Подлодки Корабли Карта присутствия ВМФ Рейтинг ВМФ России и США
Какой способ жилищного обеспечения военных вы считаете наиболее оптимальным?
Жилье в натуральном виде
    63,75% (51)
Жилищная субсидия
    18,75% (15)
Военная ипотека
    17,50% (14)

Поиск на сайте

Навигация и космическая погода

Г.Я. СМОЛЬКОВ (Институт солнечно-земной физики СО РАН)

Приведен обзор факторов космической погоды, воздействующих на спутниковые и наземные навигационные системы. Изложена идеология и суть международной программы по изучению космической погоды. Показана необходимость учета ее характера и степени изменений практически во всех видах навигации.

Навигация подвержена воздействию физических условий, складывающихся в околоземном космосе. Так точность систем морской навигации, использующих сигналы очень низких частот, таких как, например, радионавигационные системы (РНС) LORAN и OMEGA, зависит от знания действительной высоты нижней границы ионосферы. Быстрые вертикальные изменения на этой границе во время солнечных вспышек и геомагнитных бурь могут внести ошибки порядка нескольких километров в определениях местоположений.

Спутниковая навигационная система (СНС) глобального местоопределения действует благодаря распространению радиоволн от спутников к приемникам на Земле, самолетах или других спутниках. Эти радиосигналы используются для вычисления точных координат места. Однако, существенные ошибки позиционирования могут возникать, когда сигналы испытывают рефракцию и запаздывание из-за ионосферных условий. Кроме того сигнал СНС может быть вообще утерян при пересечении области ионосферного возмущения (замирания сигнала). Будущие СНС-технологии для достижения необходимой точности потребуют лучшего обеспечения информацией об условиях космической погоды, чтобы избежать обусловленных ими ошибок. Точная диагностика и прогноз свойств ионосферы помогут в разработке и использовании новейших систем [1].

СНС подвержены возмущающему воздействию факторов космической погоды вследствие внезапных изменений интенсивности и состава солнечного излучения. Последние приводят слои земной атмосферы в нестабильное состояние, их плотность не остается неизменной [2, 3]. Названные обстоятельства нарушают траектории спутников. Известны случаи гибели космических аппаратов (КА) по этим причинам в плотных слоях атмосферы. Электрически активная плазменная составляющая атмосферы, взаимодействуя с оболочкой спутников, обуславливает их электризацию и затрудняет или нарушает их функционирование [4]. Миниатюризация электроники, вызванная необходимостью уменьшения веса и объема бортовой аппаратуры, подвергает опасности пагубного воздействия на ее компоненты высокоэнергичных частиц, проникающих в нижние слои атмосферы, особенно на высоких широтах [1]. Таким образом помимо преднамеренного нарушения нормального функционирования СНС, имеются опасные для данного процесса факторы природного происхождения.

Геофизическая навигация находится в полной зависимости от факторов космической погоды. Всепогодная астронавигация возможна по микроволновому излучению Солнца при условии регулярного использования данных о детальном распределении радиояркости протяженной и изменчивой солнечной короны (и здесь необходимо учитывать солнечную активность!). В 90-е годы такая возможность появилась в России с началом регистрации двумерных радиоизображений Солнца на Сибирском солнечном радиотелескопе ИСЗФ [5].

Опосредствованно навигация может пострадать из-за нарушений под воздействием факторов космической погоды систем радиосвязи, магистральных кабельных линий, электроснабжения, а также неправильного или недостаточного учета роли этих факторов при решении инженерных задач.

Сложившееся в последнее десятилетие понятие “космическая погода” входит в наше самосознание по мере возрастания количества проблем, связанных с нарушениями нормального функционирования тех или иных технических систем. К ним следует отнести неудачи со спутниками, широко распространенные частичные или полные отключения электроэнергии и др. Чем больше человечество становится зависимым от передовых технологий, тем чувствительнее переносятся сбои, выходы их из строя. Протяженным магистральным линиям электропередачи свойственна повышенная вероятность нарушений под воздействием разрушительных токов, наводимых геомагнитными бурями. Эксплуатация летательных аппаратов, рассчитанных для полетов на высотах порядка 20 км, повышает риск облучения экипажа и пассажиров при возмущенной космической погоде. Характерны последствия некоторых событий космической погоды, имевшие место в США, Канаде, Англии и Японии.

24 марта 1940 г. сильнейшая геомагнитная буря вывела из строя 80% всех магистральных телефонных сетей в Миннеаполисе (шт.Миннесота). Электроснабжение временно было нарушено в некоторых регионах восточных штатов США, а также в канадских провинциях Квебек и Онтарио.

9–10 февраля 1958 г. геомагнитная буря вызвала серьезное нарушение телеграфных кабелей восточного побережья США и сделала весьма затруднительной связь по трансатлантическому кабелю между Ньюфаундлендом и Шотландией. Временно прервалась связь в Торонто (Канада).

4 августа 1972 г. сильная геомагнитная буря вызвала 30-минутный перерыв связи по коаксиальному кабелю между Плэно (шт.Иллинойс) и Каскадом (шт.Айова). Мощный трансформатор вышел из строя на ГЭС в канадской провинции Британская Колумбия.

В 1979 г. произошло преждевременное вхождение в плотные слои атмосферы, изменившее орбиту и сократившее время жизни научной космической обсерватории США Skylab, а в результате ее гибель вследствие нагрева и расширения атмосферы, обусловленных изменчивой солнечной ультрафиолетовой радиацией и геомагнитной бурей.

26 ноября 1982 г. 4 быстросканирующих радиометра в видимом и инфракрасном диапазонах на геостационарном спутнике оперативного мониторинга окружающей обстановки (система GOES), которые картографировали облачный покров, вышли из строя через 45 мин. после прихода высокоэнергичных протонов от большой солнечной вспышки. Несанкционированный перерыв мониторинга произошел в то время, как серия интенсивных штормов обрушилась на побережье Калифорнии.

13–14 марта 1989 г. сильная геомагнитная буря вывела из строя систему электроснабжения в канадской провинции Квебек, что привело к потере мощности более 20000 МВт. Это лишило электроэнергии несколько миллионов человек. Время между началом неполадок и полным коллапсом системы составило около 90 с. КВ-радиосвязь была практически вообще невозможной в то время, как УВЧ-передачи распространились на необычно длинные расстояния и создавали помехи. Японский спутник связи потерял половину своей дуплексной командной системы. Орбита спутника НАСА снизилась почти на 5 км из-за возрастания атмосферного торможения.

29 апреля 1994 г. трансформатор на АЭС Maine Yankee (США) катастрофически вышел из строя в течение нескольких часов после начала сильной геомагнитной бури.

20–21 января 1994 г. два канадских спутника связи вышли из строя, нарушив на несколько часов телефонную и радиосвязь, а также телепередачи. Неполадки произошли после длительного периода электронной концентрации высокого уровня в окружающем их пространстве [1].

В 1976 г. на орбиту высотой 5000 км был выведен американский геодезический спутник LAGEOS-1, предназначенный для высокоточных лазерных измерений движений земной коры с использованием 426 призматических уголковых отражателей лазерного сигнала, установленных на сферическом корпусе спутника. Для получения надежных данных необходимо было знать точное положение спутника в каждый момент времени. Однако к 1989 г. был замечен дрейф LAGEOS-1 на орбите. Слабый, но постоянно действующий реактивный эффект, обусловленный асимметричным излучением односторонне нагреваемого Солнцем корпуса ИСЗ, постепенно сместил плоскость орбиты на несколько тысяч километров. К началу 1997 г. в корпорации были "Хьюз" проведены вычисления, позволившие внести необходимые поправки в прогноз смещения этого спутника. Улучшение математической модели движения ИСЗ и продление его существования стало возможным после выяснения причин установленных эффектов [6], т. е. характера воздействия космической погоды.

Все вышеописанное более чем убедительно свидетельствует о необходимости знания состояния, степени и характера изменений космической погоды, механизмов воздействия ее факторов на системы и технологию практически всех видов навигации.

Природа космической погоды (или солнечно-земных связей [7, 8]) состоит в следующем. Свойства окружающей среды в сильной степени зависят от особенностей солнечного волнового и корпускулярного излучений [9]. Поэтому можно сказать, что космическая погода начинается на поверхности Солнца. Солнечная активность весьма эффективно модулирует электромагнитное излучение, потоки частиц, магнитогидродинамические процессы, вызывая соответствующие изменения в околоземной космической обстановке, а также на поверхности Земли [10]. Солнечные вспышки и выбросы корональной массы в ряду факторов космической погоды наиболее геоэффективные явления на Солнце. Электромагнитное излучение вспышки воздействует на атмосферу Земли приблизительно через 8 мин, потоки энергичных частиц и ударные волны приходят к Земле через несколько суток. Долгопериодные вариации солнечного излучения не вызывают драматических изменений космической погоды, но они имеют важное значение для понимания процессов, определяющих короткопериодические, импульсного характера изменения. Поэтому, а также из-за сильно выраженных индивидуальных особенностей гелиогеофизических явлений и процессов при неполном выяснении до сих пор механизмов их зарождения, сохраняется необходимость выполнения круглосуточного мониторинга состояния и развития солнечно-земных связей.

Непостоянство солнечного излучения непосредственно сказывается на состоянии верхней атмосферы и ионосферы, изменяя степень возбуждения и ионизации атомов и молекул, распределение плотности и температуры, характер турбулентности, динамики неоднородностей.

Потоки частиц от Солнца содержат и энергичные частицы и низкоэнергичную плазму, составляющие солнечный ветер [9]. И солнечный ветер и электромагнитные поля в гелиосфере эволюционируют по мере удаления от Солнца, особенно когда они образуют межпланетные ударные волны или взаимодействуют с ними. Плазма и магнитное поле солнечного ветра взаимодействуют с геомагнитным полем и атмосферой Земли, формируя ее магнитосферу. Поверхность этой каплевидной области называют магнитопаузой. Обычно она находится на расстоянии около 10 радиусов Земли в направлении на Солнце. В зависимости от динамического давления солнечного ветра это расстояние может изменяться от 5 до 15 радиусов Земли. В антисолнечном направлении хвост магнитосферы простирается за пределы лунной орбиты. Магнитопауза представляет собой барьер, предохраняющий магнитосферу от проникновения внутрь нее почти всей энергии, приносимой солнечным ветром. При спокойных условиях доля энергии, которая все-таки просачивается сквозь магнитопаузу, сохраняется в виде частиц и полей внутри магнитосферы. Но при некоторых условиях она импульсивно проникает в атмосферу. Импульсная эжекция энергии называется магнитосферной суббурей. Она характеризуется развитием ярких динамичных полярных сияний и появлением интенсивных ионосферных токов. Во время таких суббурь магнитное поле в магнитосфере внезапно принимает новую конфигурацию. Время восстановления, возврата поля в невозмущенное состояние может достигать многих часов [7, 8].

Суббуря — относительно кратковременный отклик магнитосферы на воздействие возмущений самого солнечного ветра. Более длительными (дни–недели) возмущениями являются геомагнитные бури — отклики на воздействие более продолжительных потоков солнечного ветра, отличающихся сильной южной компонентой вектора межпланетного магнитного поля. Геомагнитные бури приводят к заметной энергизации кольцевого тока, поясов квазизахваченных электронов, протонов и более тяжелых ионов, к значительным флуктуациям геомагнитного поля на низких географических широтах. Магнитосферные частицы высыпаются в полярные области, нагревая нейтральную атмосферу, инициируя ионосферные возмущения. Суббури могут появляться на фоне геомагнитных бурь (например, при наложении эффектов от вспышек на потоки от корональных дыр). После возвращения солнечного ветра к его фоновому состоянию, магнитосфера и ионосфера восстанавливаются за время от нескольких часов до нескольких дней [7].

Показательный пример — магнитная буря средней интенсивности, имевшая место в январе 1997 г. Ее причиной был выброс корональной массы на Солнце, зарегистрированный 6 января с помощью коронографа орбитальной обсерватории SOHO ESA–NASA. Прогноз специалистов по солнечно-земной физике — через четыре дня Земля окажется на пути мощного потока заряженных частиц, испущенных Солнцем — оказался верным. С помощью ряда ИСЗ была прослежена последовательность событий. 10 января приборы SOHO, находящейся на расстоянии в 1 млн. км от Земли, зафиксировали увеличение скорости солнечного ветра. Вскоре резкое возрастание интенсивности солнечного ветра отметили приборы ИСЗ Wind на меньшем расстоянии от Земли. Под давлением извне обращенная к Солнцу сторона магнитосферы прогнулась примерно на 20 процентов. Колебания границы магнитосферы прослежены ИСЗ Geotail и Interball. Приборы ИСЗ SAMPEX зарегистрировали резкое увеличение потока быстрых электронов, с энергией 1 МэВ, на высоте 600 км, т.е. в ионосфере. Этот уровень в 10000 раз превосходил величину их обычной энергии в радиационных поясах Земли. Такая аномалия продлилась неделю. В этот период отмечено много нарушений радиосвязи, в т. ч. и со спутниками. 12 января наиболее плотная часть выброса, его хвостовая часть, прошла через магнитосферу. Общее количество энергии, выделившейся при этом во время полярных сияний, достигло 1400 ГВт, что почти вдвое превышает мощность всех электростанций США [11].

Поскольку магнитное поле Земли пронизывает магнитосферу, большинство магнитосферных процессов проявляет себя в изменении параметров ионосферы и термосферы. Магнитосферные процессы производят электрические токи, полярные излучения, нагрев за счет трения, ионизацию и замирания радиосигналов. Все это — элементы околоземной космической погоды. Следует отметить, что изменчивость факторов космической погоды и возмущающее их воздействие на окружающую среду являются естественной нормой, но их невозможно избежать, их необходимо знать и умело учитывать.

На околоземную космическую обстановку влияют и процессы, возникающие на более низких высотах. К ним относятся гравитационные волны, прямой вклад энергии солнечного облучения и космических лучей. Факторы космической погоды включают в себя и электрические токи (опасные для протяженных трубопроводов и кабельных коммуникаций), индуцируемые в поверхностных слоях Земли при изменении ионосферных токов. С другой стороны следует отметить, что резкие изменения режимов действия протяженных высоковольтных линий электропередачи также могут вызвать сравнимые эффекты в окружающей обстановке.

Приведенное краткое описание различных явлений космической погоды демонстрирует широту научных и прикладных интересов в этой сфере, а также сложность физических процессов, которые необходимо понять [1]. Эту сложность усугубляют тесные взаимодействия между различными явлениями (например, ионосферно-магнитосферные и наоборот), механизмы которых предстоит выяснить. На это нацелена международная научная программа S-RAMP (Solar Terrestrial Energy Program [12] (1991–1997) — Results, Applications and Modeling Phase [13] (1998–2002). Все это объясняет важность подхода к околоземному космосу как единой системе, в которой процессы, наблюдаемые в одной ее части, не могут быть поняты без должного знания, как функционирует вся система и как все ее элементы связаны воедино [1]. Учет факторов космической погоды осложнен, как уже отмечено, сильно выраженными индивидуальными особенностями процессов и явлений практически во всех областях системы Солнце–Земля.

Понятие космической погоды охватывает прежде всего природные явления в околоземном космосе. Оно не учитывает эффекты техногенного происхождения, например, воздействие космического мусора на спутниковые системы. Однако сведения о космической погоде необходимы для точного расчета траекторий КА и их коррекции путем улучшения диагноза и прогноза вариаций плотности атмосферы, вызывающих торможение орбитальных объектов. При решении инженерных проблем знание характера параметров космической погоды, диапазона их изменений необходимо для усовершенствования используемых и грамотной разработки и эксплуатации всевозможных новых технических средств, в том числе навигационных. При этом возможно уменьшить финансовые и материальные затраты, ускорить достижение поставленных целей [1].

Осознание необходимости принятия неотложных мер в рассматриваемой области привело к формированию в СССР в 1980-е годы межведомственной программы "Космическая метеорология". Ее реализация не состоялась по известным причинам. В 1993–1995 гг. ряд ведомств США разработал национальную программу по космической погоде (стратегический план) [14], а к 1997 г. — план ее выполнения. Эти документы — итог многолетнего межведомственного сотрудничества и координации, попытка использования возможностей министерств обороны, торговли, энергетики и окружающей среды, а также Управления метеорологической службы, NASA и Национального научного фонда. Программа рассматривает такие условия на Солнце, в солнечном ветре, магнитосфере, ионосфере и термосфере, которые могут повлиять на работу и надежность орбитальных и наземных технических систем, угрожать жизни и здоровью человека. Она ориентирована на создание в течение 10 лет межведомственной системы, обеспечивающей своевременные, точные и достоверные наблюдения, диагностику и прогноз состояния окружающего пространства. Она включает в себя все виды деятельности, необходимые для своевременного диагноза и прогноза естественных условий в окружающем космосе, которые могут воздействовать на технические системы, в том числе системы навигации. Область главных интересов программы — солнечная активность и солнечный ветер, магнитосфера, ионосфера и термосфера. Ввиду обширности и сложности ее интересов все традиционные направления космических исследований призваны внести свой вклад в достижение поставленных целей [1].

Основная цель программы — предоставить информацию постоянно изменяющемуся сообществу пользователей. Каждый из этих пользователей может выдвигать самые различные и все время развивающиеся требования, затрудняющие задачу подготовки прикладных данных. Поэтому повседневная выработка информации, приспособленной к нуждам конкретного потребителя, не входит в идеологию программы. Диагностическая и прогностическая информация, предоставляемая прогностическими центрами, будет достаточной, чтобы соответствующую ее адаптацию (приспособление) к своим нуждам смогли осуществлять сами заинтересованные пользователи или их специальные службы. В частности, для пользователей министерства обороны предполагается ответственная переработка такой информации службами именно этого ведомства. Вместе с тем представители ведомств и пользователей, включенных в эту программу, будут регулярно оценивать состояние ее продуктов и договариваться об уровне информации, обеспечиваемой в рамках реализации намеченных планов. Полное содержание плана выполнения программы имеется в Internet по адресу: http:\\www.ofcm.gov\nswp-ip\text\cover.htm [1].

Глобальный характер проявления космической погоды не только обусловил необходимость привлечения зарубежных гелиогеофизических наземных и орбитальных обсерваторий к реализации Национальной программы США по космической погоде, но неизбежно привел к логическому предложению трансформировать ее в интернациональную (на специальном рабочем совещании 5.08.97 г. на очередной научной ассамблее Международной ассоциации по геомагнетизму и аэрономии — IAGA, Международной комиссии по средней атмосфере — ICMA, Международной ассоциации по метеорологии и атмосферным наукам — IAMAS и Симпозиума по солнечно-земной физике, состоявшихся в г.Уппсала (Швеция) 4–15.08.97 г. ). После этого специальный Международный научный комитет по солнечно-земной физике — SCOSTEP — организует и проводит необходимые для этого мероприятия.

Безусловно, что Россия в силу своей территориальной протяженности, географического расположения на планете, разнообразных связей с зарубежными партнерами нуждается в надежных современных средствах навигации. Осознание данного факта неизбежно приведет заинтересованные ведомства к принятию неотложных мер для определения соответствующих отечественных интересов, концепций, приоритетов, инвентаризации сохранившихся и создания новых средств мониторинга факторов космической погоды, их учета в имеющихся и перспективных системах навигации. Объективная необходимость поэтому уже сегодня требует участия России в международной кооперации в рассматриваемой области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. The National Space Weather Program. The Implementation Plan. FCM-P31-1997. Washington, DC. January 1997, 104 p.
2. Поток энергии Солнца и его изменения. Под ред. О. Уайта. М. "Мир", 1980, 560 с.
3. Логинов В.Ф. Характер солнечно-атмосферных связей. Л. "Гидрометиздат", 1973, 48 с.
4. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86. Электризация геостационарных спутников. Сборник научных трудов. Под. ред. Г. В. Попова. М. "Наука", 1989, 184 с.
5. Смольков Г. Я. Радиоастрофизическое обеспечение астронавигации морских, воздушных и космических объектов. Научная школа "Астронавигация-97", СПб, 20.05.97, Гос.НИНГИ, 1997, с.7.
6. Science News, 1997, v.151, p.2 (Земля и Вселенная, 1998, №1, с.9).
7. Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М. "Мир", т.1, 1974, 384 с.; т.2, 1975, 512 с.
7. Солнечно-земная физика. Под ред. А. Бруцека и Т. Дюрана. М. "Мир", 1980, 256 с.
8. Паркер Е. Динамические процессы в межпланетной среде. М. "Мир", 1965, 364 с.
9. Витинский Ю. И., Оль А. И., Сазонов Б. И. Солнце и атмосфера Земли. Л. "Гидрометиздат", 1976, 352 с.
10. Science News, 1997, v. 151, p. 68 (Земля и Вселенная, 1998, №1, с.64).
11. Solar-Terrestrial Energy Program: Major Scientific Problems. Helsinki University of Technology, ESPOO, Finland, July 23, 1988, 185 p.
12. International STEP Newsletter, 1996, v. 2, No. 3, p. 5–7; 1997, v.3, No.4, p.11–15.
13. The National Space Weather Program. The Strategic Plan. FCMP30-1995, Washington, DC, August 1995, 30 p.


Главное за неделю