учащаются. Через пять-шесть лет, примерно на середине цикла, достигается максимум активности. Затем она падает, а солнечные пятна постепенно исчезают.
Цикл Швабе, через который наша звезда проходит сейчас, начался в 2019 году и продлится примерно до 2030-го. Хорошая новость заключается в том, что пик солнечной активности мы уже пережили — он пришелся на октябрь 2024 года. Однако с его последствиями чувствительным людям и техносфере Земли предстоит сталкиваться ещё пару лет.
Утомленные Солнцем: от геомагнитных бурь страдают люди и техника
Активность Солнца негативно сказывается на самочувствии некоторых людей из-за возмущений магнитного поля Земли, вызванных взаимодействием магнитосферы планеты с потоками заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Это явление называют солнечным ветром.
Изменение тонуса сосудов приводит к опасным колебаниям артериального давления, а сгущение крови повышает риск тромбозов и ухудшает снабжение тканей кислородом. Возмущения электромагнитного поля способно вызвать стрессовую реакцию организма — выброс гормонов типа адреналина вызывает раздражительность, тревожность, нарушения сна и общую утомляемость. Ну и наконец, обостряются хронические заболевания — мигрени, астма и воспаления суставов.
Геомагнитные бури могут нарушать работу наземных электросетей, повреждать трансформаторы из-за индуцированных токов, вызывать сбои в радиосвязи и работе навигационных систем.
От разбушевавшегося Солнца нет спасения даже в космосе: от него страдают спутники и прочие космические аппараты. Последствия солнечных вспышек могут повреждать бортовую электронику, нарушать работу систем ориентации, снижать срок службы солнечных батарей и создавать угрозу для астронавтов из-за повышенного уровня радиации.
Во время этих событий энергия, поступающая от Солнца, нагревает верхние слои атмосферы, вызывая её «распухание». Чем сильнее расширяется атмосфера, тем больше возрастает аэродинамическое сопротивление движению спутников. Операторы спутников и раньше знали, что оно приводит к быстрой деградации орбиты аппаратов. Однако новые данные намекают, что масштаб проблемы недооценивали.
Исследование NASA: Солнце сбивает спутники
Недавно Центр космических полётов Годдарда NASA представил интересное исследование, с препринтом которого уже можно ознакомиться на сайте arxiv. Команда ученых под руководством Денни Оливейры отслеживала «естественный» вход в атмосферу спутников Starlink в период с 2020 по 2024 год. Анализ данных выявил, что за это время из-за солнечной активности с орбиты преждевременно сошли 523 спутника компании SpaceX. Обычно аппараты рассчитаны примерно на 5 лет работы, но во время сильных геомагнитных бурь их срок существования на орбите может сократиться на 10–12 дней.
Вроде бы немного — разве важен десяток дней в сравнении с годами? Однако Оливейра объясняет, что даже такое скромное сокращение ресурса мешает SpaceX утилизировать спутники посредством контролируемого входа в атмосферу. Более того, согласно полученным данным, «распухание» атмосферы из-за разбушевавшегося Солнца приводит к тому, что спутники разрушаются при спуске не так, как в «спокойные годы». Из-за этого они рискуют не сгореть при возвращении с орбиты полностью, а долететь до Земли в виде обломков.
Это кажется нелогичным: увеличение скорости объекта во время входа в атмосферу обычно повышает вероятность полного разрушения. Но Оливейра утверждает, что Starlink, падающие на более высоких скоростях, могут иметь больше шансов выжить при входе в атмосферу из-за сниженного атмосферного взаимодействия. Для подтверждения этой гипотезы потребуются дальнейшие исследования, поскольку риски образования и падения космического мусора не оценивались напрямую.
Starlinks спроектированы так, чтобы полностью сгореть при входе в атмосферу, но это происходит не всегда. Например, в 2024 году кусок спутника весом 2,5 килограмма упал на ферму в канадской провинции Саскачеван. Хотя компания SpaceX заверяет, что такие случаи не несут риска для людей, эксперты считают, что увеличение числа спутников повысит частоту подобных инцидентов.
По данным ЕКА, вокруг Земли вращается более 14 тысяч спутников, из которых работают 11 тысяч. При этом из них 7500 приходится на спутники Starlink — а это уже больше половины. Всего компания Илона Маска планирует запустить 42 тысячи аппаратов. В условиях рекордной плотности «околоземного населения» ускоренный выход спутников из строя уже опасен. Ничего страшного не случиться, если десяток сойдёт с орбиты раньше времени, однако совсем другое дело, если их будут сотни или даже тысячи.
Оливейра говорит: «Впервые в истории космонавтики на орбите одновременно находится так много спутников. Теперь они входят в атмосферу почти каждую неделю. А в ближайшие месяцы или годы они могут начать падать на Землю каждый день».
Массовая миграция спутников: когда предотвратить столкновения невозможно
Ускорение снижения орбиты усложняет работу систем предотвращения столкновений. Во время геомагнитных бурь аппараты вынуждены массово корректировать свои траектории. Это было особенно заметно в 2024 году во время сильной геомагнитной бури, которую окрестили «Шторм Ганнона». Тогда сразу несколько тысяч «Старлинков» начали манёвры по подъёму орбит. Это создало проблемы для других операторов: избежать столкновений было непросто.
По словам Уильяма Паркера из Массачусетского технологического института, когда маневрирует половина всех активных спутников, текущие математические модели предотвращения столкновений фактически теряют свою актуальность. Они попросту не рассчитаны на массовую миграцию «околоземного населения». Дан Олтрогге из компании COMSPOC утверждает, что ошибки в позиционировании спутников во время таких событий могут достигать сотен километров. При такой погрешности крайне трудно, если вообще возможно, рассчитать траектории и прогнозировать столкновения.
Некоторые компании уже пострадали из-за неточных прогнозов солнечной активности. В 2019 году Capella Space спроектировала серию спутников радиолокационной съёмки, полагаясь на расчёты Центра прогнозов космической погоды SWPC (Space Weather Prediction Center). Предсказания были неточны — текущий солнечный цикл оказался активнее ожидаемого. Из-за этого спутники столкнулись с повышенным сопротивлением атмосферы.
Инженер Скотт Шамбо, бывший сотрудник Capella, рассказал, что из-за усиленной солнечной активности сопротивление атмосферы выросло в 2-3 раза. Это особенно повлияло на аппараты серии Whitney — у них крупная радиолокационная антенна, которая увеличивает площадь торможения. Спутники начали терять высоту быстрее, чем рассчитывали в компании. В 2023-2024 годах 6 аппаратов сошли с орбиты раньше срока.
По словам Шамбо, эта история показала, как сильно отстают академические модели от практических задач. Поэтому он основал новую компанию — Leonid Space. Она разрабатывает инструмент для операторов, помогающий точнее оценить, сколько времени осталось у спутника до схода с орбиты.
«Мы пытаемся ответить на простой вопрос: сколько времени у меня есть, прежде чем спутник сгорит в атмосфере», — сказал он. Один из первых тестов Leonid провели на данных по кубсатам TROPICS, которые NASA запустило в 2023 году для наблюдений за тропическими ураганами. Изначально срок службы аппаратов оценили в 9 лет, потом пересмотрели до 5–6. Однако по расчётам Leonid, все четыре спутника войдут в атмосферу уже летом 2025 года — в июле и августе.
Пилотируемой космонавтике тоже достанется: людям угрожает радиация
Проблемы, вызванные солнечной активностью, выходят за рамки автоматических аппаратов. NASA активно готовится к полёту миссии Artemis 2, запланированной на 2026 год. Этот полёт станет первым за последние 50 лет выходом человека за пределы магнитного поля Земли, которое защищает нас от солнечной радиации.
Во время солнечных вспышек за пределами магнитосферы астронавтам грозит серьёзная опасность. Если во время миссии произойдёт мощная солнечная вспышка, астронавты будут вынуждены сооружать укрытие из мусорных мешков, пакетов с водой и других подручных материалов. Для защиты от радиации также испытывается специальный защитный жилет AstroRad, который снижает дозу облучения на 40–61%.
Для последующей миссии Artemis 3, где астронавты будут работать на Луне, защита от солнечной активности становится ещё более актуальной. NASA изучает, как быстро нужно возвращаться в защитное укрытие при фиксации начала вспышки и когда можно безопасно возобновить работу после её окончания.
А что дальше?
Сейчас правительство США рассматривает возможность перевода Центра прогнозирования космической погоды из Национального управления океанических и атмосферных исследований NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), в Министерство внутренней безопасности DHS (Department of Homeland Security). Неясно, как эта мера поможет улучшить прогнозы космической погоды и защитить астронавтов и спутники.
Однако уже очевидно, что солнечная активность становится решающим фактором в современной космонавтике. Понимание того, как именно солнечные бури влияют на орбиты спутников и безопасность человека за пределами Земли, становится ключевой задачей для учёных и операторов спутниковых систем.
Самое популярное
