Запуск ракеты компании SpaceX вызвал гигантскую ударную акустическую волну и брешь в ионосфере Земли

0:11 23/03/2018

👁 345

Нестандартная траектория ракеты-носителя Falcon 9, которая вывела тайваньский спутник в 2017г., стала причиной возникновения в атмосфере ударной волны размером, превышающим площадь Калифорнии в четыре раза, а также громадной бреши в ионосфере. К такому заключению пришла группа исследователей Национального университета Чэн Гун в Тайване.

Акустические ударные волны, которые по сути являются атмосферными возмущениями, распространяющимися со скоростью, большей скорости звука, возникают во время абсолютно всех космических запусков. Обычно их невозможно заметить невооруженным взглядом, зато они могут быть зафиксированы с помощью GPS приемников, использующихся для наблюдения за атмосферой.
Большинство ракет выводят спутники на промежуточную орбиту по параболической траектории, нередко на высоте 80-100 км двигаясь практически параллельно поверхности Земли. После отстыковки нагрузки к работе приступает персонал на Земле, удаленно управляющий двигателями спутников для достижения требуемых параметров целевой орбиты. Обычно ударные волны, вызванные пуском ракеты по пологой траектории, имеют V-образную форму и хорошо изучены учеными в ходе предыдущих исследований. Однако запуск FORMOSAT-5 в этом плане имел некоторые отличия.

Изначально планировалось выводить тайваньский спутник в составе нескольких, однако из-за взрыва Falcon 9 на стартовом столе в сентябре 2016, запуск был перенесен. В итоге, 24 августа 2017г. ракета стартовала с космодрома на базе ВВС Ванденберг с единственным небольшим (475 кг) спутником в качестве полезной нагрузки, который успешно вывела непосредственно на высоту около 725 км по практически вертикальной траектории на протяжении всего полета. Примерно через пять минут после запуска, на высоте 300 км в атмосфере была зафиксирована серия круговых акустических ударных волн, распространявшихся с горизонтальной скоростью ~629.15–726.02 м/с, горизонтальной длиной волны ~390–450 км и периодом ~10.28 ± 1 мин. Площадь распространения волн составила более 1,770,000 км2. Исследователи, изучающие влияние космических запусков на верхние слои атмосферы утверждают, что ударная волна подобной формы и размера была зафиксирована впервые.

Двухмерная карта полного электронного содержания ПЭС (TEC) (слева), полученная с помощью наземных наблюдений. Форма ударной акустической волны, вызванной пуском ракеты Falcon 9, схожа с формой волны, вызванной извержением вулкана Сарычева, но имеет гораздо большие размеры. Пунктирной линией и белым треугольником обозначены траектория ракеты и место старта. Credit: Left: Charles Lin/Space Weather/AGU; Right: NASA.

«Мы наблюдали множество атмосферных возмущений, вызванных космическими ракетами, но никогда еще они не были такой идеальной формы и таких внушительных масштабов» — прокомментировал изданию Space Weather Чарльз Лин, геофизик Национального университета Чэн Гун в Тайване и ведущий автор исследования. Нечто похожее, но гораздо в меньших масштабах, можно наблюдать на снимке, полученном с борта МКС во время извержения вулкана Сарычева в июне 2009г.

Иллюстрация акустических ударных волн круговой формы (а) и V-образной формы (b), вызванных в ионосфере запуском спутников FORMOSAT-5 и JASON-3 соответственно. Траектории вывода отличались.

Для исследования ионосферных возмущений Лин и его коллеги использовали метод GPS-радиозондирования. Также, с помощью компьютерной симуляции ракетных пусков ученые пришли к выводу, что ракета при движении по вертикальной траектории вызывает гораздо большие атмосферные возмущения, чем при движении по более пологой.

График изменения скорости и сравнение траекторий Falcon 9 в ходе миссий FORMOSAT-5 и JASON-3, на основе данных SpaceX

Однако акустические ударные волны практичеки безопасны сами по себе и вызывают лишь небольшие флуктуации заряженных частиц ионосферы. Некоторую тревогу вызывает тот факт, что примерно через 14 минут после старта ракеты, в плазменном слое ионосферы над Западным побережьем Калифорнии образовалась брешь диаметром 900 км (и общей площадью более 636,000 км2), на исчезновение которой понадобилось приблизительно 2.5 часа. Исследователи полагают, что это произошло вследствие химической реакции при взаимодействии водяного пара ракетного выхлопа второй ступени и заряженных частиц ионосферы. Уменьшение ПЭС ионосферы северо-западнее точки старта может быть объяснено сносом водяных паров выхлопа северо-западным ветром с последующей рекомбинацией (обратной ионизацией) в плазме.

Двухмерная карта ПЭС (TEC), полученная в период времени 18:51:00–21:30:00 UT 24 августа 2017 г. Отчетливо видна плазменная брешь круговой формы над западным побережьем США. Пунктирной линией и белым треугольником обозначены траектория ракеты и место старта.

Ионосфера, это слой атмосферы планеты, находящийся на высотах 60-1000 км и сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. Её состав и характеристики весьма чувствительны к солнечным вспышкам, геомагнитным бурям, метеорологическим явлениям и сейсмической активности Земли. Скорость сигналов GPS, проходящих через ионосферу, может меняться в зависимости от ее характеристик. Флуктуации состава могут приводить к задержкам и погрешностям при приеме и, как результат, к ошибкам в работе навигационных приборов. В своем исследовании ученые пришли к выводу, что из-за возмущений в ионосфере, вызванных запуском FORMOSAT-5, точность системы глобального позиционирования GPS была снижена примерно на один метр в течении 2-2.5 часов после запуска. На самом деле, это достаточно незначительная погрешность, которая осталась незаметной для подавляещего большинства пользователей GPS. Так, ошибки в результате собственных возмущений в ионосфере или тропосфере могут достигать 20 м, а современные программные средства позволяют достаточно эффективно с ними бороться. Тем не менее, теоретически, это может негативно сказаться на работе авиационных и военных навигационных систем, а так же систем с автоматическим управлением с интегрированной GPS навигацией, где влияние подобных ошибок может быть достаточно существенным. Правда, были ли подобные ошибки действительно зафиксированы кем-либо в эти дни, в исследовании не говорится.

Чарльз Лин и его коллеги подчеркивают, что их деятельность никоим образом не направлена против развития космической индустрии и компании SpaceX в частности. Однако они считают, что с появлением все более мощных ракет и развитием многоразовых космических технологий, в перспективе способствующих значительному росту количества космических запусков, ученым необходимо подробно изучить их влияние на средние и верхние слои атмосферы, чтобы выработать механизмы по снижению этих влияний на точность работы навигационных и прочих систем, а также уменьшить негативные последствия в целом. К тому же, на данный момент Солнце находится в фазе минимальной активности, в периоды же повышенной активности либо в совокупности с другми неблагоприятными факторами влияние на ионосферу может быть гораздо выше, что может привести к еще большему количеству ошибок в работе систем глобального позиционирования.

На основе материалов: https://vk.cc/7Rn7wS , https://vk.cc/7Rn8FT и https://vk.cc/7RsGcW

Трофимов Иван, специально для https://vk.com/spacex