«КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА» И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ СОЦИУМА
«Космической погодой» или «погодой в космосе» называют совокупность явлений, происходящих в геосферах Земли: верхних слоях земной атмосферы, в ионосфере и в ОКП.
1 Общие понятия о космической погоде
«Космической погодой» или «погодой в космосе» называют совокупность явлений, происходящих в геосферах Земли: верхних слоях земной атмосферы, в ионосфере и в ОКП. Она оказывает влияние на климат Земли, все геосферы, и, через них, и на все процессы, протекающие на Земле, в том числе, на экологию. Впервые понятие «погода в космосе» ввёл советский учёный – академик Евгений Константинович Фёдоров.
Почему именно «погода»? Одна из причин имеет чисто внешний характер. В околоземном пространстве есть и свои бури, и штормы (магнитные и ионосферные), есть свои облака (серебристые или мезосферные), есть свой ветер – солнечный, – и даже свой дождь (так называют одно из явлений в полярной ионосфере) [Wilenius 1999: 33; Авдюшин, Данилов 1992: 160].
Наряду с этими чисто внешними параллелями, есть более глубокие причины говорить о погоде в космосе. Дело в том, что сильная изменчивость обстановки в околоземном космосе сродни погодным «капризам». Для погоды в космосе, как и для погоды в обычном понимании этого слова, характерно чередование спокойных периодов (например, минимум цикла солнечной активности), которые можно сравнить с устойчивой погодой в хорошее лето, и периодов резкой смены обстановки (например, во время высокой солнечной активности), которые навевают аналогию с неустойчивой осенней погодой.
Само непостоянство погодных явлений в ОКП сродни земному: здесь не бывает двух одинаковых дней. И как хмурый дождливый ноябрьский день отличается от солнечного дня в мае, так могут быть не похожи и два дня с точки зрения космической погоды.
Обстановка в ОКП влияет не только на объекты в космосе, она может оказывать воздействие и на нашу повседневную жизнь. Это утверждение в одних случаях (погода, здоровье людей) основано преимущественно на гипотезах и различных косвенных данных, в других (помехи радиосвязи, электрические системы) – на очевидных твёрдо установленных фактах [Авдюшин, Данилов 1992: 160].
Космическая непогода может быть опасной и для техносферы: для экипажей космических кораблей и в некоторых случаях для технологических систем на поверхности Земли. Во время магнитных бурь, вызванных мощными солнечными вспышками (например, в августе 1982 года и в марте 1989 года), наблюдались повреждения трубопроводов (из-за возникающих там напряжений при резких изменениях магнитного поля), выходы из строя электрических энергосистем, а также взрывы трансформаторов на телефонных подстанциях. Вот так могут различаться «погожий» и «непогожий» дни в околоземном пространстве. Отсюда понятно, как важно изучать, наблюдать и учиться прогнозировать погоду в космосе.
Космическая погода оказывает влияние на многие процессы биосферы Земли опосредованно: через влияние на климат, на функционирование технических систем, на биоту. Эмпирические подтверждения влияния космической погоды на земные процессы, в основном определяемого солнечной активностью, описаны в многочисленных публикациях, начиная с новаторских работ А.Л. Чижевского в начале XX века [Авдюшин, Данилов 1992: 160].
Исторические данные показывают, что наблюдаемые изменения климата могут быть частично обусловлены солнечной активностью. В частности, есть основания считать, что именно с вариациями солнечной активности были связаны периоды похолоданий и потеплений, по крайней мере, в предыдущем тысячелетии.
Космическую погоду в ОКП определяет солнечное излучение. Солнце оказывает многоплановое воздействие как на живую, так и на неживую природу Земли. Основное влияние происходит через видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, излучение в более коротких диапазонах длин волн и через корпускулярные потоки солнечного ветра. Помимо этого, в атмосферу Земли проникает поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство (солнечный ветер), видимых во многих районах близ полюсов планеты, как «северное сияние» (полярные сияния).
Солнечная радиация – главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере. Именно от интенсивности солнечного излучения зависит плотность верхней атмосферы, которая должна учитываться при проведении баллистических расчётов сведения с орбиты крупногабаритных космических объектов [Авдюшин, Данилов 1992: 160; Алпатов, Репин 2021: 6].
2 Влияние космической погоды на экологию Земли
Сравнение характеристик климата и солнечной активности на больших временных масштабах демонстрирует сильную корреляцию их поведения, а именно, по крайней мере, в предыдущем тысячелетии (рис. 1).
Рис. 1 - Механизмы влияния солнечной активности на климат Земли [Авдюшин, Данилов 1992: 160; Алпатов, Репин 2021: 6].
Нельзя забывать также о влиянии солнечной активности на повышение температуры поверхности океанов (явление «Эль-Ниньо»), на повышение температуры воздуха как предпосылки возникновения лесных пожаров и т.д.
3 Воздействие космической погоды на технические системы
Как уже упоминалось ранее «космическая погода» – это совокупность физических явлений и процессов на Солнце, в межпланетном и околоземном космическом пространстве, магнитосфере, ионосфере и верхней атмосфере Земли, имеющих биомедицинские последствия и влияющих на функционирование технических средств и систем – техносферу (рис. 2). Имеются в виду системы навигации, связи, электроэнергетики, радиационной безопасности при авиаперелетах, эксплуатации трубопроводов, а также средства аэромагнитной съемки, бурения скважин и пр.
Рис. 2 – Технические системы в околоземной среде
Сегодня многие сектора мировой экономики могут пострадать от космической погоды. Это касается космических телекоммуникаций, радиовещания, метеорологического обслуживания, навигации, а также распределения электроэнергии и наземных коммуникаций (особенно для северных широт).
Резкие изменения космической погоды могут привести к возникновению различных нештатных ситуаций: повреждению линий электропередач, коррозии нефте- и газопроводов, помехам для высокочастотных радиосигналов и навигационных сигналов с GPS-спутников. Все эти ситуации как правило имеют экологические последствия. Негативное воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы показано в табл. 1.
Поглощение радиоволн в полярной шапке может сильно затруднить или полностью прекратить высокочастотную связь на линиях трансполярных перелетов, что приводит к изменению авиамаршрутов. Облучение космических аппаратов может вызвать сбои аппаратуры, повреждение солнечных батарей и датчиков. Существенное воздействие звездной активности уже ощутили навигационные спутники, вроде «Галилео». Это может также сказаться на авиации, автомобильном транспорте, судоходстве и прочих видах деятельности, зависящих от локации.
Таблица 1 - Негативное воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы
Гелиогеофизические факторы
Возникающие проблемы
Галактические космические лучи
деградация материалов КА и в первую очередь солнечных батарей;
сбои в электронике бортовых систем
Солнечные космические лучи
деградация материалов КА, в том числе, солнечных батарей;
сбои в электронике бортовых систем
Радиационные пояса Земли
электризация поверхности КА;
возникновение объёмного заряда внутри КА;
сбои в электронике бортовых систем
Ионизирующее электромагнитное излучение
дополнительная ионизация ионосферы, приводящая к нарушениям связи с КА, увеличению навигационных ошибок систем ГЛОНАСС и GPS;
увеличение плотности верхней атмосферы, приводящее к изменению параметров движения КА
Геомагнитные бури и суббури
нарушение связи с КА;
усиление влияния других факторов
Негативно космическая погода сказывается и на орбитальных спутниках. К примеру, постепенно солнечные батареи на аппаратах будут производить меньше энергии для миссии, уменьшая срок службы. Увеличение уровня радиации вредит здоровью астронавтов на борту МКС и в будущих полетах на другие небесные объекты.
Существует немало описанных примеров воздействия космической погоды на современные технические средства. Так, в октябре-ноябре 2003 года на Солнце наблюдалось 17 значительных солнечных вспышек с выбросами плазмы, потоками протонов и возмущениями солнечного ветра и магнитного поля Земли. В результате шведский энергетический концерн Sydkraft AB сообщил о возникновении мощных индуцированных токов и случаях отключения энергосетей в Северной Европе. По заключению Федеральной авиационной администрации США, GPS-система WAAS была неработоспособна в течение 30 часов в октябре-ноябре 2003 года.
Уровень радиационного облучения на МКС заставил космонавтов перейти в специальный защищенный отсек. Многочисленные аномалии в работе аппаратуры регистрировались на большинстве космических объектов. Предположительно именно это стало причиной потери спутника ADEOS-2 стоимостью $640 млн, на его борту находилась аппаратура NASA стоимостью $150 млн. По данным GSFC Space Science Mission Operations Team, 59% миссий испытали воздействие космической погоды.
Космическая погода — основной фактор воздействия на работоспособность метеорологических спутников, которые служат важнейшим источником данных для прогнозирования погоды и мониторинга климата. Непрерывность и оперативность поступления данных могут пострадать при воздействии возмущений космической погоды на датчики, системы передачи данных, параметры орбиты или системы энергоснабжения.
На Земле страдают сотрудники авиакомпаний и порой экипаж. Периодически крупные события разрушают и повреждают сети распределения электроэнергии, повышают влияние коррозии трубопроводов и деградацию радиосвязи (рис.3). Авиакомпании вынуждены были изменять маршруты трансполярных полетов из-за высокого риска переоблучения пассажиров и экипажа. В 2003, 2005, 2006 годах было перенаправлено более 60 рейсов, стоимость каждого маневра составляла от 10 до 100 тысяч долларов.
Рис. 3 – Авиаперевозки и космическая погода
Десять лет назад количество трансполярных перелётов не превышало нескольких сотен в год, сейчас их в год уже более 10 тыс. Иными словами, значимость проблемы обеспечения безопасности авиаперевозок на таких маршрутах возросла в 100 раз. Возникающие проблемы при воздействии факторов космической погоды: это, прежде всего, воздействие возмущений на связь и навигацию; кроме того присутствует радиационное облучение.
В 2018 году было подписано соглашение между центром космической погоды ФГБУ «Институт прикладной геофизики им. академика Е.К.Фёдорова» и центром космической погоды Китайской метеослужбы. На базе соглашения создан Российско-Китайский консорциум (CRC) по обеспечению международной аэронавигации оперативными данными о космической погоде. 27 апреля 2020 года на заседании Совета ИКАО принято решение о назначении Российско-Китайского Консорциума четвертым глобальным центром ИКАО, наряду с тремя существующими глобальными центрами:
─ США (Боулдер),
─ Европейский консорциум PECASUS (Finland, Belgium, Germany, Italy, Austria, Poland, Cyprus, UK, The Netherlands)
─ Консорциум ACFJ (Australia, Canada, France and Japan).
4 Контроль космической погоды
Несомненное и всё возрастающее значение явлений космической погоды для эксплуатации космических аппаратов, авиаперевозок, связи и геолокации послужило основой для принятия целого ряда решений в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО, англ. World Meteorological Organization) и Международной организации гражданской авиации (ИКАО, англ. International Civil Aviation Organization) – специализированного учреждения ООН, устанавливающего международные нормы гражданской авиации и координирующего её развитие с целью повышения безопасности и эффективности. Исполнительный совет ВМО в 2010 г. поручил КОС (Комиссия по основным системам) и КАМ (Комиссия по авиационной метеорологии) разработать планы деятельности ВМО в области космической погоды. В ходе рассмотрения было принято решение об учреждении Межпрограммной группы по космической погоде (МКГКП) с участием экспертов. ИКАО также выразила желание участвовать в работе МКГКП [Алпатов, Репин 2021: 6].
Геофизический мониторинг за рубежом осуществляется в рамках центров предупреждений о явлениях космической погоды, а международная координация мониторинга осуществляется ISES, в которую входит 14 стран-участниц и Европейское космическое агентство.
В 2010 году в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО) образована Межпрограммная координационная группа по космической погоде (ICTSW). Основной задачей этой группы является координация работ по диагностике и прогнозу гелиогеофизических возмущений, обеспечения сбора такой информации и свободного ее распространения.
В настоящее время Институт прикладной геофизики им. академика Е.К.Фёдорова (ФГБУ «ИПГ») является ведущим институтом страны по изучению и прогнозированию обстановки в ОКП, головной организацией Росгидромета по ионосферным, магнитным и гелиогеофизическим наблюдениям. Учреждение выполняет функции Гелиогеофизической службы России (Приказ начальника ГУ Гидрометслужбы СМ СССР №291 от 28.12.1973, РД 52.04.567-2003), является Федеральным информационно-аналитическим центром мониторинга геофизической обстановки над территорией РФ, где собираются солнечные и геофизические данные и даются прогнозы гелиогеофизической обстановки на ближайшие дни, недели, месяцы. Этот центр является частью Всемирной службы космической погоды [Алпатов, Репин 2021: 6].
В организациях Росгидромета к настоящему времени накоплен значительный опыт и потенциал исследования и контроля околоземной среды. Структура Гелиогеофизической службы представлена на рисунке 4. Она включает в себя:
космический сегмент, состоящий из различных КА в ионосфере и магнитосфере;
наземные измерительные средства (ионосферные станции, геомагнитные и солнечные обсерватории), расположенные в различных пунктах на территориии страны;
Федеральный информационно-аналитический Центр (ФИАЦ) в ФГБУ «ИПГ», обеспечивающий комплексную обработку, архивирование и распространение данных космических измерений и наземных наблюдений.
Рис. 4 - Структура Гелиогеофизической службы Росгидромета
Основным источником получения метеорологической, геофизической информации об атмосфере и поверхности Земли является аппаратура наземной сети наблюдений, которая непрерывно развивается. В то же время источниками получения оперативной информации являются аппаратные комплексы самолётного и космического базирования (космические аппараты дистанционного зондирования Земли). В состав наземного сегмента
Гелиогеофизической службы Росгидромета входят [Алпатов, Репин 2021: 6; Репин, Алпатов, Ткаченко, Сосунова, Ежергин, Соловьёва, Крестников, Соловьёв 2020, 205].
солнечные обсерватории (Москва, Нижний Новгород, Кисловодск, Иркутск, а также – Киев, Ташкент);
ионосферные обсерватории (Москва, Санкт-Петербург, Мурманск, Ростов-на-Дону, Екатеринбург, Новосибирск, Томск, Красноярск, Магадан, Петропавловск-Камчатский, полярные и приполярные, а также – Ашхабад);
геомагнитные станции (Москва, Санкт-Петербург, Мурманск, Новосибирск, Томск, Красноярск, Магадан, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Тикси, полярные и приполярные).
Существующий космический сегмент
Гелиогеофизической службы пока не обладает всеми требуемыми возможностями. Диагностические комплексы, установленные на борту КА «Электро» и «Метеор», обеспечивают контроль основных параметров ОКП в естественных условиях, в т.ч.:
уровня радиации в космосе;
состояния ионосферной плазмы;
плотности и состава верхней атмосферы, состояния озонового слоя;
уровня электромагнитных излучений.
Федеральный информационно-аналитический Центр (ФИАЦ) Гелиогеофизической службы Росгидромета, являясь одним из пяти мировых геофизических центров, получает в порядке обмена всю доступную информацию зарубежных источников. На рисунке 5 представлен интерфейс сайта ФГБУ «ИПГ» [Алпатов, Репин 2021: 6; Репин, Алпатов, Ткаченко, Сосунова, Ежергин, Соловьёва, Крестников, Соловьёв 2020, 205].
Рис. 5 - Интерфейс сайта ФГБУ «ИПГ»
5 Потребители информации о космической погоде
Для исследования и прогнозирования «космической погоды» в России имеются наземные космические средства (наземные станции), а также небольшая орбитальная группировка космических аппаратов, оснащенных гелиогеофизической аппаратурой, - это космические аппараты «Метеор» и «Электро-Л». Часть информации получается по международным официальным каналам обмена Всемирной метеорологической организации. На основании всех данных делается ежедневная оперативная сводка гелиогеофизической службы, которая рассылается в 200 организаций федеральных органов исполнительной власти, в том числе в Администрацию Президента, Минобороны России и в МЧС России [Алпатов, Репин 2021: 6].
Одним из основных потребителей информации Федерального информационно-аналитического центра ФГБУ «ИПГ» (наряду с гидрометеорологическими организациями) является Главный центр управления космическими аппаратами им Г.С.Титова.
В геофизическую службу этого центра оперативно поставляется следующая информация:
уровень солнечной активности;
уровень радиации в космосе (для пилотируемых КА);
состояние ионосферной плазмы;
плотность и состав верхней атмосферы (для низкоорбитальных КА);
уровень электромагнитных излучений (для бортовой аппаратуры КА) и др.
Также одним из основных потребителей гелиогеофизической информации является МЧС России (рис.6,7). На рисунке 7 (крайний левый экран ситуационной обстановки – рисунок 6) представлена геофизическая информация, поступающая в оперативном режиме из ФГБУ «ИПГ».
Рис. 6 – Ежедневная оперативная сводка гелиогеофизической службы о космической погоде, представляемая в Центр управления в кризисных ситуациях
(ФКУ "ЦУКС ГУ МЧС России по г. Москве")
Рис. 7 - Геофизическая информация, поступающая в оперативном режиме
из ФГБУ «ИПГ»
Оперативная геофизическая информация, представляемая в Центр управления в кризисных ситуациях (ФКУ «ЦУКС ГУ МЧС России по г. Москве») [Алпатов, Репин 2021: 6]:
степень возмущённости магнитного поля Земли,
уровень опасности от потоков энергичных протонов солнечных вспышек,
влияние солнечных рентгеновских всплесков на ионосферу Земли,
возмущённость космической погоды за последние 24 часа,
планетарные Kp-индексы (за последние 24 часа),
плотность потока протонов (за последние 24 часа),
поток рентгеновского излучения Солнца (за последние 3 дня),
наукастинг появления геоэффективных потоков протонов,
потоки частиц по данным КА Электро-Л,
состояние ионосферы по модели SIMP.
Также реализована схема рассылки оповещений о состоянии «космической погоды» другим потребителям; в нее входит экстренная информация:
потоки протонов в ОКП,
геомагнитная обстановка,
состояние ионосферы.
Список рассылки реализуется через GSM–сеть (телефонные номера) и через адреса электронной почты.
«Космической погодой» или «погодой в космосе» называют совокупность явлений, происходящих в геосферах Земли: верхних слоях земной атмосферы, в ионосфере и в ОКП. Она оказывает влияние на климат Земли, все геосферы, и, через них, и на все процессы, протекающие на Земле, в том числе, на экологию. Впервые понятие «погода в космосе» ввёл советский учёный – академик Евгений Константинович Фёдоров.
Почему именно «погода»? Одна из причин имеет чисто внешний характер. В околоземном пространстве есть и свои бури, и штормы (магнитные и ионосферные), есть свои облака (серебристые или мезосферные), есть свой ветер – солнечный, – и даже свой дождь (так называют одно из явлений в полярной ионосфере) [Wilenius 1999: 33; Авдюшин, Данилов 1992: 160].
Наряду с этими чисто внешними параллелями, есть более глубокие причины говорить о погоде в космосе. Дело в том, что сильная изменчивость обстановки в околоземном космосе сродни погодным «капризам». Для погоды в космосе, как и для погоды в обычном понимании этого слова, характерно чередование спокойных периодов (например, минимум цикла солнечной активности), которые можно сравнить с устойчивой погодой в хорошее лето, и периодов резкой смены обстановки (например, во время высокой солнечной активности), которые навевают аналогию с неустойчивой осенней погодой.
Само непостоянство погодных явлений в ОКП сродни земному: здесь не бывает двух одинаковых дней. И как хмурый дождливый ноябрьский день отличается от солнечного дня в мае, так могут быть не похожи и два дня с точки зрения космической погоды.
Обстановка в ОКП влияет не только на объекты в космосе, она может оказывать воздействие и на нашу повседневную жизнь. Это утверждение в одних случаях (погода, здоровье людей) основано преимущественно на гипотезах и различных косвенных данных, в других (помехи радиосвязи, электрические системы) – на очевидных твёрдо установленных фактах [Авдюшин, Данилов 1992: 160].
Космическая непогода может быть опасной и для техносферы: для экипажей космических кораблей и в некоторых случаях для технологических систем на поверхности Земли. Во время магнитных бурь, вызванных мощными солнечными вспышками (например, в августе 1982 года и в марте 1989 года), наблюдались повреждения трубопроводов (из-за возникающих там напряжений при резких изменениях магнитного поля), выходы из строя электрических энергосистем, а также взрывы трансформаторов на телефонных подстанциях. Вот так могут различаться «погожий» и «непогожий» дни в околоземном пространстве. Отсюда понятно, как важно изучать, наблюдать и учиться прогнозировать погоду в космосе.
Космическая погода оказывает влияние на многие процессы биосферы Земли опосредованно: через влияние на климат, на функционирование технических систем, на биоту. Эмпирические подтверждения влияния космической погоды на земные процессы, в основном определяемого солнечной активностью, описаны в многочисленных публикациях, начиная с новаторских работ А.Л. Чижевского в начале XX века [Авдюшин, Данилов 1992: 160].
Исторические данные показывают, что наблюдаемые изменения климата могут быть частично обусловлены солнечной активностью. В частности, есть основания считать, что именно с вариациями солнечной активности были связаны периоды похолоданий и потеплений, по крайней мере, в предыдущем тысячелетии.
Космическую погоду в ОКП определяет солнечное излучение. Солнце оказывает многоплановое воздействие как на живую, так и на неживую природу Земли. Основное влияние происходит через видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, излучение в более коротких диапазонах длин волн и через корпускулярные потоки солнечного ветра. Помимо этого, в атмосферу Земли проникает поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство (солнечный ветер), видимых во многих районах близ полюсов планеты, как «северное сияние» (полярные сияния).
Солнечная радиация – главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере. Именно от интенсивности солнечного излучения зависит плотность верхней атмосферы, которая должна учитываться при проведении баллистических расчётов сведения с орбиты крупногабаритных космических объектов [Авдюшин, Данилов 1992: 160; Алпатов, Репин 2021: 6].
2 Влияние космической погоды на экологию Земли
Сравнение характеристик климата и солнечной активности на больших временных масштабах демонстрирует сильную корреляцию их поведения, а именно, по крайней мере, в предыдущем тысячелетии (рис. 1).
Рис. 1 - Механизмы влияния солнечной активности на климат Земли [Авдюшин, Данилов 1992: 160; Алпатов, Репин 2021: 6].
Нельзя забывать также о влиянии солнечной активности на повышение температуры поверхности океанов (явление «Эль-Ниньо»), на повышение температуры воздуха как предпосылки возникновения лесных пожаров и т.д.
3 Воздействие космической погоды на технические системы
Как уже упоминалось ранее «космическая погода» – это совокупность физических явлений и процессов на Солнце, в межпланетном и околоземном космическом пространстве, магнитосфере, ионосфере и верхней атмосфере Земли, имеющих биомедицинские последствия и влияющих на функционирование технических средств и систем – техносферу (рис. 2). Имеются в виду системы навигации, связи, электроэнергетики, радиационной безопасности при авиаперелетах, эксплуатации трубопроводов, а также средства аэромагнитной съемки, бурения скважин и пр.
Рис. 2 – Технические системы в околоземной среде
Сегодня многие сектора мировой экономики могут пострадать от космической погоды. Это касается космических телекоммуникаций, радиовещания, метеорологического обслуживания, навигации, а также распределения электроэнергии и наземных коммуникаций (особенно для северных широт).
Резкие изменения космической погоды могут привести к возникновению различных нештатных ситуаций: повреждению линий электропередач, коррозии нефте- и газопроводов, помехам для высокочастотных радиосигналов и навигационных сигналов с GPS-спутников. Все эти ситуации как правило имеют экологические последствия. Негативное воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы показано в табл. 1.
Поглощение радиоволн в полярной шапке может сильно затруднить или полностью прекратить высокочастотную связь на линиях трансполярных перелетов, что приводит к изменению авиамаршрутов. Облучение космических аппаратов может вызвать сбои аппаратуры, повреждение солнечных батарей и датчиков. Существенное воздействие звездной активности уже ощутили навигационные спутники, вроде «Галилео». Это может также сказаться на авиации, автомобильном транспорте, судоходстве и прочих видах деятельности, зависящих от локации.
Таблица 1 - Негативное воздействия гелиогеофизических факторов на космические системы
Гелиогеофизические факторы
Возникающие проблемы
Галактические космические лучи
деградация материалов КА и в первую очередь солнечных батарей;
сбои в электронике бортовых систем
Солнечные космические лучи
деградация материалов КА, в том числе, солнечных батарей;
сбои в электронике бортовых систем
Радиационные пояса Земли
электризация поверхности КА;
возникновение объёмного заряда внутри КА;
сбои в электронике бортовых систем
Ионизирующее электромагнитное излучение
дополнительная ионизация ионосферы, приводящая к нарушениям связи с КА, увеличению навигационных ошибок систем ГЛОНАСС и GPS;
увеличение плотности верхней атмосферы, приводящее к изменению параметров движения КА
Геомагнитные бури и суббури
нарушение связи с КА;
усиление влияния других факторов
Негативно космическая погода сказывается и на орбитальных спутниках. К примеру, постепенно солнечные батареи на аппаратах будут производить меньше энергии для миссии, уменьшая срок службы. Увеличение уровня радиации вредит здоровью астронавтов на борту МКС и в будущих полетах на другие небесные объекты.
Существует немало описанных примеров воздействия космической погоды на современные технические средства. Так, в октябре-ноябре 2003 года на Солнце наблюдалось 17 значительных солнечных вспышек с выбросами плазмы, потоками протонов и возмущениями солнечного ветра и магнитного поля Земли. В результате шведский энергетический концерн Sydkraft AB сообщил о возникновении мощных индуцированных токов и случаях отключения энергосетей в Северной Европе. По заключению Федеральной авиационной администрации США, GPS-система WAAS была неработоспособна в течение 30 часов в октябре-ноябре 2003 года.
Уровень радиационного облучения на МКС заставил космонавтов перейти в специальный защищенный отсек. Многочисленные аномалии в работе аппаратуры регистрировались на большинстве космических объектов. Предположительно именно это стало причиной потери спутника ADEOS-2 стоимостью $640 млн, на его борту находилась аппаратура NASA стоимостью $150 млн. По данным GSFC Space Science Mission Operations Team, 59% миссий испытали воздействие космической погоды.
Космическая погода — основной фактор воздействия на работоспособность метеорологических спутников, которые служат важнейшим источником данных для прогнозирования погоды и мониторинга климата. Непрерывность и оперативность поступления данных могут пострадать при воздействии возмущений космической погоды на датчики, системы передачи данных, параметры орбиты или системы энергоснабжения.
На Земле страдают сотрудники авиакомпаний и порой экипаж. Периодически крупные события разрушают и повреждают сети распределения электроэнергии, повышают влияние коррозии трубопроводов и деградацию радиосвязи (рис.3). Авиакомпании вынуждены были изменять маршруты трансполярных полетов из-за высокого риска переоблучения пассажиров и экипажа. В 2003, 2005, 2006 годах было перенаправлено более 60 рейсов, стоимость каждого маневра составляла от 10 до 100 тысяч долларов.
Рис. 3 – Авиаперевозки и космическая погода
Десять лет назад количество трансполярных перелётов не превышало нескольких сотен в год, сейчас их в год уже более 10 тыс. Иными словами, значимость проблемы обеспечения безопасности авиаперевозок на таких маршрутах возросла в 100 раз. Возникающие проблемы при воздействии факторов космической погоды: это, прежде всего, воздействие возмущений на связь и навигацию; кроме того присутствует радиационное облучение.
В 2018 году было подписано соглашение между центром космической погоды ФГБУ «Институт прикладной геофизики им. академика Е.К.Фёдорова» и центром космической погоды Китайской метеослужбы. На базе соглашения создан Российско-Китайский консорциум (CRC) по обеспечению международной аэронавигации оперативными данными о космической погоде. 27 апреля 2020 года на заседании Совета ИКАО принято решение о назначении Российско-Китайского Консорциума четвертым глобальным центром ИКАО, наряду с тремя существующими глобальными центрами:
─ США (Боулдер),
─ Европейский консорциум PECASUS (Finland, Belgium, Germany, Italy, Austria, Poland, Cyprus, UK, The Netherlands)
─ Консорциум ACFJ (Australia, Canada, France and Japan).
4 Контроль космической погоды
Несомненное и всё возрастающее значение явлений космической погоды для эксплуатации космических аппаратов, авиаперевозок, связи и геолокации послужило основой для принятия целого ряда решений в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО, англ. World Meteorological Organization) и Международной организации гражданской авиации (ИКАО, англ. International Civil Aviation Organization) – специализированного учреждения ООН, устанавливающего международные нормы гражданской авиации и координирующего её развитие с целью повышения безопасности и эффективности. Исполнительный совет ВМО в 2010 г. поручил КОС (Комиссия по основным системам) и КАМ (Комиссия по авиационной метеорологии) разработать планы деятельности ВМО в области космической погоды. В ходе рассмотрения было принято решение об учреждении Межпрограммной группы по космической погоде (МКГКП) с участием экспертов. ИКАО также выразила желание участвовать в работе МКГКП [Алпатов, Репин 2021: 6].
Геофизический мониторинг за рубежом осуществляется в рамках центров предупреждений о явлениях космической погоды, а международная координация мониторинга осуществляется ISES, в которую входит 14 стран-участниц и Европейское космическое агентство.
В 2010 году в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО) образована Межпрограммная координационная группа по космической погоде (ICTSW). Основной задачей этой группы является координация работ по диагностике и прогнозу гелиогеофизических возмущений, обеспечения сбора такой информации и свободного ее распространения.
В настоящее время Институт прикладной геофизики им. академика Е.К.Фёдорова (ФГБУ «ИПГ») является ведущим институтом страны по изучению и прогнозированию обстановки в ОКП, головной организацией Росгидромета по ионосферным, магнитным и гелиогеофизическим наблюдениям. Учреждение выполняет функции Гелиогеофизической службы России (Приказ начальника ГУ Гидрометслужбы СМ СССР №291 от 28.12.1973, РД 52.04.567-2003), является Федеральным информационно-аналитическим центром мониторинга геофизической обстановки над территорией РФ, где собираются солнечные и геофизические данные и даются прогнозы гелиогеофизической обстановки на ближайшие дни, недели, месяцы. Этот центр является частью Всемирной службы космической погоды [Алпатов, Репин 2021: 6].
В организациях Росгидромета к настоящему времени накоплен значительный опыт и потенциал исследования и контроля околоземной среды. Структура Гелиогеофизической службы представлена на рисунке 4. Она включает в себя:
космический сегмент, состоящий из различных КА в ионосфере и магнитосфере;
наземные измерительные средства (ионосферные станции, геомагнитные и солнечные обсерватории), расположенные в различных пунктах на территориии страны;
Федеральный информационно-аналитический Центр (ФИАЦ) в ФГБУ «ИПГ», обеспечивающий комплексную обработку, архивирование и распространение данных космических измерений и наземных наблюдений.
Рис. 4 - Структура Гелиогеофизической службы Росгидромета
Основным источником получения метеорологической, геофизической информации об атмосфере и поверхности Земли является аппаратура наземной сети наблюдений, которая непрерывно развивается. В то же время источниками получения оперативной информации являются аппаратные комплексы самолётного и космического базирования (космические аппараты дистанционного зондирования Земли). В состав наземного сегмента
Гелиогеофизической службы Росгидромета входят [Алпатов, Репин 2021: 6; Репин, Алпатов, Ткаченко, Сосунова, Ежергин, Соловьёва, Крестников, Соловьёв 2020, 205].
солнечные обсерватории (Москва, Нижний Новгород, Кисловодск, Иркутск, а также – Киев, Ташкент);
ионосферные обсерватории (Москва, Санкт-Петербург, Мурманск, Ростов-на-Дону, Екатеринбург, Новосибирск, Томск, Красноярск, Магадан, Петропавловск-Камчатский, полярные и приполярные, а также – Ашхабад);
геомагнитные станции (Москва, Санкт-Петербург, Мурманск, Новосибирск, Томск, Красноярск, Магадан, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Тикси, полярные и приполярные).
Существующий космический сегмент
Гелиогеофизической службы пока не обладает всеми требуемыми возможностями. Диагностические комплексы, установленные на борту КА «Электро» и «Метеор», обеспечивают контроль основных параметров ОКП в естественных условиях, в т.ч.:
уровня радиации в космосе;
состояния ионосферной плазмы;
плотности и состава верхней атмосферы, состояния озонового слоя;
уровня электромагнитных излучений.
Федеральный информационно-аналитический Центр (ФИАЦ) Гелиогеофизической службы Росгидромета, являясь одним из пяти мировых геофизических центров, получает в порядке обмена всю доступную информацию зарубежных источников. На рисунке 5 представлен интерфейс сайта ФГБУ «ИПГ» [Алпатов, Репин 2021: 6; Репин, Алпатов, Ткаченко, Сосунова, Ежергин, Соловьёва, Крестников, Соловьёв 2020, 205].
Рис. 5 - Интерфейс сайта ФГБУ «ИПГ»
5 Потребители информации о космической погоде
Для исследования и прогнозирования «космической погоды» в России имеются наземные космические средства (наземные станции), а также небольшая орбитальная группировка космических аппаратов, оснащенных гелиогеофизической аппаратурой, - это космические аппараты «Метеор» и «Электро-Л». Часть информации получается по международным официальным каналам обмена Всемирной метеорологической организации. На основании всех данных делается ежедневная оперативная сводка гелиогеофизической службы, которая рассылается в 200 организаций федеральных органов исполнительной власти, в том числе в Администрацию Президента, Минобороны России и в МЧС России [Алпатов, Репин 2021: 6].
Одним из основных потребителей информации Федерального информационно-аналитического центра ФГБУ «ИПГ» (наряду с гидрометеорологическими организациями) является Главный центр управления космическими аппаратами им Г.С.Титова.
В геофизическую службу этого центра оперативно поставляется следующая информация:
уровень солнечной активности;
уровень радиации в космосе (для пилотируемых КА);
состояние ионосферной плазмы;
плотность и состав верхней атмосферы (для низкоорбитальных КА);
уровень электромагнитных излучений (для бортовой аппаратуры КА) и др.
Также одним из основных потребителей гелиогеофизической информации является МЧС России (рис.6,7). На рисунке 7 (крайний левый экран ситуационной обстановки – рисунок 6) представлена геофизическая информация, поступающая в оперативном режиме из ФГБУ «ИПГ».
Рис. 6 – Ежедневная оперативная сводка гелиогеофизической службы о космической погоде, представляемая в Центр управления в кризисных ситуациях
(ФКУ "ЦУКС ГУ МЧС России по г. Москве")
Рис. 7 - Геофизическая информация, поступающая в оперативном режиме
из ФГБУ «ИПГ»
Оперативная геофизическая информация, представляемая в Центр управления в кризисных ситуациях (ФКУ «ЦУКС ГУ МЧС России по г. Москве») [Алпатов, Репин 2021: 6]:
степень возмущённости магнитного поля Земли,
уровень опасности от потоков энергичных протонов солнечных вспышек,
влияние солнечных рентгеновских всплесков на ионосферу Земли,
возмущённость космической погоды за последние 24 часа,
планетарные Kp-индексы (за последние 24 часа),
плотность потока протонов (за последние 24 часа),
поток рентгеновского излучения Солнца (за последние 3 дня),
наукастинг появления геоэффективных потоков протонов,
потоки частиц по данным КА Электро-Л,
состояние ионосферы по модели SIMP.
Также реализована схема рассылки оповещений о состоянии «космической погоды» другим потребителям; в нее входит экстренная информация:
потоки протонов в ОКП,
геомагнитная обстановка,
состояние ионосферы.
Список рассылки реализуется через GSM–сеть (телефонные номера) и через адреса электронной почты.