Было установлено, что космический аппарат ДМСП на расстоянии 840 км может заряжаться с очень большим отрицательным напряжением (до 2000 В) при столкновении с интенсивными выпадающими электронными явлениями (авроральными дугами). Было проведено одиннадцатилетнее исследование, в котором было исследовано более 1600 событий зарядки, определяемых как момент, когда космический аппарат заряжается с отрицательными уровнями напряжения свыше 100 В при пересечении авроральной полосы. Повторяемость событий тесно коррелировала с одиннадцатилетним солнечным циклом с наибольшим количеством событий, происходящих в период солнечного минимума. Это было связано с требованием о том, чтобы фоновая тепловая плотность плазмы была низкой, максимум 104 сантиметров кубических.
Во время максимума солнечной активности плотность плазмы обычно значительно выше этого уровня из-за ионизирующего излучения Солнца EUV, и хотя частота возникновения авроральных дуг значительно выше, чем при минимуме солнечной активности, возникновение высокого заряда минимально.
В результате этого исследования был создан модельный спектр для осаждения электронов, который может быть использован в качестве спецификации для маловысотной среды аврорального заряда.
Результаты этого исследования имеют последствия для ряда спутниковых программ НОО, включая Международную космическую станцию, которая действительно входит в авроральную зону, особенно в период геомагнитной активности, когда авроральная граница может проникать в очень низкие широты. Плотность плазмы на орбите МКС обычно значительно превышает минимально необходимую для зарядки. Однако после запуска МКС плотность плазмы может быть на два порядка меньше, чем плотность фона и, следовательно, условия для зарядки созрели.
Космический аппарат на околоземной орбите непрерывно подвергается бомбардировке заряженными частицами, как ионами, так и электронами, составляющими окружающую плазму. Фотоэлектроны могут быть также выведены из космического аппарата с помощью солнечного ультрафиолетового излучения, а также вторичных электронов и электронов и ионов, рассеянных назад от ударов энергетических электронов и ионов. Эти явления представляют собой как положительные, так и отрицательные течения к космическому аппарату.
Космический аппарат будет заряжаться до некоторого напряжения по отношению к окружающей плазме таким образом, чтобы все эти токи были равны нулю.) Такая зарядка уже давно считается опасной на высоких орбитах, где тепловая плазма (с энергиями обычно менее 1 эВ) относительно невелика.
Во время геомагнитных событий, таких как суббури, поток высокоэнергетических электронов может быть значительно больше потока тепловых электронов, а внешние слои космического аппарата могут заряжаться значительными напряжениями. Два опасных явления заряда известны как поверхностный заряд, вызываемый энергетическими электронами с энергиями менее 100 кэВ, и глубокий диэлектрический заряд, вызываемый электронами с энергиями более 500 кэВ.
Такая зарядка может привести к выбросам внутри и на поверхности таких внешних слоев космических аппаратов, как тепловые экраны и солнечные батареи, которые могут привести к значительным повреждениям и аномалиям космического аппарата. В последнее десятилетие или около того, сбросы на поверхности солнечных батарей и связанные с этим повреждения стали вызывать серьезную озабоченность из-за выхода из строя ряда солнечных батарей на нескольких космических аппаратах явление уже давно изучается на большой высоте, включая запуск космического аппарата SCATHA, специально предназначенного для изучения процесса зарядки космических аппаратов.
Однако до сравнительно недавнего времени этому явлению на низкой околоземной орбите не уделялось столько внимания. Это связано с тем, что токи от плотности фоновой тепловой плазмы, состоящей как из электронов, так и из ионов эквивалентной плотности из-за нейтральности заряда, обычно намного больше, чем токи от других источников. Для приблизительной оценки тепловых токов можно получить простые выражения, сделав некоторые простые предположения, обеспечивающие хорошее приближение первого порядка. При типичной температуре плазмы 1500 К скорость нагрева электронов составляет 214 км/с, в то время как ионы О+, как правило, доминирующие виды ионов, имеют температурную скорость около 1,2 км/с. Типичная орбитальная скорость для НОО составляет порядка 7 км/сек.
Таким образом, космический аппарат по существу стационарен по отношению к электронам и имеет доступ ко всем поверхностям космического аппарата.
Предполагая сферическую геометрию, плотность электронного тока, которая является просто случайным тепловым током, может быть записана так, как где ne - плотность электрона, Te - температура электрона, k - постоянная Больцмана, me - масса электрона, и e - электронный заряд. Ионы по существу неподвижны по отношению к космическому кораблю и имеют доступ только к передней (таранной) поверхности космического корабля по мере его пролета через плазму. Поэтому плотность ионного тока находится именно там, где ni - плотность ионов (=ne), а vsp - скорость космического корабля. При плотности плазмы 103 см3 электронный ток от (1) составляет 9,62 10 10 6 A/м2, а ионный ток от (2) - 1,12 10 10 6 A/м2.