Déjà à la fin du programme Apollo, la NASA a décidé de lancer la première station orbitale (pour les États-Unis) dans l'espace. Tout allait bien et la troisième mission (
Skylab-4 ), qui s'est terminée en février 1974, a préparé la station à la conservation en élevant son orbite de 11 km (jusqu'à 433x455 km). Selon les prévisions de l'activité solaire de la NASA, la station devait rester en orbite jusqu'en 1983, lorsque le troisième vol de la
navette devait remonter son orbite. Mais il est vite devenu clair que le cycle solaire actuel serait plus fort que prévu. En septembre 1977,
il a été
décidé d' envoyer une mission sans pilote à la station pour lever l'orbite, et en octobre 1979, il était censé voler, mais hélas: la station a déjà quitté son orbite le 11 juillet de cette année.
Il s’agit de la plus grande conséquence de l’influence de la météo spatiale sur les activités humaines (et peut-être de la plus grande erreur de calcul de la NASA dans les prévisions de toute son histoire), qui a entraîné la perte de la station d’une valeur de 2,5 milliards de dollars. Le deuxième événement, en gravité, s'est avéré être une coupure de courant de 9 heures dans la province de Québec (Canada) en 1989, qui a touché 6 millions de personnes (les dégâts sont estimés
à 30 millions de dollars ). Dans la suite de l'article sur
l'activité solaire , je parlerai de la manière dont la météo spatiale (qui en est la manifestation) affecte l'activité humaine.
D'une manière ou d'une autre, la plupart des manifestations de la météo spatiale sont liées au champ magnétique terrestre, je suggère donc de commencer par un examen de sa structure:
Magnétosphère terrestre
L'interaction du vent solaire (et des émissions coronales) avec le champ magnétique terrestre commence à une distance d'environ 10 rayons terrestres, la formation d'une onde de choc de tête. À ce stade, le flux supersonique de particules ionisées est fortement inhibé à la vitesse subsonique et se condense. Pendant le minimum du cycle de 11 ans, l'onde de choc s'éloigne de la Terre (en raison de l'affaiblissement du vent solaire), pendant le maximum qu'elle s'approche de la Terre.
Dans la région de magnétopause, le champ magnétique de la Terre est finalement supérieur en intensité au champ solaire, et les particules chargées commencent à se déplacer le long de ses lignes d'induction (il y a une magnéto-gaine entre ces régions). De l'autre côté du Soleil se trouve une queue magnétique, qui peut être retracée à mille rayons terrestres.
L'inclinaison de l'axe de la Terre (23 °) et la déviation des pôles géomagnétiques par rapport à cette ligne (encore 11 °) conduisent au fait que le
dipôle magnétique de la Terre s'incline par rapport au plan écliptique d'environ ± 35 ° au cours (cela n'est pas montré sur le diagramme).
La plupart des particules chargées enveloppent librement le champ magnétique, mais parfois lorsque des perturbations externes du champ conduisent à la
reconnexion du champ magnétique, les particules chargées sont rejetées dans les cuspides polaires, en même temps que la formation d'
aurores ). La substance capturée de cette manière est la principale source de particules chargées dans la plasmasphère terrestre (régions contenant du plasma froid).
L'importance du champ magnétique pour protéger la planète et les astronautes des effets nocifs du soleil est fortement exagérée. Ainsi, Mars (qui n'a pas de champ magnétique complet), pendant le processus de
dissipation , perd
environ 8,5 tonnes de son atmosphère par jour, tandis que la Terre perd
environ 90 tonnes . La protection des cosmonautes contre les rayons cosmiques solaires est de 200 à 10 000 fois, mais la protection contre les émissions coronales n'est que de 10 à 20 fois (avec moins de protection, des événements d'une plus grande gravité correspondent). Cela ne peut être comparé à la protection de l'atmosphère, qui est de plusieurs ordres de grandeur.
Ceintures de radiation de la Terre
La ceinture de rayonnement externe se compose principalement d'électrons, avec des énergies de plusieurs dizaines de
keV , et s'étend à une distance de 13 à 60 000 km de la Terre. La ceinture intérieure se compose principalement de protons avec des énergies de plusieurs dizaines de MeV, et s'étend sur une distance de 1 à 6 000 km, mais dans les régions d'anomalies magnétiques, cette ceinture peut considérablement «s'affaisser»:
La plus importante de ces anomalies est l'anomalie de l'Atlantique Sud (
SAA ), dans laquelle la ceinture de rayonnement interne tombe à une altitude de 200 km. Il est la principale source de pannes des satellites en orbite basse et contribue pour une part importante à l'irradiation des astronautes (environ 15-20%).
La principale source de particules dans les ceintures de rayonnement de la Terre sont des particules de vent cosmique qui y pénètrent à travers les cuspides polaires. Cependant, il existe un certain nombre d'autres sources: l'interaction des
rayons cosmiques galactiques avec les particules atmosphériques forme des flux de particules secondaires (apportant la principale contribution aux protons avec une énergie de 20-30 MeV et aux électrons avec une énergie de 0,1-1 GeV); rayons cosmiques anormaux (qui sont des atomes individuellement ou doublement chargés avec une énergie de l'ordre de 10-20 MeV); éruptions solaires (contribution aux protons avec des énergies supérieures à 1 MeV); ionosphère (particules dont les énergies peuvent atteindre plusieurs centaines de keV).
Éruptions solaires et éjections de masse coronale
Les éruptions solaires se propagent à la vitesse de la lumière et atteignent la Terre en 8,5 minutes. Les rayons solaires cosmiques arrivent sur Terre en quelques heures. Cependant, la principale source de tempêtes magnétiques (émissions coronales) se propage en moyenne à une vitesse de 470 km / s, avec une vitesse maximale d'un peu plus de 3000 km / s, ce qui donne l'heure d'arrivée de la tempête principale à la Terre dans la plage de 0,5 à 5 jours.
Le développement ultérieur des événements dépend fortement de la direction du champ magnétique de l'éjection coronale: s'il est aligné avec le champ magnétique terrestre, le flux de particules chargées pour la plupart l'enveloppe simplement; s'ils sont dirigés dans des directions opposées, le flux de particules commence à ralentir intensément, tout en appuyant simultanément l'onde de choc de la tête plus près de la Terre (jusqu'à 6-8 rayons terrestres en moyenne). Dans le cas des orages géomagnétiques les plus
puissants , l'onde de choc peut être pressée presque dans l'atmosphère elle-même:
Tempêtes géomagnétiques
De 0 à 8 tempêtes géomagnétiques peuvent survenir par mois (selon la période du cycle de 11 ans). Les perturbations du champ magnétique créé lors de la tempête sont inégales et croissent d'un minimum à l'équateur à un maximum aux latitudes 62-67 °. La puissance moyenne d'entrée d'énergie dans la magnétosphère (à travers le vent solaire) est de 3 * 10
11 W (c'est un ordre de grandeur inférieur à la production d'
électricité actuelle dans le monde). Dans ce cas, l'énergie totale d'une seule
tempête géomagnétique peut atteindre 2 * 10
21 J, mais sa libération dure plusieurs jours, donc les perturbations magnétiques pendant les tempêtes sont plutôt faibles. Mais les courants géo-induits (
GIT ) qu'ils génèrent dans de longues lignes conductrices peuvent atteindre des dizaines et des centaines d'ampères, conduisant à un certain nombre d'effets indésirables:
Dans les lignes électriques, de tels courants vagabonds peuvent entraîner une augmentation de l'échauffement des transformateurs, une diminution de leur efficacité, voire une défaillance (le cas le plus significatif était celui du Québec,
13 mars 1989 ). Dans le cas des lignes de communication - cela peut provoquer des interférences, jusqu'à une perte complète de communication pendant plusieurs heures / jours (le cas le plus significatif s'est produit le
1-2 septembre 1859, 23 ans avant l'
apparition de la
première centrale électrique dans le monde, donc les dégâts n'étaient pas si importants) . Dans le cas des pipelines, cela peut entraîner une diminution de l'efficacité de
la protection cathodique conçue pour lutter contre la corrosion (cet effet est de nature cumulative et n'apparaît pas immédiatement). Dans le cas des chemins de fer, cela peut désactiver diverses automatisations connectées à la voie ferrée.
Cependant, ces courants ne sont pas transcendantaux, et leur prise en compte lors de la conception des lignes conductrices, couplée à diverses méthodes techniques - permet d'éviter les pannes d'équipements même en cas de tempêtes géomagnétiques les plus sévères. Les tempêtes conduisent également à un autre phénomène intéressant:
Aurora
Un remplissage excessif du «piège magnétique» de la Terre lors des éjections coronales conduit à la précipitation de particules chargées dans l'atmosphère, dans les régions des pôles de la Terre. Face aux atomes de l'atmosphère, ils provoquent leur
ionisation , et déjà ces atomes émettent de la lumière. Dans l'atmosphère terrestre, les atomes d'azote et d'oxygène sont principalement responsables de ce processus, qui détermine la couleur verdâtre des aurores, sur d'
autres planètes, la couleur des aurores peut être complètement différente (en raison de la composition différente de leur atmosphère).
Photo prise par
Jack Fisher du
module Kupol de l' ISS
L'effet des particules chargées conduit non seulement à une belle lueur, mais aussi à un blocage presque complet de
la communication à
ondes courtes dans les régions polaires pendant plusieurs jours (en raison de la perturbation du processus de réflexion du signal de l'ionosphère). Ces effets affectent également le rayonnement de longueur d'onde plus courte: ainsi, le ralentissement du processus de
propagation des ondes décimétriques à travers l'ionosphère conduit au fait que la précision
des systèmes de navigation par satellite peut chuter d'un ordre de grandeur (jusqu'à 50 m) dans ces zones.
La deuxième industrie, en termes d'exposition aux rayonnements de ses travailleurs, n'est pas nucléaire (comme beaucoup pourraient le penser), mais l'
aviation : aux altitudes utilisées par
l'aviation civile (environ 10 km), la majeure partie de l'atmosphère, qui protège bien tous les types de
rayons cosmiques , est sous vous. Mais même ainsi, la dose moyenne au personnel navigant aux États-Unis n'est que de
3,01 mSv / an (ce qui est toujours 6,5 fois inférieur à nos
normes et 2 fois inférieur aux normes de l'UE). Pour les passagers ordinaires, qui ne passent pas une partie importante de leur vie dans le ciel, dans la plupart des cas, il n'y a rien à craindre.
Cependant, lors d'une tempête géomagnétique, la situation peut changer radicalement: des particules chargées pénétrant dans l'atmosphère génèrent du
bremsstrahlung , qui est toujours en sécurité à la surface de la Terre, mais aux altitudes auxquelles le vol a lieu, le fond de rayonnement augmente de manière significative et il faut en tenir compte. Cela conduit au fait que les trajectoires de vol, passant près des pôles de la Terre, pendant ces périodes de temps peuvent considérablement se déplacer vers l'équateur (ceci est également dû au désir d'éviter les zones où la communication avec les avions peut être perturbée). Heureusement, ce type de vols est déjà assez important (données pour 2009):
Afin de calculer la dose que vous pouvez recevoir pendant le vol, la
Federal Aviation Administration des États -
Unis a publié une
application spéciale.
Impact sur la terre
La luminosité totale du Soleil au cours du cycle de 11 ans ne change que de 0,1%, cependant, dans des zones spécifiques, les changements peuvent être beaucoup plus élevés: par exemple, les changements dans la gamme ultraviolette du spectre peuvent être de 6 à 8% et conduire à une augmentation de la production d'ozone dans l'atmosphère terrestre (étant des gaz à effet de serre) lors des pics solaires. D'autre part, cette période de temps s'accompagne d'une augmentation des aurores durant lesquelles les particules chargées peuvent pénétrer jusqu'à des hauteurs de 25 à 30 km et provoquer la destruction de l'ozone dans les régions polaires (jusqu'à 20% de la concentration totale dans un événement).
Une autre façon éprouvée d'influencer l'atmosphère est la nébulosité (bien que ce ne soit pas un effet direct, mais un effet indirect). Il ressemble à ceci: un flux de rayons cosmiques galactiques, entrant en collision avec des particules de l'atmosphère, forme une pluie de particules secondaires, dont le maximum est observé dans la région de la limite supérieure de la
troposphère . Ces particules secondaires deviennent des points de condensation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère, ce qui conduit à la formation de
nuages . Nuages - réduisez la transparence moyenne de notre atmosphère. En conséquence, pendant un maximum solaire, la transparence de l'atmosphère augmente et pendant un minimum elle diminue.
Au cours de l'expérience de 10 ans
«CLOUD» (menée au
CERN ), il a été constaté que bien que les rayons cosmiques contribuent de manière significative à la formation des nuages, leur influence est loin d'être la seule: des sources de noyaux de condensation peuvent être créées lors de diverses réactions chimiques de l'acide sulfurique, l'ammoniac et les composés organiques qui sont rejetés dans l'air par les organismes vivants et au cours de l'activité humaine.
Impact sur l'astronautique
Pour les véhicules à orbite basse, les variations de la densité de la haute atmosphère au cours du cycle de 11 ans constituent la plus grande menace: jusqu'à une hauteur d'environ 150 km, l'influence du Soleil sur la densité de l'atmosphère est minime, mais à partir de cette hauteur, elle commence à croître, atteignant une différence d'un ordre de grandeur entre le solaire minimum et maximum (au maximum, il s'avère plus dense en raison d'une augmentation de la densité du vent solaire et du rayonnement ultraviolet). Cela peut amener les appareils à
augmenter la fréquence des manœuvres orbitales pour maintenir leur orbite de 4 fois par an (pendant le minimum solaire) à une fois toutes les 2-3 semaines (pendant le maximum).
Comparaison de la durée de vie des KORONAS-I (ci-dessus) et KORONAS-F (ci-dessous),
lancés sur une orbite polaire avec une altitude d'environ 500 km, près du minimum et du maximum du 23e
cycle solaire, respectivement.
Une autre menace est les fusées éclairantes et les éjections coronales, qui créent une charge de rayonnement pour les astronautes et les appareils automatiques. Ils surviennent le plus souvent pendant le cycle solaire maximal. Cependant, parallèlement à cela, le flux du vent solaire augmente, ce qui rend l'
héliosphère solaire plus dense et augmente légèrement sa taille (dont les pulsations ont été enregistrées par
les Voyagers ). Cela, à son tour, augmente le filtrage du flux de rayons cosmiques galactiques (qui viennent du système solaire de l'extérieur) et réduit leur flux. Ainsi, la dose totale de rayonnement reçue par les astronautes en orbite terrestre basse diminue même pendant le maximum solaire:
L'électricité statique représente une menace distincte pour l'appareil, qui se produit lorsqu'ils sont bombardés par des électrons arrivant sur nous avec le vent solaire, des émissions coronales ou déversés de la ceinture de rayonnement externe lors de perturbations du champ magnétique terrestre.
Les plus sévères sont
les satellites
géostationnaires , dont l'orbite (de 6,6 rayons terrestres) lors de grandes tempêtes géomagnétiques s'étend au-delà de la tête de l'onde de choc (devant elle). Ainsi, ils sont obligés de traverser périodiquement les régions les plus perturbées de la magnétosphère terrestre et présentent un flux direct d'éjections de masse coronaire. Cela impose des restrictions sévères sur la résistance aux rayonnements pour la
base de
données élémentaire des appareils, et la nécessité d'une attention particulière à la protection contre l'électricité statique, puisque les appareils sur cette orbite doivent exister pendant des décennies.
Prévisions météorologiques spatiales
Les prévisions les plus éloignées utilisées en pratique sont celles de 45 et 27 jours. Bien qu'ils soient de faible précision, ils sont déjà utilisés dans la planification des activités des astronautes: il est basé sur la répartition de leur travail afin que les astronautes partent dans l'espace à un moment où le Soleil se tourne vers nous avec la zone la moins active (avec le moins de spots).
La précision de la prévision à 3 jours atteint déjà 30 à 50%, mais la précision maximale (environ 95% et plus) ne peut être obtenue que par la prévision horaire obtenue des satellites au point de Lagrange L
1 (1,5 million de km de la Terre) vers le soleil). Il existe maintenant deux satellites de ce type: l'
ACE lancé le 25 août 1997 et le dispositif
DSCOVR , récemment lancé en orbite (9 février 2015). Ces indicateurs de faible précision sont dus au fait que le champ magnétique interplanétaire créé par le Soleil en rotation est de la nature d'une structure en spirale:
Et les éjections de masse coronale (déviées par ce champ magnétique) peuvent, au dernier moment, «faire le tour» de la Terre, tout en attrapant cet appareil. Le problème de l'obtention de prévisions précises à 3 jours est l'hétérogénéité de ce champ magnétique, qui complique la tâche de prédire la propagation des éjections coronales.
L'histoire de Denis Rogov, un employé de l'Institut de recherche arctique et antarctique, sur la météo spatiale.Sun Tracking Services, divers pays:
NOAA Space Weather Forecasting Center (États-Unis):
http://www.swpc.noaa.gov/Programme ESA de sensibilisation à l'espace (UE):
http://swe.ssa.esa.int/Projet conjoint de
Roscosmos et
LPI (Russie):
www.tesis.lebedev.ruProjet du Département de physique des plasmas spatiaux,
IKI RAS (Russie):
www.spaceweather.ruCentre d'analyse d'impact solaire (Belgique):
sidc.oma.beBureau australien de métrologie:
www.sws.bom.gov.auService international de météorologie spatiale (ISES):
www.spaceweather.orgMinistère des Ressources naturelles du Canada:
www.spaceweather.gc.caOrganisation commerciale distincte
www.spaceweather.com