«Жизнь со звездой» — часть 2: космическая погода

Уже на закате программы «Аполлон» NASA решило запустить в космос первую (для США) орбитальную станцию. Всё шло хорошо, и третья миссия ( 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:

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

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 ( электроэнергии в мире). При этом полная энергия отдельной 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, 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 Фото сделанное Джеком Фишером из 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

Для целей подсчёта дозы, которую вы можете получить в процессе полёта,

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 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.

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 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 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.