Дикая солнечная погода заставляет спутники падать с орбиты, и ситуация будет только ухудшаться
В конце 2021 года операторы группировки Swarm Европейского космического агентства (ЕКА) заметили кое-что тревожное: спутники, которые измеряют магнитное поле вокруг Земли, начали погружаться в атмосферу с необычно высокой скоростью — до 10 раз быстрее, чем раньше. Изменение совпало с началом нового солнечного цикла, и эксперты считают, что это может быть началом трудных лет для космических аппаратов, вращающихся вокруг нашей планеты.
«За последние пять-шесть лет спутники погружались примерно на два с половиной километра. [1.5 miles] в год», — рассказала Space.com Аня Стромме, руководитель миссии ESA Swarm. «Но с декабря прошлого года они практически ныряют. Скорость погружения с декабря по апрель составила 20 километров. [12 miles] в год.”
Спутники, находящиеся на близкой к Земле орбите, всегда сталкиваются с сопротивлением остаточной атмосферы, которая постепенно замедляет космический корабль и в конечном итоге заставляет его падать обратно на планету. (Обычно они не переживают этот так называемый повторный вход в атмосферу и сгорают в атмосфере.) Это атмосферное сопротивление вынуждает диспетчеров Международной космической станции выполнять регулярные маневры «перезагрузки», чтобы поддерживать орбиту станции на уровне 250 миль (400 км). над Землей.
Это перетаскивание также помогает очищать околоземную среду от космического мусора. Ученые знают, что интенсивность этого сопротивления зависит от солнечной активности — количества солнечного ветра, излучаемого Солнцем, которое меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла. Последний цикл, который официально закончился в декабре 2019 года, был довольно сонным, с количеством солнечных пятен ниже среднего в месяц и продолжительным минимумом практически любой активности. Но с прошлой осени звезда просыпается, извергая все больше и больше солнечного ветра и порождая солнечные пятна, солнечные вспышки и выбросы корональной массы с нарастающей скоростью. И верхние слои атмосферы Земли ощутили на себе последствия.
«В верхних слоях атмосферы, где она взаимодействует с солнечным ветром, происходит много сложной физики, которую мы до сих пор не до конца понимаем», — сказал Стромм. «Мы знаем, что это взаимодействие вызывает подъем атмосферы. Это означает, что более плотный воздух смещается вверх на большие высоты».
Более плотный воздух означает более высокое сопротивление для спутников. Несмотря на то, что эта плотность по-прежнему невероятно низка на высоте 250 миль над Землей, увеличения, вызванного восходящим атмосферным движением, достаточно, чтобы фактически отправить вниз некоторые низкоорбитальные спутники.
«Это почти как бежать против ветра», — сказал Стромме. «Это сложнее, это сопротивление — поэтому оно замедляет спутники, а когда они замедляются, они тонут».
Сбит с ног солнечной бурей
Группировка Swarm, запущенная в 2013 году, состоит из трех спутников, два из которых вращаются вокруг Земли на высоте 270 миль (430 км), примерно в 20 милях (30 км) над Международной космической станцией. Третий спутник Swarm вращается вокруг планеты несколько выше — около 320 миль (515 км) над землей. По словам Стромма, два низкоорбитальных космических корабля пострадали от действия Солнца больше, чем более высокий спутник.
Ситуация с двумя нижними стала настолько опасной, что к маю операторам пришлось начать поднимать спутники с помощью бортовых двигателей, чтобы спасти их.
Спутники ESA Swarm — не единственные космические аппараты, борющиеся с ухудшением космической погоды. В феврале SpaceX потеряла 40 совершенно новых спутников Starlink, которые сразу после запуска пострадали от солнечной бури.
17 апреля 2022 года по Гринвичу Солнце вызвало крупную солнечную вспышку класса X1.1 из активного скопления солнечных пятен на его восточной конечности. Это изображение было получено Обсерваторией солнечной динамики НАСА.
В такие штормы спутники внезапно падают на более низкие высоты. Чем ниже орбита спутников во время солнечной бури, тем выше риск того, что космический корабль не сможет восстановиться, и операторы будут беспомощно наблюдать за падением корабля в атмосферу.
Спутники Starlink имеют рабочую орбиту 340 миль (550 км), что выше зоны наибольшего риска. Однако после запуска ракеты Falcon 9 доставляют партии спутников очень низко, всего около 217 миль (350 км) над Землей. Затем SpaceX поднимает орбиты спутников с помощью бортовых двигателей.
Компания говорит, что у такого подхода есть преимущества, поскольку любой спутник, у которого возникают технические проблемы после запуска, быстро упадет на Землю и не превратится в надоедливый космический мусор. Однако растущее и непредсказуемое поведение Солнца делает эти спутники уязвимыми для сбоев.
Новое пространство и непредсказуемое солнце
По словам Стромме, у всех космических кораблей на высоте 250 миль обязательно будут проблемы. Это включает в себя Международную космическую станцию, которой придется выполнять более частые маневры перезагрузки, чтобы удержаться на плаву, а также сотни кубсатов и малых спутников, которые заселили низкую околоземную орбиту за последнее десятилетие. Эти спутники — продукт нового космического движения, возглавляемого частными предпринимателями, внедряющими простые и дешевые технологии — особенно уязвимы.
«Многие из этих [new satellites] у них нет силовых установок, — сказал Стромм. «У них нет способов встать. По сути, это означает, что у них будет более короткий срок службы на орбите. Они вернутся раньше, чем во время солнечного минимума».
По совпадению (или удаче новичка) начало новой космической революции пришлось на этот сонный солнечный цикл. Эти новые операторы сейчас сталкиваются с их первым солнечным максимумом. Но не только это. Солнечная активность в прошлом году оказалась намного более интенсивной, чем предсказывали синоптики, с большим количеством солнечных пятен, большим количеством выбросов корональной массы и большим количеством солнечного ветра, обрушившегося на нашу планету.
«Солнечная активность намного выше, чем предполагает официальный прогноз», — сказал Space.com Хью Льюис, профессор инженерных и физических наук Саутгемптонского университета в Великобритании, изучающий поведение спутников на низкой околоземной орбите. «На самом деле текущая активность уже довольно близка к пиковому уровню, который был предсказан для этого солнечного цикла, и до солнечного максимума нам еще два-три года».
Стромме подтвердил эти наблюдения. «25-й солнечный цикл, в который мы сейчас входим, в настоящее время очень резко увеличивается», — сказала она. «Мы не знаем, означает ли это, что это будет очень жесткий солнечный цикл. Он может замедлиться, и это может стать очень слабым солнечным циклом. Но сейчас он быстро растет».
Очистка орбит
В то время как резкая солнечная активность является плохой новостью для спутниковых операторов, которые увидят, что срок службы их миссий сократится (даже спутники с бортовой силовой установкой будут расходовать топливо намного быстрее из-за необходимости частого увеличения высоты), ситуация будет иметь некоторые положительные стороны. очищающее воздействие на космическое пространство вокруг Земли.
В дополнение к тому, что за последнее десятилетие в этой области космоса появились сотни новых спутников, этот регион космоса загроможден тревожным количеством космического мусора (старые спутники, отработавшие ступени ракеты и осколки при столкновении).
Такие исследователи, как Льюис, давно предупреждали, что вездесущий мусор, несущийся по планете, угрожает безопасности спутниковых служб, вынуждая операторов проводить частые маневры уклонения. Более того, обломки могут спровоцировать неконтролируемую ситуацию, известную как синдром Кесслера, неудержимый каскад столкновений, как показано в оскароносном фильме 2013 года «Гравитация».
«Вообще говоря, увеличение солнечной активности и ее влияние на верхние слои атмосферы — это хорошая новость с точки зрения космического мусора, поскольку она сокращает время жизни мусора на орбите и обеспечивает полезную «услугу по очистке», — сказал Льюис.
По словам Джонатана Макдауэлла, эксперта по космическому мусору из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, положительный эффект уже можно наблюдать, поскольку фрагменты, образовавшиеся в результате испытания российской противоспутниковой ракеты в ноябре 2021 года, теперь падают гораздо быстрее, чем раньше.
Однако у этого процесса очистки есть и обратная сторона.
«Увеличенная скорость распада объектов обломков может восприниматься почти как дождь», — сказал Льюис. «Когда солнечная активность высока, скорость «дождя» выше, и миссии на более низких высотах потенциально могут столкнуться с большим потоком мусора».
Больший поток обломков означает необходимость еще более частых маневров по предотвращению сжигания топлива и временно повышенный риск столкновений, которые потенциально могут привести к образованию более опасных осколков.
Стромм и ее коллеги в настоящее время поднимают орбиту двух низкоорбитальных спутников Swarm на 28 миль (45 км). Она добавила, что позже в этом году спутникам может потребоваться еще больше корректировок. Цель состоит в том, чтобы помочь миссии, которая в настоящее время находится в своем девятом году и превышает ее первоначально запланированный срок службы, пройти через солнечный цикл. Успех команды будет во многом зависеть от поведения солнца.
«У нас все еще есть топливо, чтобы, надеюсь, пройти еще один солнечный цикл», — сказал Стромме. «Если он будет расти, как сейчас, я израсходую топливо до того, как закончится солнечный цикл. Если он немного замедлится, я смогу спасти их в течение солнечного цикла».
Поделитесь в вашей соцсети👇
