ФЕНОМЕН КОСМІЧНОЇ ПОГОДИ (продовження, с.2)
Наприкінці XX ст. сформувався сучасний підхід до вивчення КП, який полягає в такому. Фізичні процеси у ближньому космосі та стан його середовища пов’язані між собою складними, нелінійними залежностями і визначаються багатьма чинниками як на Сонці, так і в міжпланетному просторі. Оскільки ці зв’язки існують реально, то їх можна спробувати виявити, а стан навколоземного космічного середовища — спрогнозувати. Тому у вивченні КП нині розвивається підхід, у межах якого досліджуються як конкретні події, так і функціональна залежність між ними. У цьому і полягає сучасна парадигма КП, що за своєю ідеологією подібна до парадигми метеорологічної, звичайної погоди. Цей підхід уже дав низку практично значущих результатів. Побудовано деякі алгоритми, запропоновано інформаційні системи, які в автоматичному режимі виявляють функціональний зв’язок між чинниками впливу й параметрами збурень навколоземного середовища, що іноді уможливлює прогноз стану космічної погоди. Щоб виявити й описати цей зв’язок, потрібна спеціальна математична мова, яка дуже ускладнює сприйняття фізичної картини читачем. Однак КП ґрунтується на фізиці сонячно-земних зв’язків, а останній притаманна доступна будь-кому образність. Оперуючи фізичною символікою, читач зможе реально уявити причинно-наслідковий зв’язок і грубо, але правильно оцінити поточну космічну обстановку і наслідки, які з неї випливають.
Космічні процеси впливають на навколоземне середовище, й отже, на функціонування техніки. З ними пов’язано чимало «сюрпризів», вони є причиною позаштатних ситуацій і загалом «проблемні». Від стану космічної погоди особливо залежить роботоздатність космічних апаратів і створених на їх основі систем глобального зв’язку та отримання інформації. Непередбачене і потужне явище в космосі може вивести з ладу апарат, що траплялося неодноразово. Без глобальних технічних систем неможливий належний рівень життя кожного члена сучасного суспільства. Збої в роботі глобальних систем торкаються всіх користувачів, а відновлення їхньої роботоздатності потребує великих зусиль і коштує дуже дорого. Надмірний захист систем вимагає незворотних фінансових витрат і неприйнятний для сучасної економіки. Водночас оперативний прогноз космічної погоди майже завжди дає змогу вжити таких заходів, які убезпечать роботоздатність техніки. Довгостроковий прогноз КП є основою оцінювання ризиків і дає можливість застрахуватися від несподіванок. Як саме космічна погода впливає на техніку і чому порушується її роботоздатність, стане зрозуміло з наведених нижче прикладів.
1.1. НАВІГАЦІЯ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ
Нині для вирішення різних завдань широко використовують космічні апарати (КА). За їх допомогою ведуть спостереження за земною поверхнею, вивчають навколоземний простір, створюють глобальні телекомунікаційні, військові системи. Успішне функціонування кожного КА потребує знання його точного положення на орбіті.
Апаратура позиційного контролю є ключовою частиною супутника. Вихід її з ладу може призвести до втрати апарата. Така подія, наприклад, сталася 14 липня 2000 р. з японським супутником ASCA, коли поблизу Землі розвивалась магнітна буря. На ASCA вийшов з ладу блок позиційного контролю і супутник став некерованим. Потрібна була термінова корекція його положення на орбіті, оскільки сонячні батареї відхилились від напрямку на Сонце. Через якийсь час акумулятори вичерпали увесь заряд і супутник перестав функціонувати.
Більш за все від впливу магнітних бур та інших небезпечних виявів космічної погоди потерпають угруповання телекомунікаційних супутників, оскільки значні витрати на виробництво і запуск апаратів передбачають використання стандартних, а не спеціальних компонентів при складанні кожного з них. Дуже потужна магнітна буря може впливати на все угруповання. Річні витрати на нормальну роботу супутників в умовах космічної погоди тільки у США обчислюються десятками мільйонів доларів. Ця сума не передбачає витрат на позаштатні ситуації.
Проблема відмов апаратури на супутниках — не єдина, спричинена космічною погодою. За максимальної активності Сонця зростає потік сонячних енергетичних частинок — протонів, джерелом яких є сонячні спалахи і корональні викиди маси, про що йтиметься нижче. Протони поглинаються у верхній атмосфері (термосфері) і розігрівають її, внаслідок чого вона «розбухає». Розширення атмосфери розхитує низькоорбітальні супутники подібно до того, як хвилі — човен. Опір, що зріс, змушує супутники наближатися до Землі, а це збільшує швидкість їхнього обертання. За звичайних умов велика піввісь еліптичної орбіти КА зменшується не більш як на 1 м за добу й орбіту легко коригувати за допомогою маневрових двигунів. Після потужних сонячних спалахів зміна щільності верхньої атмосфери призводить до варіацій швидкості супутників на кілька метрів за годину, у результаті похибка визначення їх положення досягає майже 8 км.
Від розширення атмосфери особливо потерпають супутники дистанційного зондування Землі. До точності їх позиціювання при зйомці поверхні ставляться дуже жорсткі вимоги: 1 м невизначеності положення супутника означає дуже багато. Дані, отримані в умовах невизначеності параметрів орбіти, настільки спотворені, що стають непридатними. Під час сильної сонячної активності орбіти супутників можуть змінюватися на десятки метрів за добу і більше. Наприклад, це трапилось з апаратом SPOT-2 у жовтні 1997 р., орбіта якого змінювалась на 30 м за добу.
Зазвичай швидкість супутників становить 8 км/с і вплив атмосферних вітрів не позначається на їхньому русі. Однак сонячні збурення генерують потужне електричне поле в іоносфері — іонізованій частині верхньої атмосфери. Це поле, у свою чергу, створює вітер на висоті близько 300 км зі швидкістю в кілька сотень кілометрів за годину, що вже може впливати на супутники. Наприклад, такий вітер фіксувався з 2 по 11 листопада 1993 р. на середніх широтах. Системи глобального позиціювання також зазнають впливу КП. Нині функціонують американська система GPS і російська GLONASS. У роботі кожної з них задіяно по 24 супутники на висоті близько 20 000 км в зонах глибокого вакууму. Європа створює свою систему Galileo. Принцип її дії ґрунтується на визначенні часу затримання поширення ультрависокочастотних хвиль у діапазоні гігагерців. На супутниках установлено надточні атомні годинники. Кожен супутник постійно передає дані про своє положення і точний час. Сигнал від супутників поширюється через іоносферу. Наземна станція обробляє ці дані й розраховує відстань між супутниками. Сигнал від користувача системи отримують відразу кілька супутників, за часом затримання його приходу за принципом триангуляції вираховують точне положення користувача. Тому для точності визначення положення користувача системи критичне значення має взаємна відстань між супутниками. Під час магнітних бур в іоносфері утворюються ділянки неоднорідностей із характерним розміром 150—250 м, які розсіюють сигнал, тому розрахункова похибка позиціювання набуває значень від кількох десятків метрів до кілометра. Така похибка може бути фатальною для літаків і кораблів. Щоб виключити її щодо взаємної відстані між супутниками, наземні центри за прогнозом стану іоносфери і магнітосфери розраховують положення супутників на наступні 12 год. Для виключення похибки визначення координат користувача через стан іоносфери використовують кілька частот прийому сигналу, взаємна різниця між часом затримання яких забезпечує дуже високу точність, однак такий спосіб значно здорожує системи позиціювання.
