Já no final do programa Apollo, a NASA decidiu lançar a primeira estação orbital (para os EUA) no espaço. Tudo estava indo bem, e a terceira missão (
Skylab-4 ), que terminou em fevereiro de 1974, preparou a estação para conservação, elevando sua órbita em 11 km (até 433x455 km). De acordo com as previsões de atividade solar da NASA, a estação deveria permanecer em órbita até 1983, quando o terceiro vôo do
ônibus espacial levaria sua órbita novamente. Mas logo ficou claro que o atual ciclo solar seria mais forte do que o esperado. Em setembro de 1977, foi
decidido enviar uma missão não tripulada à estação para levantar a órbita, e em outubro de 1979 deveria voar, mas, infelizmente: a estação deixou sua órbita já em 11 de julho deste ano.
Essa foi a maior consequência da influência do clima espacial nas atividades humanas (e talvez o maior erro de cálculo da NASA nas previsões para toda a sua história), o que levou à perda da estação no valor de US $ 2,5 bilhões. O segundo evento, em gravidade, acabou sendo uma falta de energia por 9 horas na província de Quebec (Canadá) em 1989, que afetou 6 milhões de pessoas (o dano é estimado
em US $ 30 milhões ). Na continuação do artigo sobre
atividade solar , falarei sobre como o clima espacial (que é sua manifestação) afeta a atividade humana.
De uma forma ou de outra, a maioria das manifestações do clima espacial está relacionada ao campo magnético da Terra, então sugiro começar com um exame de sua estrutura:
Magnetosfera da Terra
A interação do vento solar (e das emissões coronais) com o campo magnético da Terra começa a uma distância de cerca de 10 raios da Terra, a formação de uma onda de choque na cabeça. Neste ponto, o fluxo supersônico de partículas ionizadas é fortemente inibido à velocidade subsônica e condensa. Durante o mínimo do ciclo de 11 anos, a onda de choque se afasta da Terra (devido ao enfraquecimento do fluxo de vento solar), durante o máximo em que se aproxima da Terra.
Na região da magnetopausa, o campo magnético da Terra é finalmente superior em força ao campo solar e as partículas carregadas começam a se mover ao longo de suas linhas de indução (existe uma bainha de magneto entre essas regiões). No lado oposto ao Sol, há uma cauda magnética, que pode ser atribuída a milhares de raios terrestres.
A inclinação do eixo da Terra (23 °) e o desvio dos polos geomagnéticos dessa linha (outro 11 °) levam ao fato de que o
dipolo magnético da Terra se inclina em relação ao plano eclíptico em aproximadamente ± 35 ° no curso (isso não é mostrado no diagrama).
A maioria das partículas carregadas envolve livremente o campo magnético, mas às vezes quando distúrbios externos do campo levam à
reconexão do campo magnético, as partículas carregadas são descartadas nas cúspides polares, ao mesmo tempo em que a formação de
auroras ). A substância capturada dessa maneira é a principal fonte de partículas carregadas na plasmasfera da Terra (regiões que contêm plasma frio).
A importância do campo magnético em termos de proteger o planeta e os astronautas dos efeitos nocivos do sol é extremamente exagerada. Assim, Marte (que não possui um campo magnético completo), durante o processo de
dissipação , perde
cerca de 8,5 toneladas de sua atmosfera por dia, enquanto a Terra perde
cerca de 90 toneladas . A proteção dos cosmonautas dos raios cósmicos solares é de 200 a 10.000 vezes, mas a proteção contra emissões coronais é de apenas 10 a 20 vezes (com menos proteção, os eventos de maior gravidade correspondem). Isso não pode ser comparado com a proteção da atmosfera, que é muitas ordens de magnitude.
Cintos de radiação da Terra
A faixa de radiação externa consiste principalmente de elétrons, com energias de várias dezenas de
keV , e se estende a uma distância de 13 a 60 mil km da Terra. O cinturão interno consiste principalmente de prótons com energias de várias dezenas de MeV e se estende por uma distância de 1-6 mil km, mas nas regiões de anomalias magnéticas esse cinturão pode "ceder" significativamente:
A mais significativa dessas anomalias é a Anomalia do Atlântico Sul (
SAA ), na qual a faixa de radiação interna cai para uma altitude de 200 km. É a principal fonte de falhas nos satélites de baixa órbita e contribui com uma parcela significativa para a irradiação de astronautas (aproximadamente 15 a 20%).
A principal fonte de partículas nos cinturões de radiação da Terra são as partículas cósmicas do vento que penetram ali através das cúspides polares. No entanto, existem várias outras fontes: a interação dos
raios cósmicos galácticos com partículas atmosféricas forma fluxos de partículas secundárias (fazendo a principal contribuição para prótons com energia de 20 a 30 MeV e elétrons com energia de 0,1-1 GeV); raios cósmicos anormais (que são átomos carregados simples ou duplamente com uma energia da ordem de 10 a 20 MeV); erupções solares (contribuição para prótons com energias acima de 1 MeV); ionosfera (partículas com energias de até várias centenas de keV).
Explosões solares e ejeções de massa coronal
As explosões solares se espalham na velocidade da luz e atingem a Terra em 8,5 minutos. Os raios cósmicos solares chegam à Terra em poucas horas. No entanto, a principal fonte de tempestades magnéticas (emissões coronais) se propaga em média a uma velocidade de 470 km / s, com uma velocidade máxima de pouco mais de 3.000 km / s, o que indica o tempo de chegada da tempestade principal à Terra no intervalo de 0,5 a 5 dias.
O desenvolvimento posterior de eventos depende fortemente da direção do campo magnético da ejeção coronal: se estiver alinhado com o campo magnético da Terra, o fluxo de partículas carregadas geralmente a envolve; se eles são direcionados em direções opostas, o fluxo de partículas começa a desacelerar intensamente, enquanto pressiona simultaneamente a onda de choque da cabeça mais perto da Terra (até 6-8 raios da Terra em média). Nos casos das tempestades geomagnéticas mais
poderosas , a onda de choque pode ser pressionada quase na própria atmosfera:
Tempestades geomagnéticas
De 0 a 8 tempestades geomagnéticas podem ocorrer por mês (dependendo do período do ciclo de 11 anos). As perturbações do campo magnético criado durante a tempestade são desiguais e crescem de um mínimo no equador para um máximo nas latitudes 62-67 °. A potência média de entrada de energia na magnetosfera (através do vento solar) é de 3 x 10
11 W (esta é uma ordem de magnitude menor que a atual produção de
eletricidade no mundo). Nesse caso, a energia total de uma única
tempestade geomagnética pode atingir 2 x 10
21 J, mas sua liberação dura vários dias, portanto, os distúrbios magnéticos durante as tempestades são bastante fracos. Mas as correntes geoinduzidas (
GIT ) geradas por eles em longas linhas condutoras podem atingir dezenas e centenas de amperes, levando a vários efeitos indesejáveis:
Nas linhas de energia, essas correntes dispersas podem levar ao aumento do aquecimento dos transformadores, reduzir sua eficiência e até falhas (o caso mais significativo foi Quebec,
13 de março de 1989 ). No caso de linhas de comunicação - isso pode causar interferência, até uma perda completa de comunicação por várias horas / dias (o caso mais significativo ocorreu em
1-2 de setembro de 1859, 23 anos antes da
primeira central elétrica aparecer no mundo, portanto, o dano não foi tão grande) . No caso de tubulações, isso pode causar uma diminuição na eficácia da
proteção catódica projetada para combater a corrosão (esse efeito é cumulativo por natureza e não aparece imediatamente). No caso de ferrovias, isso pode desativar várias automações conectadas à ferrovia.
No entanto, essas correntes não são transcendentais e, levando-as em consideração durante o projeto das linhas condutoras, juntamente com vários métodos técnicos - permite evitar falhas no equipamento, mesmo no caso de tempestades geomagnéticas mais severas. Tempestades também levam a outro fenômeno interessante:
Auroras
O preenchimento excessivo da "armadilha magnética" da Terra durante as ejeções coronais leva à precipitação de partículas carregadas na atmosfera, nas regiões dos pólos da Terra. Diante dos átomos da atmosfera, eles causam sua
ionização , e esses átomos já emitem luz. Na atmosfera da Terra, os átomos de nitrogênio e oxigênio são os principais responsáveis por esse processo, que determina a cor esverdeada da aurora; em
outros planetas, a cor da aurora pode ser completamente diferente (devido à composição diferente de sua atmosfera).
Foto tirada por
Jack Fisher do
módulo Kupol da ISS
O efeito das partículas carregadas leva não apenas a um brilho bonito, mas também ao bloqueio quase completo da
comunicação de ondas curtas nas regiões polares por até vários dias (devido à interrupção no processo de reflexão do sinal da ionosfera). Esses efeitos também afetam a radiação de comprimento de onda mais curto: assim, a desaceleração do processo de
propagação de ondas decimétricas através da ionosfera leva ao fato de que a precisão
dos sistemas de navegação por satélite pode cair por uma ordem de magnitude (até 50 m) nessas áreas.
A segunda indústria, em termos de exposição à radiação de seus trabalhadores, não é nuclear (como muitos podem pensar), mas a
aviação : nas altitudes usadas pela
aviação civil (cerca de 10 km), a maior parte da atmosfera, que protege bem todos os tipos de
raios cósmicos , está sob você. Porém, mesmo assim, a dose média para o pessoal de vôo nos Estados Unidos é de apenas
3,01 mSv / ano (ainda 6,5 vezes menor que nossos
padrões e 2 vezes menor que os padrões da UE). Para passageiros comuns, que não passam uma parte significativa de sua vida no céu, na maioria dos casos não há nada a temer.
No entanto, durante uma tempestade geomagnética, a situação pode mudar drasticamente: partículas carregadas que penetram na atmosfera geram
bremsstrahlung , que ainda é seguro na superfície da Terra, mas nas altitudes em que o voo ocorre, o fundo da radiação aumenta significativamente e é preciso contar com ele. Isso leva ao fato de que as rotas de vôo, passando perto dos pólos da Terra, durante esses períodos de tempo podem mudar significativamente em direção ao equador (isso também ocorre devido ao desejo de evitar as áreas onde a comunicação com os aviões pode ser perturbada). Felizmente, esse tipo de vôo já é bastante (dados para 2009):
Com o objetivo de calcular a dose que você pode receber durante o voo, a
Administração Federal de Aviação dos EUA lançou um
aplicativo especial.
Impacto na terra
A luminosidade total do Sol durante o ciclo de 11 anos muda em apenas 0,1%, mas em áreas específicas as mudanças podem ser muito maiores: por exemplo, alterações na faixa ultravioleta do espectro podem ser de 6 a 8% e levam a um aumento na produção de ozônio na atmosfera da Terra. (sendo gás de efeito estufa) durante elevações solares. Por outro lado, esse período é acompanhado por um aumento de auroras durante o qual as partículas carregadas podem penetrar até alturas de 25 a 30 km e causar destruição de ozônio nas regiões polares (até 20% da concentração total em um evento).
Outra maneira comprovada de influenciar a atmosfera é a nebulosidade (embora não seja um efeito direto, mas indireto). É assim: uma corrente de raios cósmicos galácticos, colidindo com partículas da atmosfera, forma uma chuva de partículas secundárias, cuja máxima é observada na região do limite superior da
troposfera . Essas partículas secundárias se tornam pontos de condensação do vapor de água na atmosfera, o que leva à formação de
nuvens . Nuvens - reduza a transparência média da nossa atmosfera. Como resultado, durante um máximo solar, a transparência da atmosfera aumenta e, durante um mínimo, diminui.
Durante o experimento de 10 anos
“CLOUD” (realizado no
CERN ), verificou-se que, embora os raios cósmicos contribuam significativamente para a formação de nuvens, sua influência está longe de ser a única: fontes de núcleos de condensação podem ser criadas durante várias reações químicas do ácido sulfúrico, amônia e compostos orgânicos que são liberados no ar por organismos vivos e no processo de atividade humana.
Impacto na astronáutica
Para veículos de baixa órbita, as variações na densidade da atmosfera superior durante o ciclo de 11 anos representam a maior ameaça: a uma altura de cerca de 150 km, a influência do Sol na densidade da atmosfera é mínima, mas a partir dessa altura começa a crescer, atingindo uma diferença de ordem de magnitude entre a energia solar. mínimo e máximo (no máximo, torna-se mais denso devido a um aumento na densidade do vento solar e da radiação ultravioleta). Isso pode fazer com que os dispositivos
aumentem a frequência das manobras orbitais para manter sua órbita de 4 vezes por ano (durante o mínimo solar), para uma vez em 2-3 semanas (durante o máximo).
Comparação da vida útil do KORONAS-I (acima) e KORONAS-F (abaixo),
lançados em uma órbita polar com uma altitude de cerca de 500 km, próximo ao mínimo e máximo do 23º
ciclo solar, respectivamente.
Outra ameaça são as chamas e as ejeções coronais, que criam uma carga de radiação nos astronautas e nos dispositivos automáticos. Eles ocorrem com mais frequência durante o ciclo solar máximo. No entanto, juntamente com isso, o fluxo do vento solar aumenta, o que torna a
heliosfera solar mais densa e aumentando ligeiramente seu tamanho (cujas pulsações foram registradas pelos
Voyagers ). Isso, por sua vez, aumenta a triagem do fluxo de raios cósmicos galácticos (que chegam ao sistema solar de fora) e reduz seu fluxo. Portanto, a dose total de radiação recebida pelos astronautas em baixa órbita terrestre diminui até durante o máximo solar:
A eletricidade estática representa uma ameaça separada para o aparelho, que ocorre quando são bombardeados por elétrons que chegam até nós com o vento solar, emissões coronais ou derramados do cinturão de radiação externa durante perturbações do campo magnético da Terra.
Os mais graves são os satélites
geoestacionários , cuja órbita (de 6,6 raios da Terra) durante grandes tempestades geomagnéticas se estende além da cabeça da onda de choque (na frente). Assim, eles são forçados a passar periodicamente pelas regiões mais perturbadas da magnetosfera da Terra e exibem um fluxo direto de ejeção de massa coronariana. Isso impõe severas restrições à resistência à radiação para o
banco de
dados elementar de dispositivos e a necessidade de uma consideração particularmente cuidadosa da proteção contra a eletricidade estática, uma vez que os dispositivos nessa órbita devem existir por décadas.
Previsão do tempo espacial
As previsões mais distantes usadas na prática são as de 45 e 27 dias. Embora tenham baixa precisão, eles já são usados no planejamento das atividades dos astronautas: baseia-se na distribuição de seu trabalho para que os astronautas saiam para o espaço sideral no momento em que o Sol se volta para nós com a área menos ativa (com o menor número de pontos).
A precisão da previsão de 3 dias já chega a 30-50%, mas a precisão máxima (cerca de 95% ou mais) só pode ser obtida pela previsão horária obtida dos satélites no ponto Lagrange L
1 (a 1,5 milhão de quilômetros da Terra) em direção ao sol). Agora existem dois satélites: o
ACE lançado em 25 de agosto de 1997 e o dispositivo
DSCOVR , que foi lançado recentemente em órbita (9 de fevereiro de 2015). Tais indicadores de baixa precisão são causados pelo fato de que o campo magnético interplanetário criado pelo Sol em rotação é da natureza de uma estrutura espiral:
E as ejeções de massa coronal (defletidas por esse campo magnético) podem, no último momento, "circunavegar" a Terra, enquanto capturam esse aparelho. O problema de obter previsões precisas de três dias é a heterogeneidade desse campo magnético, o que complica a tarefa de prever a propagação de ejeção coronal.
A história de Denis Rogov, um funcionário do Instituto de Pesquisa do Ártico e Antártico, sobre o clima espacial.Sun Tracking Services, vários países:
Centro de Previsão Meteorológica Espacial NOAA (EUA):
http://www.swpc.noaa.gov/Programa de Sensibilização Espacial da UE (UE):
http://swe.ssa.esa.int/Projeto conjunto de
Roscosmos e
LPI (Rússia):
www.tesis.lebedev.ruProjeto do Departamento de Física de Plasmas Espaciais,
IKI RAS (Rússia):
www.spaceweather.ruCentro de Análise de Impacto da Sun (Bélgica):
sidc.oma.beAustralian Bureau of Metrology:
www.sws.bom.gov.auServiço Internacional de Meteorologia Espacial (ISES):
www.spaceweather.orgDepartamento de Recursos Naturais do Canadá:
www.spaceweather.gc.caOrganização comercial separada
www.spaceweather.com