Pogoda kosmiczna

Jak podkreślają amerykańscy specjaliści i inżynierowie, aby skutecznie operować w przestrzeni kosmicznej należy znać panujące w niej warunki. Dlatego jednym z pierwszych kroków stało się badanie pogody kosmicznej dzięki specjalnym satelitom i systemom naziemnym. W USA zajmują się tym m.in. NOAA, NASA, Narodowa Fundacja Nauki, Siły Kosmiczne, USAF czy inne instytucje. I choć zakres ich działalności jest różny, to one ściśle ze sobą współpracują. Trzeba w tym miejscu podkreślić, że samo przewidywanie pogody kosmicznej i jej skutków może być bardzo trudne (zresztą podobnie, jak pogody na Ziemi).

Weźmy pod uwagę centralną gwiazdę w naszym Układzie Słonecznym – Słońce. Poprzez rozbłyski jest bowiem w stanie przyspieszać protony, elektrony do niezwykle wysokich prędkości. A gdy uderzają one w np. statek kosmiczny lub satelitę, są w stanie uszkodzić panele słoneczne, a także osprzęt wewnętrzny. Ponieważ promieniowanie słoneczne nie jest stabilne, cała interakcja pomiędzy Słońcem, wiatrem słonecznym, polem magnetycznym Ziemi, jonosferą i górnymi warstwami atmosfery ulega również stałym zmianom i trudno jest przewidzieć wpływ oraz potencjalne szkody.

Dla satelitów pogoda kosmiczna może stanowić kilka potencjalnych zagrożeń. Dla przykładu wpływ szczątkowej atmosfery na niskiej orbicie okołoziemskiej może spowodować wytrącenie obiektu z zadanej orbity. Po drugie może nastąpić zniszczenie lub awaria jego systemów zadaniowych po pewnym czasie w wyniku przyjmowanego promieniowania. Ponadto istnieje wiele zagrożeń radiacyjnych wobec satelitów, powodujących zniekształcenie sygnału nadawczego lub odbiorczego czy utratę niektórych parametrów ich pracy. Ma to szczególne znaczenie w wypadku satelitów przesyłających sygnał pozycjonowania. I o ile większość ludzi nie zauważy tymczasowej usterki w swoim GPS-ie, to w wypadku wykonywania precyzyjnego pomiaru (jakim podlegają systemy uzbrojenia) ma to olbrzymie znaczenie. W przypadku jednostek systemów pozycjonowania takich jak GPS już jedna nanosekunda błędu odpowiada kilku centymetrom błędu na Ziemi, ale w przypadku 100 nanosekund, odchylenie dochodzi do nawet kilku metrów.

Utrudnienia w eksploracji

Pole magnetyczne Ziemi działa jako bariera ochronna dla ludzi. Ponadto sama Ziemia jest otoczona przez pasy radiacyjne Van Allena składające się z uwięzionych i energetycznie naładowanych cząstek schwytanych przez nasze pole magnetyczne. Te pasy radiacyjne mogą wpływać na wszystko począwszy od satelitów po takie obiekty jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), która jest nieco bardziej narażona podczas przelotu nad tzw. anomalią południowoatlantycką. Jeżeli damy więcej cząstek tj. energii w górne warstwy atmosfery, nastąpi podniesienie jej temperatury i proces rozszerzania. Wówczas gęstość atmosfery wzrasta tam, gdzie są satelity, a to może spowodować stopniowe wyhamowywanie. Bez wykonania manewrów korygujących nastąpi wypadnięcie z zadanej orbity, a w konsekwencji nawet spalenie opadającego satelity w ziemskiej atmosferze.

Burza magnetyczna, która w lutym rozgrzała i zwiększyła gęstość górnych warstw atmosfery, doprowadziła do utraty 40 z 49 satelitów Starlink umieszczonych na niskiej orbicie przez firmę SpaceX. I to pomimo prób manewrowania nimi przez umieszczenie w „bezpiecznej" konfiguracji. Satelity na wyższych orbitach, takie jak przykładowo powiązane z systemem pozycjonowania GPS, nie są tak „wrażliwe" na zmiany w atmosferze, ale w tym przypadku pogoda kosmiczna może stwarzać inne zagrożenia. Przykładowo oddziaływające na nie promieniowanie powoduje z czasem wytrącenie ich z zadanych trajektorii. Również ich powierzchnie bombardowane są ładunkami (powodującymi ich naładowanie), które mogą spowodować powstawanie fałszywych sygnałów lub doprowadzić do uszkodzenia satelity.

Odpowiedzią inżynierów na te zagrożenia jest opracowanie wyższych napięciowo paneli słonecznych czy powszechna miniaturyzacja podzespołów i części składowych. Modele opracowane w ramach badań umożliwią określenie poziomu naładowania statku kosmicznego podczas przechodzenia przez pola magnetyczne Słońca i innych planet. Mogą też wpłynąć na ładunki użyteczne, wybierane w przyszłych statkach kosmicznych, pozwalając na określenie pomiarów o największej wartości diagnostycznej, a tym samym udoskonalenie prognoz dokonywanych przy pomocy modeli.

Co istotne to znajomość otoczenia satelity pozwala wykluczyć celowe oddziaływania na niego ze strony człowieka (chociażby naszego przeciwnika). Może on bowiem wykorzystać to zjawisko fizyczne, by w tzw. białych rękawiczkach powoli niszczyć nasze systemy kosmiczne. Energetyczne cząstki słoneczne, czyli o bardzo wysokiej energii protony i ciężkie jony, które mogą być przyspieszane w pobliżu Słońca i w przestrzeni międzyplanetarnej, dość często są związane z koronalnymi wyrzutami masy z naszej gwiazdy.

Z poziomem promieniowania kosmicznego niewiele możemy sobie poradzić. Jego poziom rośnie i spada wraz z 11-letnim cyklem słonecznym. Najbardziej odczuwalne jest ono wobec sztucznych obiektów znajdujących się poza ochroną ziemskiego pola magnetycznego przez dłuższy czas, dlatego stanowi ono istotny problem dla planowanych misji załogowych np. na Księżyc lub Marsa. Nasze Słońce rozpoczęło nowy cykl słoneczny w 2019 roku i szczyt jest przewidywany na lato 2025 roku. Burze słoneczne mogą wystąpić w dowolnym momencie w trakcie całego cyklu, ale są one bardziej prawdopodobne podczas maksimum, co może oznaczać, że więcej energii słonecznej wpłynie na prowadzone operacje sztucznych obiektów kosmicznych.

Co dalej?

Po dzień dzisiejszy ludzie nie potrafią przewidzieć dokładnego terminu lub intensywność cykli słonecznych. Możemy obserwować plamy słoneczne, czyli te obszary, w których wiemy, że powstaje w nich dużo energii, ale nie możemy dokładnie przewidzieć, kiedy ta energia będzie wyzwolona. Tylko wybrane instrumenty badawcze są w stanie dokonać pomiaru, ale poza ich polem widzenia nie wiemy nic, aż do czasu pojawienia się anomalii w pobliżu Ziemi, a to może zająć nawet kilka dni. Również trudny do przewidzenia jest kierunek pola magnetycznego w wyrzucie. Dopiero gdy cząstki miną punkt L1 układu Ziemia-Słońce, to dowiadujemy się o zagrożeniu, ale wtedy mamy już tylko 30-40 minut czasu na reakcję.

Dziś NASA, NOAA, agencje kosmiczne z Wielkiej Brytanii i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) pracują nad zbudowaniem statku kosmicznego, który stacjonowałby w L5 Punkt Lagrange'a z przeznaczeniem do obserwacji wyrzucanej masy koronalnej z boku, tak aby zapewnić szybsze reagowanie na pojawiające się zagrożenie. Również w ramach projektu Environment for Human Exploration and Robotic Experimentation in Space (EHEROES), finansowanego ze środków UE, przeanalizowano zagrożenia płynące z wykorzystania kosmosu, wpływające nie tylko na ludzi, ale także na urządzenia.

Wszystkie prace poświęcone są badaniom związanym z koronalnymi wyrzutami masy i burzami energetycznymi cząstek słonecznych. Analizuje się nagrzewanie korony, rozbłyski słoneczne, obszary wybuchów, trójwymiarową strukturę słonecznego pola magnetycznego nad obszarami wybuchów oraz zmienność napromieniowania słonecznego w czasie. Jednak wiele innych zjawisk pogody kosmicznej nadal stanowi zagadkę dla naukowców. Ostanie 20 lat badań, sporo wyjaśniło, ale najważniejsze odkrycia dopiero przed nami.