Фундаментальные исследования космической радиационной среды Земли необходимы для проектирования и эксплуатации современных технологий связи, метеорологии, навигации и национальной безопасности, которые используются во враждебных условиях космической погоды над атмосферой Земли.
По мере того, как технологии становятся все более совершенными, для успеха миссии требуется более глубокое понимание – и даже предсказуемость обстановки.
Исследования приносят все больше понимания природы. Важно отметить, что неожиданные открытия могут принести важную информацию о природе, необходимую для успешного проектирования и эксплуатации технических систем, от которых все больше зависит современное общество.
В 1957 году профессор Джеймс Ван Аллен исследовал космические лучи и происхождение авроры в интеллектуальных целях. Он и его студенты были очень удивлены, когда его прибор на спутнике Соединенных Штатов обнаружил интенсивное излучение в космической среде над земной атмосферой.
Радиационный пояс космической погоды.
Ближе всего к поверхности Земли находится внутренняя зона Ван Аллена. Этот пояс простирается от плотной атмосферы чуть выше плотной до экваториальной высоты около 10 000 км над поверхностью Земли. Внутренний пояс Ван Аллена состоит преимущественно из очень энергичных протонов, включая галактические космические лучи.
Последние результаты исследований, проведенных с помощью приборов NASA в ходе полета зондов Ван Аллена (с 2012 года и по настоящее время), показывают удивительное пространственно-временное поведение популяции протонов во внутренней зоне.
Протоны с энергиями от ~10 МэВ до ~100 МэВ довольно стабильны во времени вблизи геоцентрического радиального расстояния r ~ 1,5 RE (радиус Земли = 6372 км), пика потоков протонов во внутренней зоне.
Однако внешнее «плечо» радиального распределения от 1,7 ≤ r ≤ 2,5 RE характеризуется большой временной изменчивостью для протонов. Эти переменные потоки протонов связаны с изменениями в солнечных энергетических протонах, которые оказываются в ловушке.
Внутренняя зона Ван Аллена также характеризуется обильными потоками низко- и среднеэнергетических электронов. Исследования эпохи зондов Ван Аллена позволили сделать много новых открытий об ультрарелятивистских электронах в этом регионе.
По существу, ни один из этих потоков электронов не встречается в регионе сразу после крупных геомагнитных бурь. Однако, что поразительно, в более длительных временных масштабах (от нескольких дней до нескольких недель) эти электроны, которые могут серьезно повредить внутреннюю электронику спутников, в конечном счете перемещаются внутрь из более высокогорных районов.
Так называемая «область щелей» радиационных поясов простирается примерно от r ~ 2 RE до r ~ 3 RE над магнитной экваториальной плоскостью. Слот часто относительно лишен энергетических электронов. Однако электроны умеренной (и даже высокой) энергии могут заполнить зазор между внутренней и внешней зоной во время интервалов сильных геомагнитных бурь.
Таким образом, регион слотов может также представлять ряд проблем космической погоды, включая повышение эффективности электронов с низкой и средней энергией, электроны с несколькими МэВ (в редких случаях) и события с сильными солнечными частицами (также в относительно редких случаях).
Пояс космического аппарата «Ван Аллен» во многом представляет собой наиболее распространенные риски космической погоды для эксплуатируемых космических аппаратов.
Коммерческие, военные, национальные и научные спутники, работающие по всему миру на средней околоземной орбите и геостационарной околоземной орбите, количество которых исчисляется несколькими сотнями. Все эти действующие космические аппараты подвержены воздействию космической погоды в результате воздействия радиации в поясах космического корабля «Ван Аллен».
Воздействие радиационного пояса космической погоды.
Космические аппараты, эксплуатируемые с начала космической эры, подвергаются аномалиям и поломкам в результате воздействия космической погоды. Например, мощные, высокоэнергетически захваченные протоны во внутренней зоне и от событий с солнечными частицами наносят огромный ущерб космическим системам и довольно трудно защищаются от них. Захваченные в ловушку энергетические электроны могут создавать общие эффекты дозы излучения в микроэлектронике. Облучение всех типов также изменит цвет одеял теплового контроля спутника.
Солнечные батареи и их защитное стекло со временем будут повреждены, что приведет к снижению энергопотребления спутников.
Многие эксплуатационные проблемы возникают в так называемом регионе Южноатлантической аномалии (ЮАА) космической среды Земли, и в течение десятилетий в этом регионе проводились интенсивные исследования. Из-за смещения, названного природой присущего Земле магнитного поля, это поле является самым слабым над Бразилией и на восток в Южно-Атлантический океанский регион.
Захваченные частицы, зеркально отражающие магнитные поля, особенно высокоэнергетические протоны во внутренней зоне, могут приблизиться к атмосфере в области слабого поля ЮАА. Таким образом, именно здесь космические аппараты на низкой околоземной орбите сталкиваются с наиболее интенсивными потоками частиц.
Компоненты космических аппаратов могут стать радиоактивными, а электроника может разлагаться, и все это из-за продолжающейся бомбардировки электронов, протонов и тяжелых ионов. Солнечные батареи покрывают стекла и поверхности космических кораблей, которые могут обесцвечиваться под радиационной бомбардировкой.
Солнечные батареи также медленно теряют свою эффективность в преобразовании солнечного света в электрическую энергию из-за повреждения, вызванного продолжающимся облучением.
Энергетическое ионное излучение, воздействующее на внутренние изоляционные материалы и солнечные батареи, может вызвать электрические разряды, если накопление заряда в изоляторах станет достаточно большим. Энергетические протоны и тяжелые ионы от захваченного излучения, событий солнечных частиц и космических лучей могут вызвать логические сбои в памяти полупроводников и компьютеров спутников.
Оптические датчики используются для ориентации космических аппаратов и научных исследований. Их часто можно легко «обмануть» ложными сигналами, генерируемыми энергетическими протонами, поражающими сенсорные устройства. Использование в будущем полностью электрических двигателей для вывода спутников на геосинхронную орбиту значительно увеличит время экспозиции космических систем в суровых радиационных условиях.
Сегодня большинство космических систем, от которых зависит современное человеческое общество, – коммерческие, национальные системы безопасности, государственные метеорологические и научные – работают на высотах от 500 км до 40 000 км над поверхностью Земли.
Технологический прогресс в области электронных компонентов и систем, используемых в спутниках, значительно продвинулся с первых дней существования компаний Telstar и Syncom.
В настоящее время спутниковые системы широко распространены не только для целей связи, но и для целей навигации, погоды и обеспечения национальной безопасности.
Понимание радиационной обстановки на Земле также значительно улучшилось благодаря исследованиям, проведенным в течение многих лет в ходе многих миссий NASA и других стран.
Исследования радиации Земли стали более сложными для получения данных «космической погоды», необходимых для проектирования и эксплуатации спутников, использующих современные передовые технологии. В силу своей критической важности для технологий космических систем передовые исследования в области космического излучения по-прежнему имеют большое значение и поддержку со стороны национальных правительств и промышленности.
Поскольку технологии, используемые в космических системах, продолжают совершенствоваться, понимание динамичной радиационной среды Земли необходимо будет также совершенствовать с помощью передовых исследований, с тем чтобы обеспечить успех в эксплуатации.