Поиск:

«Космическая погода» и экология Земли

28.06.2021 22:37:00 

Обстановка в околоземном космическом пространстве (ОКП) влияет не только на объекты в космосе, она может оказывать воздействие и на нашу повседневную жизнь. Это утверждение в одних случаях (погода, здоровье людей) основано преимущественно на гипотезах и различных косвенных данных, в других (помехи радиосвязи, электрические системы) – на очевидных, твёрдо установленных фактах.

Общие понятия

«Космической погодой» или «погодой в космосе» называют совокупность явлений, происходящих в верхних слоях земной атмосферы, в ионосфере и в ОКП. Она оказывает влияние на климат Земли, все геосферы, и через них и на экологию. Впервые понятие «погода в космосе» ввёл основатель и директор Института прикладной геофизики (ИПГ), руководитель Гидрометслужбы страны (1939-1947, 1962-1974), академик Евгений Константинович Фёдоров.

В околоземном пространстве есть свои бури, и штормы (магнитные и ионосферные), есть свои облака (серебристые, или мезосферные), есть свой ветер – солнечный – и даже свой дождь (так называют одно из явлений в полярной ионосфере), т.е., все атрибуты погоды. Сильная изменчивость обстановки в околоземном космосе сродни погодным «капризам».

Для погоды в космосе, как и для погоды в обычном понимании этого слова, характерно чередование спокойных периодов (например, минимум цикла солнечной активности), которые можно сравнить с устойчивой погодой в хорошее лето, и периодов резкой смены обстановки (например, во время высокой солнечной активности), которые можно интерпретировать как неустойчивую осеннюю погоду. Так, например, сегодня нет вспышек на Солнце, «нормальный» солнечный ветер, магнитосфера ничем не возмущена, энергичные заряженные частицы «заперты» в своих радиационных поясах. Спокойно в приземном магнитном поле, и в ионосфере. Вдруг на Солнце произошла вспышка. Уже через 8 минут она коснется земной ионосферы. В самой нижней ее части (на высотах 50-90 км) сразу резко возрастает ионизация – пришедшее первым рентгеновское излучения вспышки «разбивает» нейтральные частицы на ионы и электроны. Возрастание концентрации последних может быть столь сильным, что прекратится радиосвязь в диапазоне коротких волн (КВ) на всем освещенном полушарии Земли. А через несколько часов в ее окрестности прибудут жесткие протоны. Магнитное поле загородит им путь в среднеширотную атмосферу и сбросит протоны, словно в воронку, в приполярную зону. Они вызовут сильнейшую ионизацию в нижней ионосфере и как следствие – практически полное поглощение КВ-радиоволн на всех полярных трассах.

Усилится солнечный ветер, оказывая давление на магнитосферу. С дневной стороны она начнет сжиматься, станут сближаться и изгибаться магнитные силовые линии. Из радиационных поясов в верхнюю атмосферу полярных широт усилятся потоки энергичных электронов. Возникнет полярное сияние, уменьшится количество заряженных частиц в основной части ионосферы на высотах 200-400 км, а значит, ухудшатся характеристики ионосферного "зеркала", начнутся трудности с радиосвязью.

Окажет свое влияние и усиление ультрафиолетового излучения Солнца: повысится температура и плотность атмосферы как раз на тех высотах (более 150-200 км), где летает большинство искусственных спутников, что скажется на характере изменения их орбит.

Космическая непогода может быть опасной для экипажей космических кораблей и в некоторых случаях для технологических систем на поверхности Земли. Во время магнитных бурь, вызванных мощными солнечными вспышками (например, в августе 1982 г. и в марте 1989 г.), наблюдались даже повреждения трубопроводов (из-за возникающих там напряжений при резких изменениях магнитного поля), выходы из строя электрических энергосистем, а также взрывы трансформаторов на телефонных подстанциях. Поэтому понятно, что важно изучать, наблюдать и учиться прогнозировать погоду в космосе.

Солнечное излучение

Солнце оказывает многоплановое воздействие как на живую, так и на неживую природу Земли. Основное влияние происходит через видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, излучение в более коротких диапазонах длин волн и через корпускулярные потоки солнечного ветра. Помимо этого, в атмосферу Земли проникает поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство (солнечный ветер), видимых во многих районах близ полюсов планеты, как «северное сияние» (полярные сияния).

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в т.ч. магнитные бури, полярные сияния и различные формы кометных хвостов, всегда направленных от Солнца. Солнечная активность вызывает возмущения в магнитосфере Земли, которые, в свою очередь, могут воздействовать на земные организмы.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца разрушает молекулу кислорода, которая распадается на два составляющих её атома (атомарный кислород), и возникшие таким путём свободные атомы кислорода соединяются с другими молекулами кислорода, которые ещё не успели разрушиться солнечным УФ-излучением, и в результате получается его аллотропная модификация, состоящая из трёх атомов кислорода – озон. Озон жизненно важен для существования жизни на Земле. Образуется он за счёт солнечного излучения и магнитного поля Земли, вследствие их взаимодействия возникает электростатическое поле в высоких слоях атмосферы, ниже которого образуется озон и формируется озоновый слой. Благодаря этому процессу до поверхности Земли доходит лишь малая часть жёсткого УФ-излучения. УФ-лучи опасны для человека и животных, и поэтому образование озоновых дыр представляет серьёзную угрозу для человечества.

УФ-лучи в небольшом количестве (в большом количестве они могут вызвать рак кожи) усиливают работу кровеносных органов: повышается количество белых и красных кровяных телец (эритроцитов и тромбоцитов), гемоглобина, увеличивается щелочной резерв организма и повышается свёртывание крови. При этом дыхание клеток усиливается, процессы обмена веществ идут активнее. УФ-лучи позитивно воздействуют на организм и посредством др. природных факторов – они способствуют ускорению самоочищения атмосферы от загрязнения, вызванного антропогенными факторами, способствуют устранению в атмосфере частичек пыли и дыма, устраняя смог.

Солнечная радиация – главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере. Солнечная радиация полностью не блокируется облачностью, и частично достигает поверхности Земли при любой погоде в дневное время за счёт прозрачности облаков для тепловой компоненты спектра солнечной радиации.

Геосферы Земли

Геосферы Земли составляют: магнитосфера (включая радиационные пояса), ионосфера, верхняя атмосфера (включая озоновый слой).

Магнитосфера. Геомагнитное поле (магнитосфера Земли) защищает нашу планету от роя заряженных частиц солнечного происхождения (солнечного ветра). Благодаря геомагнитному полю, наша планета теряет гораздо меньше атмосферы по сравнению с другими телами Солнечной системы. Протоны и электроны представляют собой плазменные частицы, исходящие от Солнца и охватывающие земную магнитосферу. Нашу планету обтекающий ее поток отделяет магнитопауза – узкий токовый слой. Кроме того, попавшие в магнитосферу протоны и электроны создают токовый слой в удлиненной части магнитосферы. Его параметры определяются взаимодействием с ней частиц плазмы. Однако токовый слой может деформироваться и разрушаться. Причиной может быть слишком большая концентрация плазменных частиц или магнитосферная суббуря. Разрушение токового слоя ведет к образованию частиц, направленных в полярные области нашей планеты. Именно поэтому мы можем видеть полярные сияния. Кроме того, разрушение слоя приводит к образованию сгустков плазмы, которые покидают магнитосферу Земли.

Радиационная обстановка в ОКП. Радиационные пояса представляют собой области магнитосферы, в которых накапливаются высокоэнергетичные заряженные частицы. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов, внешний — из электронов. В 2012 г. спутником NASA был открыт еще один пояс, который находится между двумя известными. Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид, в котором выделяются две области: внутренний радиационный пояс на высоте около 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ и внешний – на высоте около 17 000 км из преимущественно электронов с энергией в десятки кэВ.

Важным фактором радиационной опасности в космосе является активность Солнца, особенно так называемые протонные выбросы. Так, например, в момент выброса за короткое время космонавт на МКС может получить дополнительно до 30 мЗв. Хорошо, что солнечные протонные события происходят редко — 1−2 раза за 11-летний цикл солнечной активности. Плохо, что эти процессы возникают стохастически, в случайном порядке, и плохо поддаются прогнозированию. Можно привести интересное сопоставление: допустимой ежегодной дозой для сотрудника АЭС считаются 20 мЗв – в 20 раз больше, чем получает обычный человек. Для специалистов по ликвидации аварий, этих особым образом подготовленных людей, максимальная годовая доза составляет 200 мЗв. Это уже в 200 раз больше по сравнению с обычной дозой и практически столько же, сколько получает космонавт, проработавший год на МКС.

Медициной установлена максимальная предельная доза, которую в течение жизни человеку превышать нельзя во избежание серьезных проблем со здоровьем. Это 1000 мЗв, или 1 Зв. Таким образом, даже работник АЭС с его нормативами может спокойно трудиться лет пятьдесят, ни о чем не беспокоясь. Космонавт же исчерпает свой лимит всего за 5 лет. Но, даже налетав 4 года и набрав свои законные 800 мЗв, он уже вряд ли будет допущен в новый полет годичной продолжительности, потому что появится угроза превышения лимита.

Верхняя атмосфера – область атмосферы Земли от мезопаузы до магнитопаузы, расположенной на геоцентрическом расстоянии (85 ± 5 км) от 10 до 100 радиусов Земли (1RE = 6371км). В верхней атмосфере происходит переход от преобладания нейтральных частиц (до высот порядка 1000 км) к преобладанию ионизованных частиц. Применительно к нейтральным частицам верхнюю атмосферу разделяют на термосферу и экзосферу. Применительно к заряженным частицам верхнюю атмосферу разделяют на ионосферу, плазмосферу, магнитосферу.

Ионосфе́ра в общем значении – слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. У планеты Земля это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, ионизированная главным образом облучением Солнца. Ионосфера – часть атмосферы на высотах 50-1000 км, где ионы и электроны находятся под действием силы тяжести и магнитного поля. Источник ионизации – ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, а также космические лучи.

Ионизация происходит в ионосфере, которая состоит из трех слоев, обозначенных – снизу вверх – буквами D, Е и F. Эти слои различаются в зависимости от степени концентрации в них плазмы. Самая низкая концентрация отмечается в слое Fs расположенном на высоте от 145 до 225 км. Самая высокая – в слое F2, на высоте примерно от 225 до 480 км. Так как для появления ионов необходима солнечная энергия, то ночью слой F1 исчезает.

Ионосфера дает возможность осуществлять коротковолновые радиопередачи по всему земному шару. Радиоволны, отраженные слоем F, возвращаются на Землю в тысячах километрах от места, из которого они были посланы. Более длинные волны, использующиеся рядом стран в коммерческом радиовещании, отражаются более низкими слоями ионосферы и поэтому имеют меньший диапазон.

Озоновый слой – часть стратосферы, находящаяся на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. В разных широтах Земли озоновый слой находится на разной высоте, а также имеет разную толщину. За последние полвека концентрация озона в атмосфере сильно снизилась. В некоторых регионах уровень озона снизился настолько, что это привело к возникновению озоновых дыр в атмосфере. Самая большая озоновая дыра располагается над Антарктидой, ее площадь в 2000 г. достигла максимальных размеров и стала почти вдвое больше, чем сам материк. Озоновый слой в полярных широтах располагается на высоте всего 10-15 км от поверхности планеты. В 2016 г. стало известно об уменьшении размеров дыры на 4 млн км2. Ученые утверждают, что это свидетельствует о постепенном восстановлении содержания озона в стратосфере.

Контроль космической погоды

Системная связь климатологии и космической погоды разрабатывается в трудах коллектива ИПГ им. акад. Е.К. Фёдорова на протяжении многих десятилетий.

Несомненное и всё возрастающее значение явлений космической погоды для авиаперевозок, эксплуатации космических аппаратов (КА), связи, геолокации послужило основой для принятия целого ряда решений в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Международной организации гражданской авиации (ИКАО), – спецучреждения ООН, устанавливающего международные нормы гражданской авиации и координирующего её развитие с целью повышения безопасности и эффективности. Исполнительный совет ВМО в 2010 г. поручил КОС (Комиссия по основным системам) и КАМ (Комиссия по авиаметеорологии) разработать планы деятельности ВМО в области космической погоды. С целью координации работ по диагностике и прогнозу гелиогеофизических возмущений, обеспечения сбора такой информации и свободного ее распространения была учреждена Межпрограммная группа по космической погоде (МКГКП) с участием экспертов.

Геофизический мониторинг за рубежом осуществляется в рамках центров предупреждений о явлениях космической погоды, а международная координация мониторинга осуществляется ISES, в которую входит 14 стран-участниц и Европейское космическое агентство.

В настоящее время ИПГ является ведущим институтом страны по изучению и прогнозированию обстановки в ОКП. В Институте функционирует Центр, являющийся частью Всемирной службы космической погоды, где собираются солнечные и геофизические данные и даются прогнозы гелиогеофизической обстановки на ближайшие дни, недели, месяцы.

В организациях Росгидромета накоплен значительный опыт и потенциал исследования и контроля околоземной среды. Структура Гелиогеофизической службы включает в себя: космический сегмент, состоящий из различных КА в ионосфере и магнитосфере; наземные измерительные средства (ионосферные станции, геомагнитные и солнечные обсерватории), расположенные на территории страны; Федеральный информапционно-аналитический центр (ФИАЦ) ИПГ, обеспечивающий комплексную обработку, архивирование и распространение данных космических измерений и наземных наблюдений. ФИАЦ один из пяти мировых геофизических центров, получает в порядке обмена всю доступную информацию зарубежных источников.

В состав наземного сегмента Гелиогеофизической службы Росгидромета входят: солнечные обсерватории (Москва, Нижний Новгород, Кисловодск, Иркутск, а также – Киев, Ташкент); ионосферные обсерватории (Москва, С-Петербург, Мурманск, Ростов-на-Дону, Свердловск, Новосибирск, Томск, Красноярск, Магадан, Петропавловск-Камчатский, полярные и приполярные, а также – Ашхабад); геомагнитные станции (Москва, С-Петербург, Мурманск, Новосибирск, Томск, Красноярск, Магадан, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Тикси, полярные и приполярные).

Существующий космический сегмент Гелиогеофизической службы пока не обладает всеми требуемыми возможностями. Диагностические комплексы, установленные на борту КА «Электро» и «Метеор», обеспечивают контроль основных параметров ОКП в естественных условиях, в т.ч.: уровня радиации в космосе; состояния ионосферной плазмы; плотности и состава верхней атмосферы, состояния озонового слоя; уровня электромагнитных излучений.

Потребители информации

Одним из основных потребителей информации ФИАЦ (наряду с гидрометеоорганизациями) является Главный центр управления космическими аппаратами им Г.С.Титова.

В геофизическую службу этого Центра оперативно поставляется информация: уровень солнечной активности; уровень радиации в космосе (для пилотируемых КА); состояние ионосферной плазмы; плотность и состав верхней атмосферы (для низкоорбитальных КА); уровень электромагнитных излучений (для бортовой аппаратуры КА) и др.

Также одним из основных потребителей гелиогеофизической информации является МЧС России. Оперативная геофизическая информация, представляемая в Центр управления в кризисных ситуациях (ЦУКС) ГУ МЧС России по г. Москве: степень возмущённости магнитного поля Земли; уровень опасности от потоков энергичных протонов солнечных вспышек; влияние солнечных рентгеновских всплесков на ионосферу Земли; возмущённость космической погоды за последние 24 часа; планетарные Kp-индекс (за последние 24 часа); плотность потока протонов (за последние 24 часа); поток рентгеновского излучения Солнца (за последние 3 дня); наукастинг появления геоэффективных потоков протонов; потоки частиц по данным КА Электро-Л; состояние ионосферы по модели SIMP.

Также реализована схема рассылки оповещений о состоянии «космической погоды» другим потребителям; в нее входит экстренная информация: потоки протонов в ОКП; геомагнитная обстановка; состояние ионосферы.

Воздействие на технические системы

Как уже упоминалось ранее «космическая погода» влияет на функционирование систем навигации, связи, электроэнергетики, радиационной безопасности при авиаперелетах, эксплуатации трубопроводов, а также средства аэромагнитной съемки, бурения скважин и пр.

Солнечное излучение – это первичный источник электромагнитных возмущений. Прежде всего, они сказываются на тех процессах, в которых существенную роль играет равновесие электрических токов и магнитных полей. Нарушение этого равновесия может привести к возникновению различных нештатных ситуаций: повреждению линий электропередач, коррозии нефте- и газопроводов, помехам для высокочастотных радиосигналов и навигационных сигналов с GPS-спутников. Все эти ситуации, как правило, имеют экологические последствия Негативные воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы показано в табл.

Поглощение радиоволн в полярной шапке может сильно затруднить или полностью прекратить высокочастотную связь на линиях трансполярных перелетов, что приводит к изменению авиамаршрутов. Облучение КА может вызвать сбои аппаратуры, повреждение солнечных батарей и датчиков.

Существует немало описанных примеров воздействия космической погоды на современные технические средства. Так, в октябре-ноябре 2003 г. на Солнце наблюдалось 17 значительных солнечных вспышек с выбросами плазмы, потоками протонов и возмущениями солнечного ветра и магнитного поля Земли. В результате шведский энергетический концерн Sydkraft AB сообщил о возникновении мощных индуцированных токов и случаях отключения энергосетей в Северной Европе. По заключению Федеральной авиационной администрации США, GPS-система WAAS была неработоспособна в октябре-ноябре 2003 г. в течение 30 часов Уровень радиационного облучения на МКС заставил космонавтов перейти в специальный защищенный отсек. Многочисленные аномалии в работе аппаратуры регистрировались на большинстве космических объектов. Предположительно именно это стало причиной потери спутника ADEOS-2 стоимостью $640 млн, на его борту находилась аппаратура NASA стоимостью $150 млн. По данным GSFC Space Science Mission Operations Team, 59% миссий испытали воздействие космической погоды.

Таблица

Гелиогеофизические факторы

Возникающие проблемы

Галактические космические лучи

Деградация материалов КА и в первую очередь солнечных батарей; сбои в электронике бортовых систем

Солнечные космические лучи

Деградация материалов КА, в т.ч. солнечных батарей;

сбои в электронике бортовых систем

Радиационные пояса Земли

Электризация поверхности КА; возникновение объёмного заряда внутри КА; сбои в электронике бортовых систем

Ионизирующее электромагнитное излучение

Дополнительная ионизация ионосферы, приводящая к нарушениям связи с КА, увеличению навигационных ошибок систем ГЛОНАСС и GPS; увеличение плотности верхней атмосферы, приводящее к изменению параметров движения КА

Геомагнитные бури и суббури

Нарушение связи с КА; усиление влияния др. факторов


Авиаперевозки и космическая погода

Ещё 10 лет назад количество трансполярных перелётов не превышало нескольких сотен в год, сейчас их в год уже более 10 тыс. Иными словами, значимость проблемы обеспечения безопасности авиаперевозок на таких маршрутах возросла в 100 раз. Возникающие проблемы при воздействии факторов космической погоды: это прежде всего, воздействие возмущений на связь и навигацию, кроме того присутствует радиационное облучение. На Земле страдают сотрудники авиакомпаний и порой экипаж. Авиакомпании вынуждены были изменять маршруты трансполярных полетов из-за высокого риска переоблучения пассажиров и экипажа. В 2003, 2005, 2006 гг. было перенаправлено более 60 рейсов, стоимость каждого маневра составляла от 10 до 100 тыс. долл.

Влияние на экологию Земли

Космическая погода оказывает влияние на многие процессы биосферы Земли опосредованно: через влияние на климат, на функционирование технических систем, на биоту. Эмпирические подтверждения влияния космической погоды на земные процессы, в основном определяемого солнечной активностью, описаны в многочисленных публикациях, начиная с новаторских работ А.Л. Чижевского в начале XX века. Сравнение характеристик климата и солнечной активности на больших временных масштабах демонстрирует сильную корреляцию их поведения. Исторические данные показывают, что наблюдаемые изменения климата могут быть обусловлены солнечной активностью. В частности, есть основания считать, что именно с вариациями солнечной активности были связаны периоды похолоданий и потеплений, по крайней мере, в предыдущем тысячелетии.

А.Ю. РЕПИН, д.ф.-м. н., директор ИПГ им. акад. Е.К. Федорова

В.В. АЛПАТОВ к.ф.-м.н., зав. отделом ИПГ

Бюллетень «Использование и охрана природных ресурсов в России»

© 1998-2021, Национальное информационное агентство «Природные ресурсы». При перепечатке ссылка на источник обязательна
Адрес: 108811, г. Москва, г.п. Московский, п/я 1627, НИА-Природа
Тел.: 8 (903) 721-43-65, e-mail: nia_priroda@mail.ru