фонд поддержки науки

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Безопасность полетов зависит не только от земной погоды

Хорошо известно, что безопасность полетов во многом зависит от капризов атмосферной погоды. Это не единственный внешний фактор, который может влиять на безопасность. В настоящее время во всем мире бурно развивается новое направление в физике ближнего космоса – «космическая погода». Под этим термином подразумевается состояние околоземного космического пространства в интересующей нас области (на Солнце, в солнечном ветре, в магнитосфере, ионосфере или верхней атмосфере Земли) в данное время или за определенный временной интервал. Космическая погода изучается с точки зрения возможных неблагоприятных воздействий ее на жизнедеятельность человека, когда условия в околоземном космическом пространстве могут повлиять на работу и надежность бортовых и наземных технологических систем и представлять угрозу для человеческой жизни или здоровья. Главным и практически единственным источником изменений космической погоды является Солнце.

С Солнцем связана вся жизнь на Земле, поэтому с древних времен оно обожествлялось. От Солнца к нам приходит электромагнитное излучение главным образом видимого света с добавлением инфракрасного и радиоизлучения, которое приносит основную часть энергии (около 1,2 кВт/м2 на орбите Земли). Величина этой энергии удивительно мало меняется во времени, поэтому получила название солнечной постоянной. Астрофизики считают Солнце постоянной звездой в отличие от множества переменных звезд. В то же время, Солнце – звезда очень молодая, живущая своей активной и насыщенной «звездной» жизнью. Активность Солнца меняется в хорошо известном 11-летнем цикле, в котором максимальной величины активность достигает каждые 11 лет. Но как же Солнце, находящееся от Земли на расстоянии примерно 150 миллионов километров, может воздействовать на Землю? В течение нескольких десятилетий господствовало представление, что причина всех геоэффективных (т.е. воздействующих на Землю) событий – солнечные вспышки. О них-то как раз и говорят чаще всего по телевидению. Яркие картинки – фотографии Солнца, полученные на космической обсерватории SOHO (совместный проект Европейского и Американского космических агентств), впечатляют. Однако с 90-х годов 20 века стало ясно, что заметное воздействие на земную магнитосферу и другие земные процессы оказывают гигантские выбросы вещества из короны Солнца, так называемые корональные выбросы массы, которые выглядят как оторвавшиеся от Солнца сгустки коронального вещества, представляющие собой замкнутые петли магнитного поля. Их масса может достигать 10 миллионов тонн, что сравнимо с массой астероида, энергия может достигать 1000 эрг, что сравнимо с суммарной энергией сотни тайфунов, случающихся на Земле, скорость движения такого выброса может достигать 2000 км/с. От скорости и зависит время распространения этого возмущения до Земли. Даже на сравнительно малом удалении от Солнца корональные выбросы масс имеют размеры, намного превышающие диаметр оптического диска Солнца.

Безопасность авиа полетов существенно зависит от условий в атмосфере, ионосфере и околоземном космическом пространстве. Эти условия определяются целым комплексом факторов, которые определяются активностью Солнца и состоянием межпланетной среды. В настоящее время определены основные факторы, негативно влияющие на работу бортовой электроники, а также на самочувствие людей, находящихся на борту авиалайнеров. Одним из основных факторов, негативно влияющих на функционирование бортовой электроники, является космическая радиация – потоки заряженных частиц высоких энергий, а также ионизирующее электромагнитное излучение, способное проникать сквозь обшивку летательных аппаратов. Вторым фактором является возмущенность магнитного поля Земли, влияющая на потоки радиации в околоземном пространстве.

Во время прихода к Земле крупных возмущений солнечной плазмы могут возникать следующие проблемные ситуации:

• повышение дозы радиации получаемой пассажирами и экипажами высотных авиалайнеров;

• деградация конструкционных материалов под воздействием повышенной радиации;

• сбои в работе электронных систем, вызванные воздействием космических частиц высоких энергий (одиночные сбои);

• нарушение радиосвязи с авиалайнерами;

• ухудшение самочувствия людей во время магнитосферных возмущений.

Каждая из этих проблемных ситуаций может привести к крайне негативным и порой необратимым последствиям. Если же создаются критические условия, при которых начинает работать целый комплекс из указанных выше проблем, последствия такой ситуации могут оказаться катастрофическими – нештатная ситуация на борту авиалайнера, способная привести к авиакатастрофе.

Под космической радиацией понимаются потоки ионизирующего излучения: галактические космические лучи, частицы радиационных поясов Земли, солнечные космические лучи и ионизирующее электромагнитное излучение Солнца. Максимумы частиц атмосферных ливней (вторичных частиц от попадания галактических космических лучей в атмосферу) наблюдаются на высотах 10-20 км, т.е. там, где проходят воздушные трассы современных авиалайнеров. Частицы космической радиации вызывают функциональные сбои в работе электроники (SEE – Single Events Effects – эффекты одиночных сбоев) – выделение энергии в отдельных областях микросхем, что приводит к сбоям в их работе. Особенно опасно действие солнечных космических лучей (частиц высоких энергий, генерируемых во время солнечных протонных событий) на работу электронных устройств и здоровье человека. Дозовые нагрузки на экипажи авиалайнеров и вероятность сбоев в работе электроники могут возрастать на порядки во время генерации солнечных космических лучей (солнечные протонные события).

Во время мощных солнечных вспышек потоки ионизирующего электромагнитного излучения возрастают на несколько порядков. Это приводит к сильному разогреву и ионизации верхней атмосферы, что приводит к существенному изменению условий прохождения радиосигналов через ионосферу и их отражению от нее, в результате чего нарушается радиосвязь. Современные авиалайнеры широко используют спутниковую радиосвязь для навигации и связи, которая может быть прервана во время возмущенного состояния околоземного космического пространства. Например, во время возмущенного состояния околоземного космического пространства 10-11 января 1997 г. в Канаде пришлось почти на сутки отменить полеты пассажирских самолетов из-за неполадок с радиосвязью.

Во время геомагнитных возмущений резко увеличивается количество сбоев в работе электронной аппаратуры. Считается, что магнитные бури могут оказывать влияние и на работоспособность, и общее самочувствие людей. По данным Института прикладной геофизики им. Е.К.Федорова во время сильных магнитных бурь произошли 16 авиационных чрезвычайных происшествий за 2000 г.: 26 июня, г. Воронеж (Су-24М), 12 августа, Конго (Ан-26Б), 16 сентября, г. Киев, (Як-52). Во время сильных геомагнитных возмущений может происходить нарушение радиосвязи, вызываемое возмущением ионосферы во время главной фазы магнитной бури.

Если мы будем измерять дозу радиации от поверхности Земли, то увидим увеличение количества радиации: дозы будут возрастать примерно вдвое каждые 2,2 км. Вначале, до высот в 20-30 км, это в основном связано с частицами широких атмосферных ливней, если нет высыпаний релятивистских электронов из радиационных поясов и солнечных космических лучей от солнечных вспышек. На высотах орбитальных станций (~400 км) дозы радиации превышают величины, наблюдающиеся на поверхности Земли, в ~200 раз! В основном за счёт частиц радиационных поясов. Известно, что некоторые трассы межконтинентальных самолётов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах полётов самолётов в 20-30 раз. В последнее время экипажи некоторых авиалиний информируются о начале наступления вторжения солнечных частиц. Одно из недавних мощных солнечных извержений, случившееся в ноябре 2003 г., заставило экипаж “Дельты” рейса Чикаго - Гонг-Конг свернуть с пути: лететь к пункту назначения более низкоширотным маршрутом. В результате было сожжено много лишнего горячего. Это обстоятельство надо обязательно учитывать.

С увеличением высоты дозы радиации растут: на высоте орбитальной станции МКС они в ~200 раз превышают типичные дозы на поверхности Земли. На высотах полётов самолётов они безопасны, но до тех пор, пока не произойдёт мощная солнечная вспышка.

В целях обеспечения безопасности авиаполетов необходимым является разработка методов предупреждения критических ситуаций. Для этого необходимым является обеспечение диагностики и прогноза состояния околоземного космического пространства.

Острую необходимость исследования и прогнозирования опасных геофизических явлений космического происхождения понимают во всем мире. В Казахстане работы этого направления ведутся в Департаменте «Институте ионосферы», в котором с июля 2006 г. функционирует Центр диагностики и прогноза геофизической обстановки, где разрабатываются методики прогнозирования опасной радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве и методики прогноза прихода крупных межпланетных возмущений, приводящих к изменениям электромагнитной обстановки и магнитным бурям. Центр работает в непрерывном режиме и может предоставлять информацию о состоянии околоземного космического пространства и ее прогноз с различной заблаговременностью всем заинтересованным организациям аэрокосмического направления.

Следует отметить, что аварийность авиа полетов может быть вызвана целым рядом причин, не связанных с негативным влиянием факторов космического пространства, однако учет этих факторов может существенно снизить вероятность возникновения аварийной ситуации или предупредить ее.

Работы, касающиеся исследования состояния околоземного космического пространства и возможности его прогнозирования, велись в широкой кооперации с российскими и зарубежными учеными в рамках ряда международных грантов с ВВС США (special contract (SPC-98-4035) with Air Force Research Laboratory EOARD/AFMC F617089-98-WE064), европейских грантов INTAS-00-0810 и INTAS-2000-752, а в настоящее время в рамках Государственной программы Республики Казахстан «Прикладные научные исследования в области космической деятельности» и Европейской 7 рамочной программы FP7-INFRASTRUCTURES-2007-1 (Contract N 213007).