Прогноз космической погоды (скачать документ)
advertisement
ПРОГНОЗ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ В.А. Шувалов, А.А. Яковлев ЦНИИмаш Накопление, расширение, структуризация естественнонаучных знаний и формирование целостного представления об окружающем мире направлено на построение, в итоге, динамической модели Земли, адекватно отражающей взаимодействующие прогнозирующие явления оценки и процессы изменения и позволяющей окружающей среды. получать Однако представления о динамике окружающей среды будут неполными, если модель Земли не включает информационный блок, отображающий состояние околоземного космического пространства и солнечно-земных связей, оказывающих непосредственное влияние на земные процессы. Международная космическая станция (МКС) осуществляет свой полет на высотах 350-450 км в ионосфере Земли, которая как наиболее плотный слой электрически заряженного вещества в атмосфере Земли, занимает ключевое положение в системе параметров и процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве. Её роль в жизни и практической деятельности человечества огромна. Именно ионосфера является тем защитным слоем, который задерживает и поглощает губительное для биосферы Земли коротковолновое излучение Солнца. Именно ионосфера искривляет пути радиоволн в атмосфере Земли таким образом, чтобы обеспечивалось их кругосветное распространение и, тем самым, обеспечивалась радиосвязь над всей планетой. И делает ещё многое другое, что существенно для деятельности и жизни человека на поверхности нашей планеты. Человечество давно поняло роль ионосферы и создало специальные национальные службы для контроля и, главное, прогноза её состояния. Дело в том, что ионосфера это, образно говоря, дитя Солнца и атмосферы Земли. Солнечные вспышки и другие нестационарные процессы солнечной 1 активности через цепочку солнечно-земных связей вызывают постоянную изменчивость геомагнитного поля нашей планеты и постоянную изменчивость её ионосферы. Природа строго наказывала человека, если он по мере развития технологического прогресса «забывал» прогнозировать состояние «космической погоды» или не умел использовать уже существующие прогнозы. Так, в 1979 году гигантская вспышка на Солнце породила токи в ионосфере мощностью в миллионы ампер (это всего лишь на высоте около 100 км над поверхностью Земли), которые «вырубили» наиболее мощную закольцованную энергосистему получения и распределения электрической энергии Канады, оставив почти треть населения этой страны на долгие 12 часов без электричества. Аналогичные ситуации имели место также и в северных регионах нашей страны. Однако ионосфера оказывается полезной человеку не только как защитница, но технологических и непосредственно современных для процессов. решения Она многих представляет важных собой универсальный и уникально чувствительный элемент, реагирующий на широкий спектр явлений, протекающих на Солнце, в межпланетном пространстве, в атмосфере, на поверхности Земли и даже в литосфере. Регистрация отклика ионосферы на различные возмущения позволяет получить информацию об источнике возмущений. Воздействие солнечных активных явлений — вспышек и выбросов — сильно влияет на состояние околоземного космического пространства, вызывая нарушение радиосвязи, флуктуацию сигналов навигационных систем, разбухание атмосферы и аномальное торможение МКС и спутников в периоды магнитных бурь. Активные литосферные процессы (землетрясения, извержения вулканов и др.) также имеют свои проявления в ионосфере, которые в последнее время активно изучаются для поиска предвестников землетрясений и их предсказания. Кроме этого, в околоземном космическом 2 пространстве регистрируются результаты антропогенной деятельности: электромагнитная загрязненность промышленных регионов, сигналы от многочисленных вещательных станций, исследовательских нагревных стендов. Для изучения геофизических объектов, обладающих большими масштабами и совокупностью сложных взаимосвязанных явлений, целесообразно иметь арсенал технических средств и необходимые условия для выполнения экспериментов. Возможности российского сегмента МКС (РС МКС) создают геофизических благоприятные экспериментов и предпосылки позволяют для решать реализации практические и фундаментальные задачи, невыполнимые в наземных условиях. К таким задачам можно отнести, например, выявление закономерностей, связанных с явлением уплотнения верхней атмосферы, изучение оптической устойчивости глобальной прозрачности токовой атмосферы и системы, связь этого исследования явления с климатическими изменениями, изучение грозовой активности в планетарном масштабе и др. Некоторые аспекты перечисленных задач уже реализуются в космических экспериментах (таких как, «Релаксация», «Ракурс», «Волны», «Микроспутник» и др.). Так, например, в ходе реализации космического эксперимента «Релаксация» было обнаружено глобальное свечение верхней атмосферы Земли на высотах ~100–140 км в южном и северном полушариях при воздействия мощного модулированного излучения радионагревного стенда (РНС) на ионосферу и атмосферу Земли (см. рис. 1). 3 Рис. 1. Одним из наиболее значимых направлений геофизических экспериментов сегодня является поиск достоверных и достаточно надежных признаков катастрофических сейсмических явлений, которые позволят в будущем получить методику прогнозирования землетрясений и других чрезвычайных ситуаций. На это направлены, в частности, такие космические эксперименты как «Гидроксил», «Сейсмопрогноз», «Всплеск», «Ураган». В рамках этих экспериментов будут проводиться измерения пространственных, временных и гидроксильные энергетических свечения, характеристик электромагнитные всплесков излучения, частиц, измерения неоднородно-волновой структуры ионосферы. Здесь необходимо заметить, что решение задачи обнаружения предвестников землетрясений и природных катастроф по признакам в ионосфере, верхней атмосфере и околоземном космическом пространстве в настоящее время имеет слабое физическое обоснование, да и выделение полезной информации на фоне крайне динамичных ионосферных процессов является достаточно космических сложной экспериментов задачей. позволят Тем не менее, как набрать результаты необходимую достоверную статистику по состоянию ионосферного фона, так и отработать 4 аппаратуру, которая может служить основой для перспективных космических систем предсказания и диагностирования природных катастроф, таких как землетрясения и цунами, аномальные атмосферные явления (ураганы, тайфуны, циклоны, торнадо и т.д.). В частности, в ходе космического эксперимента «Всплеск» обнаружено, что наряду с всплесками частиц, наблюдаемыми на различных долготах возмущенных L-оболочек, есть всплески частиц, группирующиеся вдоль линий тектонических разломов, то есть непосредственно в зонах локальных возмущений радиационного пояса. Выявлено восемь всплесков частиц — возможных кандидатов в предвестники землетрясений с магнитудой более 4 баллов по шкале Рихтера. Один из результатов этого анализа показан на рис. 2. Рис. 2. События (21.02.2011 г.), расположенные на одной L-оболочке (L=1.34) Проведение коррелированных измерений потоков частиц на двух космических аппаратах (МКС и «Ресурс-ДК1») открыло новые возможности в изучении природы всплесков частиц, обеспечило надежность получаемых результатов. Пример, приведенный на рис. 3, демонстрирует возможность таких комбинированных измерений. 5 Рис. 3. Одновременная регистрация всплеска высокоэнергичных электронов на одной L-оболочке на двух КА РС МКС, как платформа для размещения научных приборов в космосе, может быть использована для решения задач мониторинга геофизических явлений и процессов на поверхности и подповерхностных структурах Земли, в атмосфере, околоземном космическом пространстве. Причем на станции возможна реализация комплексных мониторинговых наблюдений объектов синхронизированных по времени, выполняемых под различными ракурсами и приборами различной физической природы. Этот диапазон исследований не достаточно представлен космическими экспериментами в долгосрочной программе, но перспективы для расширения мониторинговых наблюдений имеются. Космическая станция является уникальной и хорошо оснащенной научно-технической лабораторией. И в этом смысле она может использоваться как полигон для технологической и методической отработки различных приборов, устройств, оборудования, методик в естественных условиях, что имеет большое значение для космического приборостроения в нашей стране. В этой области уже наметились предложения и разработки космических экспериментов («Ионозонд», «Глонасс-МКС», «Глонасс-ИПГ»). Можно утверждать, что ресурсы МКС позволяют вести более широкие 6 исследования, особенно в целях испытаний и отработки геофизической аппаратуры (плазменные зонды, фотометры, солнечные телескопы и др.) Космические целесообразно эксперименты структурировать по геофизического крупным направления проблемным блокам с разработкой конечной цели и ожидаемых результатов, достижение которых будет означать решение крупной проблемы. В качестве таких целенаправленных блоков исследований можно выделить следующие направления: – изучение электроразрядных явлений в атмосфере с целью построения модели грозовой активности в планетарном масштабе; – исследование плотности и светимости верхней атмосферы с целью определения закономерностей изменения этих параметров и построение физической модели; – исследование тепловых и поляризационных характеристик поверхности Земли с целью определения тектонических и геологических особенностей приповерхностных структур Земли; – особенности динамики верхней атмосферы Земли в условиях природных и антропогенных воздействий с целью исследования устойчивости и восстанавливаемости этой среды. Решение каждой из перечисленных проблем будет означать значительный вклад в изучение окружающей среды. 7
