Институт

Службы

Направления

Архив




Инфоресурсы


1. В конце августа 1859 года Ричард Кэррингтон (Член Королевского Общества) обнаружил исключительно большую по площади область пятен в северной полусфере Солнца. 31 августа эта область находилась на 45° северной гелиошироты. Кэррингтон писал: ?Обсерватория Рэдхилл зафиксировала...вспышку света, которая длилась около 5 минут и перемещалась на фоне контура пятна...?. Несколько часов спустя на магнитных обсерваториях на Земле были зарегистрированы сильные магнитные возмущения, а северное сияние наблюдалось даже в Риме и на Гавайских островах.

К 1847 году было замечено, что в электрических проводах телеграфных систем, которые тогда только начинали входить в широкое употребление, часто регистрировались так называемые ?аномальные токи?, природа которых оставалась загадкой. В течение нескольких суток, последовавших за отмеченным Кэррингтоном солнечным явлением, во многих телеграфных системах по всей Европе от Скандинавии до Тосканы были зафиксированы большие и разрушительные электрические возмущения ? очень сильные ?аномальные токи?. Лишь в ?...пятницу 2 сентября 1859 года ?, когда северное сияние ослабело, батареи вновь заработали? на телеграфной линии между Бостоном и Портлэндом (штат Мэн) на восточном побережье Соединённых Штатов. В последующие за солнечным событием 1859 года десятилетия инженеры и операторы-телеграфисты уделили много внимания эффектам влияния на свои системы наведённых в земле во время магнитных бурь токов. Оказалась, что ближний космос и в самом деле воздействовал на первую ?современную? технологию связи.

Изобретение межконтинентальной беспроводной длинноволновой радиосвязи, продемонстрированное Маркони между Корнуэллом и Ньюфаунлэндом в 1901 году, исключило наведённые в земле токи как источник помех. Это достижение Маркони (за которое он получил Нобелевскую премию по физике 1909 года) стало возможным благодаря существованию отражающей радиоволны ионосферы, открытой лишь два десятилетия спустя. Изменения свойств этого отражающего слоя оказались критичны для успеха (или провала) радиосвязи: в 1928 году Маркони писал, что ?...периоды сильного затухания практически всегда совпадают с появлением больших пятен и интенсивных северных сияний, обычно сопровождающих магнитные бури...?. Это ?...те же самые периоды, когда кабельные линии испытывают трудности или отключаются?.

В 17-м цикле солнечной активности, который начался в конце 30-х годов 20 века, были зафиксированы первые эффекты воздействия ближнего космоса не только на технику связи. Во время большой магнитной бури 24 марта 1940 года в компании ?Гидро-Онтарио? вышел из строя десяток групп трансформаторов. Магнитная буря февраля 1958 года погрузила в темноту окрестности Торонто, отключив силовые электрические цепи энергетических компаний: ?...темнота в Торонто нарушалась только странным свечением северного сияния в небесах?. Магнитная буря в августе 1972 года была причиной аварийного отключения почти на час участка основного континентального телекоммуникационного кабеля, протянутого из окрестностей Чикаго на западное побережье США, между его энергетическими подстанциями в Иллинойсе и Айове. В марте 1989 года целая провинция Квебек испытала аварийное отключение электричества почти на сутки - во время большой геомагнитной бури из строя вышло много трансформаторов.

При конструировании тех геостационарных спутников, которые используют для ориентации геомагнитное поле, принимают во внимание высокую вероятность того, что если большая геомагнитная буря застигнет спутник на солнечной стороне Земли, то он может оказаться вне пределов магнитосферы. Структуры солнечного ветра с повышенной скоростью и плотностью способны сдвигать магнитопаузу внутрь геостационарной орбиты. Сильные пространственные и временные вариации магнитного поля вне пределов магнитосферы могут серьёзно нарушить ориентацию такого спутника, если не предусмотреть соответствующих предохранительных мер в конструкции его системы управления. Направление магнитного поля вне магнитосферы может оказаться противоположным тому, по которому космический аппарат нормально ориентирован, что может спровоцировать полный ?переворот? ориентации при пересечении магнитопаузы.

Открытие радиационных поясов в околоземном космическом пространстве в 1958 году немедленно обнаружило, что ближний космос ? это отнюдь не самая благоприятная среда для размещаемых там технических систем. Как заметил Мак-Кормак, высотное ?ядерное испытание Стар Фиш (9 июля 1962 года) сфокусировало внимание на ухудшении характеристик чувствительной электроники под действием захваченных в геомагнитную ловушку электронов и протонов?. Проникающая радиация создаёт серьёзные проблемы, как при конструировании, так и при эксплуатации технических систем космического базирования. Она же устанавливает серьёзные ограничения по многим аспектам пилотируемых космических полётов, как околоземных, так и к Луне. Весьма вероятно, что если бы американские астронавты оказались на пути к Луне во время солнечного события августа 1972 года, когда кабель AT&T L4 оказался в нерабочем состоянии, они получили бы серьёзную, и даже опасную для жизни, дозу облучения. К счастью две последние экспедиции на Луну на кораблях ?Аполлон? оказались отделены от события 1972 года интервалом в несколько месяцев.

Низкоэнергичные (с энергией от нескольких эВ до нескольких КэВ) заряженные частицы магнитосферной плазмы могут создавать различные уровни поверхностного электрического заряда в материалах корпуса спутника. Если между различными материалами поверхности спутника или поверхностью спутника и солнечными батареями нет хорошего электрического контакта, то разность их электрических зарядов способна генерировать электрические разряды. Это может приводить к электромагнитным помехам, а иногда и к серьёзным повреждениям компонент и подсистем спутника.

Потоки магнитосферных частиц более высокой энергии (электроны с энергией в единицы МэВ и протоны с энергией в десятки МэВ) могут изменяться по величине на несколько порядков в течение суток, часов, а иногда и минут. Частицы с такой энергией способны проникать внутрь спутника. В дополнение к провоцированию кратковременных сбоев в электронике, они могут вызывать накопление электрических зарядов во внутренних изолирующих материалах, вроде тех, что используются в коаксиальных кабелях. Если накопление зарядов достаточно велико, эти внутренние материалы, в конце концов, разрушаются. Обеспечивать достаточную защиту всех внутренних подсистем космического аппарата от частиц высокой энергии ? слишком дорогое удовольствие (необходимо дополнительно увеличивать массу космического аппарата вместо, например, установки дополнительных ретрансляторов или создания дополнительного запаса топлива для маневровых двигателей).

Для большинства технологических систем как наземного, так и космического базирования не существует достаточной защиты против бомбардировки галактическими космическими лучами (энергии ~ 1 ГэВ и выше). Эти очень энергичные частицы могут повлечь сбои и ошибки электроники космического аппарата, а также интегральных схем, разработанных для функционирования в наземных условиях. Часто динамические ОЗУ и другие логические приборы испытываются потоками космических лучей на различных высотах над поверхностью Земли или поднимаются на самолёте. Цель - оценить чувствительность этих приборов к тем потокам, с которыми они столкнуться в космосе.

Неопределённости при выводе и удержании на экономически выгодной орбите влекут за собой большие риски при страховании и перестраховании космического аппарата. Потеря спутника (или ретранслятора) при неблагоприятной радиационной обстановке, - это лишь одно из многих непредвиденных обстоятельств, от которых необходимо страховаться.

2. К концу 1960-х годов в ИПГ уже был накоплен некоторый опыт регистрации проникающих излучений в околоземном космическом пространстве (ОКП). Это были измерения потоков энергичных частиц и квантов на ИСЗ ?Космос 11?, ?Космос 17? (вместе с НИИЯФ МГУ) и ?Космос 70?. По данным ИСЗ "Космос-17" (запущен 22 мая 1963 года) была дана оценка радиационных условий на трассах пилотируемых КА "Восток" перед полетом В.Быковского и В.Терешковой (старты 14 и 16 июня 1963 года).

На первом спутнике ?Метеор-1? ?1 (запущен 26 марта 1969 года, высота 630 - 713 км, угол наклона орбиты 82°) начал работать радиометрический комплекс РМК. Он впитал в себя идеи и опыт прежних разработок ИПГ и по ряду параметров превосходил мировой уровень для того времени. Широкий набор детекторов, включавший гейгеровские и сцинтилляционные счетчики разных размеров с различной экранировкой и с соответствующим выбором порогов дискриминации выходных сигналов, был предназначен для получения суммарных и раздельных данных о потоках энергичных электронов и протонов, проникающих за определенные значения защиты, начиная от 4?10-2 г/см2 и до нескольких и более г/см2; соответствующие пороговые энергии выбирались по протонам - 5, 15, 25 и 40 МэВ (по электронам это - 150 и 500 кэВ, 1,6 и 3,1 МэВ), а также 65 МэВ и в энергетическом окне 30 - 80 МэВ. Необходимый широкий динамический диапазон регистрируемых плотностей потоков достигался за счет различия геометрических факторов детекторов излучений и применения электронной цифровой квазилогарифмической системы регистрации скоростей счета импульсов.

Первые же результаты наблюдений подтвердили правильность выбора и космической платформы и аппаратуры для мониторинга радиационных условий в ОКП. Уже 30 марта, а затем и 11 апреля были зарегистрированы вторжения в магнитосферу Земли потоков энергичных протонов от хромосферных вспышек. Интенсивность потоков в максимуме в тысячи раз превышала обычный фоновый уровень и достигала 104 см-2 с-1 для протонов с энергией более 5 МэВ.

В 1973 году Постановлением СМ СССР в Главном Управлении Гидрометслужбы при Совете Министров СССР была создана Служба радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, а из ведения Академии Наук СССР передана Ионосферно-магнитная служба. Головной организацией этих служб был определен Институт прикладной геофизики (ИПГ). Внутри страны получение необходимых для службы наблюдательных данных базировалось на измерениях потоков излучений в ОКП на спутниках Государственной Метеорологической Космической Системы ?Метеор? и на сборе данных с наземных солнечных, ионосферных и магнитных станций с использованием АСПД ?Погода?. Приполярная орбита ИСЗ "Метеор" обеспечивала глобальность обзора радиационных потоков и позволяла выявлять их связь с другими параметрами, определяющими радиационную обстановку в ОКП, в частности, с геомагнитной обстановкой.

Мониторинг проникающих излучений на спутниках системы ?Метеор? (ИСЗ "Метеоp 2 и 3", поляpная квазикpуговая оpбита с высотой 900-1000 км и пеpиодом обpащения 104 минуты) осуществлялся в течение почти 30 лет. Аппаратурный комплекс дополнялся детекторами для расширения диапазона в сторону как больших энергий (черенковский счетчик с пороговой энергией 600 МэВ по протонам), так и ? меньших (торцовые счетчики), но первоначальное ?ядро? сохранялось, помогая обеспечивать сопоставимость результатов измерений с борта разных спутников. В 80 ? 90-е годы 20-го века бывали периоды, когда на орбите одновременно работали 2 или даже 3 спутника, что заметно повышало диагностический потенциал системы. Штатная аппаратура радиационного контроля РМК-М и РМК-М-РП, функционировавшая на ИСЗ "Метеор-3", включала в себя десять детекторов ионизирующего излучения (электронов и протонов в заданных энергетических диапазонах), конструктивно объединенных в одном блоке. Бортовой регистратор данных обеспечивал возможность оперативного получения информации в режиме реального времени (повитковая информация) и в режиме накопления ее на борту в течение 12 часов с последующим сбросом по команде с Земли (глобальная информация).

10 декабря 2001 года на приполярную солнечно-синхронную орбиту с высотой около 1000 км был запущен спутник ?Метеор-3М? ?1. Комплекс КГИ-4С, предназначенный для эксплуатации на этом спутнике, разрабатывался так, чтобы его измерительные характеристики были в максимально возможной степени приближены к соответствующим характеристикам штатной радиометрической аппаратуры системы "Метеор-3". Аппаратура измеряла потоки и спектры электронов и протонов радиационных поясов Земли; потоки и спектры протонов солнечных космических лучей; потоки галактического космического излучения, и имела блочное построение по видам измеряемых физических параметров. В её состав входили:

  • блок газоразрядных детекторов (блок ГРАД), предназначенный для регистрации суммарной плотности потока электронов в диапазоне энергий от 0,15 до 3,2 МэВ и протонов в диапазоне энергий от 5 до 40 МэВ в четырех энергетических диапазонах. Детекторами в приборе являлись счетчики Гейгера-Мюллера, селекция заряженных частиц по энергиям осуществлялась с помощью поглотителей различной толщины.
  • блок сцинтилляционных детекторов (блок ДИСК), предназначенный для регистрации плотности потока протонов с пороговыми энергиями 25 и 90 МэВ с отстройкой от фона сопутствующих излучений. Регистрация производилась с помощью сцинтилляционных детекторов на основе пластмассовых сцинтилляторов. Энергетические пороги регистрации и селекция по виду излучения в приборе ДИСК были обусловлены толщинами поглотителей и пороговыми параметрами электронных схем
  • детектор галактического космического излучения (блок ГАЛС), предназначенный для регистрации плотности потока протонов с энергиями больше 600 МэВ. Регистрация производилась с помощью черенковского детектора. Энергетический порог регистрации был обусловлен, в основном, соотношением сигнал/шум детектора.

В состав комплекса ГГАК-М, предназначенного для измерений проникающей радиации с борта находящегося в настоящее время на солнечно-синхронной орбите ИСЗ ?Метеор-3М?, входит также и аппаратура для раздельного "чистого" измерения потоков электронов и протонов и для оценки питч-углового распределения энергичных частиц. Такая аппаратура строится на основе одновременного измерения энерговыделения и ионизирующей способности заряженной частицы полупроводниковым и/или сцинтилляционным детектором.

На рис.1 представлена динамика внешнего радиационного пояса по данным ИСЗ ?Метеор-3 М?. На левой половине рисунка внешний пояс отмечен двумя небольшими пиками ? он почти пустой. На правой половине рисунка высота пиков заметно возросла ? пояс заполнился.

Рис.1 Потоки проникающей радиации вдоль траектории ИСЗ ?Метеор-3М?

На рис.2 представлена географическая карта распределения потоков захваченной радиации на орбите, построенная суммированием информации по многим пролётам спутника. Голубое пятно на левой половине рисунка соответствует Южно-Атлантической геомагнитной аномалии, где потоки проникающей радиации повышены даже в спокойных условиях. На правой половине рисунка ? такая же карта в возмущённых условиях. Две волнистые фиолетовые линии ? это внешний радиационный пояс.

 

Рис.2 Карта потоков проникающей радиации в географических координатах

На рис.3 представлена карта распределения потоков захваченной радиации на орбите спутника в (L-B) координатах Мак-Илвайна.

 

Рис.3 Карта потоков проникающей радиации в геомагнитных координатах

Литература

  1. Carrington, R.S., Observation of the Spots on the Sun from November 9, 1853, to March 24, 1863, Made at Redhill, William and Norgate, London and Edinburgh, 167, 1863.
  2. Barlow, W.H., On the spontaneous electrical currents observed in the wires of the electric telegraph, Phil. Trans. R. Soc., 61A, 61, 1849
  3. Marconi, G., Radio communication, Proc. IRE, 16, 40, 1928.
  4. Davidson, W.F., The magnetic storm of March 24, 1940 ? Effects in the power systems, Edison Electric Inst. Bulletin, 365, 1940.
  5. Brooks, J., A reporter at large; The subtle storm, New Yorker, February 19, 1959.
  6. Albertson, V.D., J.M. Thorson, and S.A. Miske, The effects of geomagnetic storms on electrical power systems, IEEE Trans. Power App. & Sys., PAS-93, 1031, 1974.
  7. McCormac, B.M., Summary, in Radiation Trapped in the Earth?s Magnetic Field, ed. B.M. McCormac, D. Reidel Pub. Co., Dordrecht, Holland, 887, 1966.