Sudah pada penutupan program Apollo, NASA memutuskan untuk meluncurkan stasiun orbital pertama (untuk AS) ke luar angkasa. Semuanya berjalan dengan baik, dan misi ketiga (
Skylab-4 ), yang berakhir pada Februari 1974, mempersiapkan stasiun untuk konservasi dengan menaikkan orbitnya sejauh 11 km (hingga 433x455 km). Menurut perkiraan aktivitas matahari NASA, stasiun itu seharusnya tetap berada di orbit sampai tahun 1983, ketika penerbangan ulang-
alik ketiga akan menaikkan orbitnya lagi. Tetapi segera menjadi jelas bahwa siklus matahari saat ini akan lebih kuat dari yang diharapkan. Pada bulan September 1977,
diputuskan untuk mengirim misi tak berawak ke stasiun untuk mengangkat orbit, dan pada Oktober 1979 seharusnya terbang, tetapi sayangnya: stasiun meninggalkan orbitnya pada 11 Juli tahun ini.
Ini adalah konsekuensi terbesar dari pengaruh cuaca luar angkasa pada aktivitas manusia (dan mungkin salah perhitungan NASA dalam perkiraan untuk seluruh sejarahnya), yang menyebabkan hilangnya stasiun bernilai $ 2,5 miliar. Peristiwa kedua, dalam keparahan, ternyata pemadaman listrik selama 9 jam di provinsi Quebec (Kanada) pada tahun 1989, yang mempengaruhi 6 juta orang (kerusakan diperkirakan
mencapai $ 30 juta ). Dalam kelanjutan artikel tentang
aktivitas matahari , saya akan berbicara tentang bagaimana cuaca ruang (yang merupakan manifestasinya) mempengaruhi aktivitas manusia.
Dengan satu atau lain cara, sebagian besar manifestasi cuaca luar angkasa terkait dengan medan magnet Bumi, jadi saya sarankan mulai dengan pemeriksaan strukturnya:
Magnetosfer bumi
Interaksi angin matahari (dan emisi koronal) dengan medan magnet bumi dimulai pada jarak sekitar 10 jari-jari Bumi, pembentukan gelombang kejut kepala. Pada titik ini, aliran supersonik dari partikel terionisasi secara tajam terhambat pada kecepatan subsonik, dan mengembun. Selama minimum siklus 11 tahun, gelombang kejut bergerak lebih jauh dari Bumi (karena melemahnya aliran angin matahari), selama maksimum mendekati Bumi.
Di daerah magnetopause, medan magnet Bumi akhirnya unggul dalam kekuatannya terhadap medan surya, dan partikel bermuatan mulai bergerak di sepanjang garis induksinya (ada magnetosheath di antara wilayah ini). Di sisi berlawanan dari Matahari adalah ekor magnetik, yang dapat ditelusuri ke seribu jari-jari terestrial.
Kemiringan sumbu Bumi (23 °), dan deviasi kutub geomagnetik dari garis ini (11 ° lainnya) mengarah pada fakta bahwa
dipol magnetik Bumi miring sekitar ± 35 ° relatif terhadap bidang ekliptik di jalur (ini tidak ditunjukkan dalam diagram).
Sebagian besar partikel bermuatan menyelimuti medan magnet tanpa halangan, tetapi pada saat ketika gangguan eksternal mengarah pada
penyambungan kembali medan magnet, partikel bermuatan dibuang ke puncak kutub, terkait dengan pembentukan
aurora ). Zat yang ditangkap dengan cara ini adalah sumber utama partikel bermuatan di plasma bumi (wilayah yang mengandung plasma dingin).
Pentingnya medan magnet dalam hal melindungi planet dan astronot dari efek berbahaya matahari sangat dibesar-besarkan. Jadi Mars (yang tidak memiliki medan magnet penuh), selama proses
disipasi kehilangan
sekitar 8,5 ton atmosfernya per hari, sedangkan Bumi kehilangan
sekitar 90 ton . Perlindungan kosmonot dari sinar kosmik matahari adalah 200 - 10.000 kali, tetapi perlindungan terhadap emisi koronal hanya 10 - 20 kali (dengan perlindungan yang lebih sedikit, kejadian dengan tingkat keparahan yang lebih besar). Ini tidak bisa dibandingkan dengan perlindungan atmosfer, yang banyak urutan besarnya.
Sabuk radiasi bumi
Sabuk radiasi eksternal sebagian besar terdiri dari elektron, dengan energi beberapa puluh
keV , dan memanjang pada jarak 13-60 ribu km dari Bumi. Sabuk bagian dalam terutama terdiri dari proton dengan energi beberapa puluh MeV, dan memanjang lebih dari jarak 1-6 ribu km, tetapi di wilayah anomali magnetik sabuk ini secara signifikan dapat “melorot”:
Yang paling signifikan dari anomali ini adalah South Atlantic Anomaly (
SAA ), di mana sabuk radiasi internal turun ke ketinggian 200 km. Ini adalah sumber utama kegagalan di satelit orbit rendah, dan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap iradiasi astronot (sekitar 15-20%).
Sumber utama partikel di sabuk radiasi Bumi adalah partikel angin kosmik yang menembus di sana melalui titik kutub. Namun, ada sejumlah sumber lain: interaksi
sinar kosmik galaksi dengan partikel atmosfer membentuk aliran partikel sekunder (membuat kontribusi utama pada proton dengan energi 20-30 MeV, dan elektron dengan energi 0,1-1 GeV); sinar kosmik abnormal (yang merupakan atom bermuatan tunggal atau dua kali lipat dengan energi orde 10-20 MeV); solar flare (kontribusi terhadap proton dengan energi di atas 1 MeV); ionosfer (partikel dengan energi hingga beberapa ratus keV).
Suar matahari dan ejeksi massa koronal
Suar matahari menyebar dengan kecepatan cahaya, dan mencapai Bumi dalam 8,5 menit. Sinar kosmik matahari tiba ke Bumi dalam beberapa jam. Namun, sumber utama badai magnetik (emisi koronal) merambat rata-rata pada kecepatan 470 km / dtk, dengan kecepatan maksimum hanya lebih dari 3.000 km / dtk, yang memberikan waktu kedatangan badai utama ke Bumi dalam kisaran 0,5-5 hari.
Perkembangan lebih lanjut dari peristiwa-peristiwa sangat tergantung pada arah medan magnet dari pengeluaran koronal: jika itu sejajar dengan medan magnet Bumi, maka aliran partikel bermuatan untuk sebagian besar hanya menyelimutinya; jika mereka diarahkan ke arah yang berlawanan, aliran partikel mulai melambat secara intensif, sementara secara bersamaan menekan gelombang kejut kepala lebih dekat ke Bumi (hingga 6-8 jari-jari Bumi rata-rata). Dalam kasus badai geomagnetik
yang paling
kuat , gelombang kejut dapat ditekan hampir ke atmosfer itu sendiri:
Badai geomagnetik
Dari 0 hingga 8 badai geomagnetik dapat terjadi per bulan (tergantung pada periode siklus 11 tahun). Gangguan medan magnet yang diciptakan selama badai tidak merata, dan tumbuh dari minimum di khatulistiwa menjadi maksimum di lintang 62-67 °. Daya rata-rata input energi ke magnetosfer (melalui angin matahari) adalah 3 * 10
11 W (ini adalah urutan besarnya kurang dari produksi
listrik saat ini di dunia). Dalam hal ini, energi total
badai geomagnetik tunggal dapat mencapai 2 * 10
21 J, tetapi pelepasannya berlangsung selama beberapa hari, sehingga gangguan magnetik selama badai agak lemah. Tetapi arus geoinduced (
GIT ) yang dihasilkan oleh mereka dalam jalur konduksi panjang dapat mencapai puluhan dan ratusan ampere, yang mengarah ke sejumlah efek yang tidak diinginkan:
Pada saluran listrik, arus yang menyimpang tersebut dapat menyebabkan peningkatan pemanasan transformator, mengurangi efisiensi, dan bahkan kegagalan (kasus yang paling signifikan adalah Quebec,
13 Maret 1989 ). Dalam kasus jalur komunikasi - ini dapat menyebabkan interferensi, hingga hilangnya komunikasi selama beberapa jam / hari (kasus yang paling signifikan terjadi pada
1-2 September 1859, 23 tahun sebelum
pembangkit listrik pertama muncul di dunia, sehingga kerusakannya tidak terlalu besar) . Dalam kasus pipa, ini dapat menyebabkan penurunan efektivitas
perlindungan katodik yang dirancang untuk memerangi korosi (efek ini bersifat kumulatif, dan tidak muncul segera). Dalam kasus kereta api, ini dapat menonaktifkan berbagai otomatisasi yang terhubung ke jalur kereta api.
Namun, arus ini bukan transendental, dan memperhitungkannya selama desain garis konduktif, ditambah dengan berbagai metode teknis - memungkinkan Anda untuk menghindari kegagalan peralatan bahkan dalam kasus badai geomagnetik yang paling parah. Badai juga menyebabkan fenomena menarik lainnya:
Auroras
Kelimpahan "perangkap magnetik" Bumi selama emisi koronal mengarah ke pengendapan partikel bermuatan ke atmosfer, di wilayah kutub bumi. Dihadapkan dengan atom-atom atmosfer, mereka menyebabkan
ionisasi mereka, dan sudah atom-atom ini memancarkan cahaya. Di atmosfer Bumi, atom nitrogen dan oksigen terutama bertanggung jawab untuk proses ini, yang menentukan warna kehijauan aurora, di
planet lain warna aurora bisa sangat berbeda (karena komposisi atmosfernya yang berbeda).
Foto diambil oleh
Jack Fisher dari
modul Kupol dari ISS
Efek dari partikel bermuatan tidak hanya mengarah ke cahaya yang indah, tetapi juga hampir sepenuhnya memblokir
komunikasi gelombang pendek di daerah kutub hingga beberapa hari (karena gangguan dalam proses refleksi sinyal dari ionosfer). Efek-efek ini juga memengaruhi panjang gelombang yang lebih pendek: dengan demikian, memperlambat proses
perambatan gelombang desimeter melalui ionosfer mengarah pada fakta bahwa keakuratan
sistem navigasi satelit dapat jatuh dengan urutan besarnya (hingga 50 m) di area ini.
Industri kedua, dalam hal paparan radiasi para pekerjanya, bukanlah nuklir (seperti yang diperkirakan banyak orang), tetapi
penerbangan : di ketinggian yang digunakan oleh
penerbangan sipil (sekitar 10 km), sebagian besar atmosfer, yang melindungi semua jenis
sinar kosmik dengan baik , ada di bawah Anda. Namun demikian, dosis rata-rata untuk personel penerbangan di Amerika Serikat hanya
3,01 mSv / tahun (yang masih 6,5 kali lebih rendah dari
standar kami, dan 2 kali lebih sedikit dari standar UE). Untuk penumpang biasa, yang tidak menghabiskan sebagian besar hidup mereka di langit, dalam banyak kasus tidak ada yang perlu ditakuti.
Namun, selama badai geomagnetik, situasinya dapat berubah secara dramatis: partikel bermuatan yang menembus ke atmosfer menghasilkan
bremsstrahlung , yang masih aman di permukaan bumi, tetapi pada ketinggian di mana penerbangan berlangsung, latar belakang radiasi meningkat secara signifikan, dan kita harus memperhitungkannya. Ini mengarah pada fakta bahwa jalur penerbangan, yang lewat di dekat kutub Bumi, selama periode waktu ini dapat secara signifikan bergeser ke arah khatulistiwa (ini juga disebabkan oleh keinginan untuk menghindari daerah-daerah di mana komunikasi dengan pesawat terbang mungkin terganggu). Untungnya, penerbangan semacam ini sudah sedikit (data untuk 2009):
Untuk tujuan menghitung dosis yang dapat Anda terima selama penerbangan,
Administrasi Penerbangan Federal AS telah merilis
aplikasi khusus.
Dampaknya di bumi
Total luminositas Matahari selama siklus 11 tahun hanya berubah 0,1%, namun, di area tertentu, perubahannya bisa jauh lebih tinggi: misalnya, perubahan dalam rentang spektrum ultraviolet bisa 6-8%, dan mengarah pada peningkatan produksi ozon di atmosfer Bumi. (Menjadi gas rumah kaca) selama tertinggi matahari. Di sisi lain, periode waktu ini disertai dengan peningkatan aurora di mana partikel bermuatan dapat menembus hingga ketinggian 25-30 km dan menyebabkan kerusakan ozon di wilayah kutub (hingga 20% dari total konsentrasi dalam satu peristiwa).
Cara lain yang terbukti untuk mempengaruhi atmosfer adalah kekeruhan (meskipun bukan efek langsung, tetapi tidak langsung). Kelihatannya seperti ini: aliran sinar kosmik galaksi, bertabrakan dengan partikel atmosfer, membentuk lapisan partikel sekunder, yang maksimum diamati di wilayah batas atas
troposfer . Partikel sekunder ini menjadi titik kondensasi uap air di atmosfer, yang mengarah pada pembentukan
awan . Awan - mengurangi transparansi rata-rata atmosfer kita. Akibatnya, selama maksimum matahari, transparansi atmosfer meningkat, dan selama minimum itu berkurang.
Selama percobaan 10 tahun
"CLOUD" (dilakukan di
CERN ), ditemukan bahwa meskipun sinar kosmik berkontribusi signifikan terhadap pembentukan awan, pengaruhnya jauh dari satu-satunya: sumber nukleus untuk kondensasi dapat dibuat selama berbagai reaksi kimia asam sulfat, amonia dan senyawa organik yang dilepaskan ke udara oleh organisme hidup dan dalam proses aktivitas manusia.
Dampaknya pada astronautika
Untuk kendaraan orbit rendah, variasi dalam kepadatan atmosfer bagian atas selama siklus 11 tahun menimbulkan ancaman terbesar: pada ketinggian sekitar 150 km, pengaruh Matahari terhadap kepadatan atmosfer adalah minimal, tetapi dari ketinggian ini mulai tumbuh, mencapai perbedaan urutan besarnya antara matahari. minimum dan maksimum (maksimum itu ternyata lebih padat karena peningkatan kepadatan angin matahari, dan radiasi ultraviolet). Ini mungkin memaksa perangkat untuk
meningkatkan frekuensi manuver orbital untuk mempertahankan orbitnya dari 4 kali setahun (selama minimum matahari), menjadi sekali dalam 2-3 minggu (selama maksimum).
Perbandingan umur KORONAS-I (di atas) dan KORONAS-F (di bawah),
diluncurkan ke orbit kutub dengan ketinggian sekitar 500 km, masing-masing mendekati minimum dan maksimum
siklus matahari ke-23.
Ancaman lain adalah flare dan ejeksi koronal, yang menciptakan beban radiasi pada astronot dan perangkat otomatis. Mereka paling sering terjadi selama siklus matahari maksimum. Namun, seiring dengan ini, aliran angin matahari meningkat, yang membuat
heliosphere surya lebih padat, dan sedikit meningkatkan ukurannya (denyut nadi yang direkam oleh
Voyagers ). Ini, pada gilirannya, meningkatkan penyaringan aliran sinar kosmik galaksi (yang datang ke tata surya dari luar), dan mengurangi alirannya. Jadi dosis total radiasi yang diterima oleh astronot di orbit Bumi rendah bahkan berkurang selama maksimum matahari:
Listrik statis menimbulkan ancaman terpisah terhadap peralatan, yang terjadi ketika mereka dibombardir oleh elektron yang datang kepada kita dengan angin matahari, emisi koronal, atau dicurahkan dari sabuk radiasi eksternal selama gangguan medan magnet bumi.
Yang paling parah adalah satelit
geostasioner , yang orbitnya (6,6 jari-jari Bumi) selama badai geomagnetik besar melampaui kepala gelombang kejut (di depannya). Dengan demikian, mereka dipaksa untuk secara berkala melewati daerah magnetosfer Bumi yang paling terganggu, dan menunjukkan aliran langsung dari ejeksi massa koroner. Ini memberlakukan pembatasan yang sangat besar pada resistensi radiasi untuk
basis data dasar perangkat, dan kebutuhan untuk pertimbangan perlindungan terhadap listrik statis, karena perangkat dalam orbit ini harus ada selama beberapa dekade.
Prakiraan cuaca luar angkasa
Prakiraan yang paling jauh yang digunakan dalam praktik adalah perkiraan 45 dan 27 hari. Meskipun mereka memiliki akurasi rendah, mereka sudah digunakan dalam merencanakan kegiatan para astronot: ini didasarkan pada distribusi pekerjaan mereka sehingga para astronot pergi ke luar angkasa pada saat Matahari berpaling kepada kita dengan area yang paling tidak aktif (dengan jumlah titik paling sedikit).
Keakuratan ramalan 3 hari sudah mencapai 30-50%, tetapi keakuratan maksimum (sekitar 95% dan lebih tinggi) hanya dapat diperoleh dengan ramalan per jam yang diperoleh dari satelit di titik Lagrange L
1 (1,5 juta km jauhnya dari Bumi menuju matahari). Sekarang ada dua satelit seperti itu:
ACE diluncurkan pada 25 Agustus 1997, dan perangkat
DSCOVR , yang baru-baru ini diluncurkan ke orbit (9 Februari 2015). Indikator akurasi yang rendah tersebut disebabkan oleh kenyataan bahwa medan magnet antarplanet yang diciptakan oleh Matahari yang berputar adalah sifat dari struktur spiral:
Dan ejeksi massa koronal (dibelokkan oleh medan magnet ini) dapat, pada saat terakhir, “mengelilingi” Bumi, sambil menangkap alat ini. Masalah untuk mendapatkan ramalan 3 hari yang akurat adalah heterogenitas medan magnet ini, yang mempersulit tugas memprediksi penyebaran ejeksi koronal.
Kisah Denis Rogov, seorang karyawan Institut Penelitian Arktik dan Antartika, tentang cuaca luar angkasa.Layanan Pelacakan Sun, berbagai negara:
NOAA Space Weather Forecasting Center (USA):
http://www.swpc.noaa.gov/Program Kesadaran Luar Angkasa ESA (UE):
http://swe.ssa.esa.int/Proyek bersama
Roscosmos dan
LPI (Rusia):
www.tesis.lebedev.ruProyek Departemen Fisika Plasma Luar Angkasa,
IKI RAS (Rusia):
www.spaceweather.ruPusat Analisis Dampak Sun (Belgia):
sidc.oma.beBiro Metrologi Australia:
www.sws.bom.gov.auLayanan Cuaca Luar Angkasa Internasional (ISES):
www.spaceweather.orgDepartemen Sumber Daya Alam Kanada:
www.spaceweather.gc.caOrganisasi Komersial terpisah
www.spaceweather.com