Недавно ученые из Национального университета Чэн Гун (Тайвань) опубликовали работу, посвященную воздействию на ионосферу Земли запуска ракеты-носителя Falcon 9, состоявшегося 24 августа 2017 года. К сожалению, многие СМИ снабдили сообщения об этом сенсационными заголовками, сообщающими, что запуск “проделал громадную брешь в ионосфере”.
Чтение таких заголовков у неосведомленного читателя может вызвать впечатление, будто с тех пор Земля так и осталось с огромной дырой в ионосфере, куда со свистом проникает космический ветер, грозя человечеству глобальной катастрофой. Спешим успокоить – катастрофы не будет. Ионосферные “дыры” возникают после любого космического запуска. Сенсацией было бы, если при запуске Falcon 9 разрежения ионосферы не возникло. Затягиваются они за час или два. Последствия этих событий отражаются в основном на работе навигационных приборов, например, систем GPS или ГЛОНАСС. Собственно, это и служит важнейшим методом изучения таких событий.
Тем не менее, запуск 24 августа действительно имеет существенные особенности, а само влияние на ионосферу полетов ракет-носителей является весьма важной темой для исследований, особенно сейчас, когда космические полеты постепенно становятся существенной сферой экономики. Попробуем разобраться, что к чему.
Ионосфера, как указывает ее название, содержит ионизированный газ. Под действием космических лучей, в первую очередь – излучения Солнца, молекулы атмосферных газов теряют электроны, превращаясь в ионы. Поэтому наряду с нейтральными молекулами азота, кислорода и других газов в атмосфере присутствует плазма – ионизированный газ, состоящий из положительных ионов и оторванных от них отрицательных электронов. Ионосфера, где это наблюдается, составляет значительную часть атмосферы Земли. Ионизированный газ уже заметен на высоте около 60 километров. Постепенно его доля (степень ионизации) нарастает и достигает максимума в 250 – 400 километрах от поверхности Земли.
Заметили ионосферу в начале XX века, когда начались первые опыты по радиопередаче. Дело в том, что ионизированный газ отражает радиоволны. При этом влияние ионосферы на волны разной длины отличается. Радиоволны короче 10 м она пропускает беспрепятственно, а более длинные отражает. Исследования ионосферы при помощи запусков ракета были начаты еще в 1930-е годы, а ее структура на больших высотах стала активно изучаться в 1950-е. Ученые смогли многое узнать о структуре слоев ионосферы, влиянии их на радиоволны, связи степени ионизации с циклами солнечной активности и так далее.
С началом космической эры быстро заметили, что запуск ракеты-носителя вызывает разрежение ионосферы – своеобразную “дыру”, где степень ионизации резко падает. Держится это явление, как уже говорилось один – два часа. Особенное внимание это явление привлекло к себе в мае 1973 года, когда мощная ракета-носитель «Сатурн-5» вывела на орбиту станцию «Скайлэб». Степень ионизации атмосферы в зоне полета ракеты упала вдвое, а общая площадь возмущений в ионосфере составила примерно миллион квадратных километров. Эти события даже назвали «Скайлэб-эффектов».
Причиной этого явления оказываются ударно-акустические волны, расходящиеся от движущейся со сверхзвуковой скоростью ракеты. К тому же после пролетевшей ракеты в верхних слоях атмосферы появляются пары воды – продукт работы двигателей на кислородно-водородном топливе. Они вступают во взаимодействие с плазмой ионосферы, вызывая появление областей с пониженной степенью ионизации. Взаимодействие водяного пара из ракетного выхлопа с заряженными частицами считается главной причиной снижения степени ионизации, ударные акустические волны вызывают менее значительные возмущения в ионосфере.
С 1960-х годов изучение ионизационных возмущений при запуске космических аппаратов не прекращается. Вот, например, отчет российских ученых об ионосферных возмущениях во время запуска ракеты с космодрома Восточный 28 апреля 2016 года. В чем практическая значимость подобных исследований, долго объяснять не надо. В наши дни точность геопозиционирования, производимого при помощи космических спутников, весьма важна, поэтому нужно научиться предсказывать воздействие на космическую связь техногенных возмущений в ионосфере и учитывать их. Есть и еще один важный факт: слежение за состоянием ионосферы при помощи систем геопозиционирования позволяет фиксировать все производимые на Земле космические запуски.
Что же произошло 24 августа 2017 года при запуске Falcon 9? Ракета стартовала с тихоокеанского побережья США (база Вандерберг) и вывела тайваньский спутник FORMOSAT-5 на орбиту высотой около 725 км. Когда ракета-носитель достигла высоты в 300 километров, это произошло через пять минут после запуска, была зафиксирована серия ударных акустических волн. Они имели круглую форму и распространялись со скоростью 629.,15 – 726,02 м/с. Горизонтальная длина волны равнялась 390 – 450 км, период составлял 10,28 ± 1 мин, распространялись волны на площади более 1,77 миллиона квадратных километров. Далее, через 14 минут после старта, в ионосфере возникла разреженная область диаметром 900 км и общей площадью более 636 тысяч квадратных километров. Затянулась она примерно через два с половиной часа.
Круглые ударные волны над Калифорнией и Тихим океаном при запуске Falcon 9 (Credit: Charles Lin/Space Weather/AGU)
Тайваньские ученые, наблюдавшие эти явления и опубликовавшие результаты своей работы в журнале Space Weather, отмечают, что никогда ранее акустические ударные волны при запуске космического аппарата не имели такой правильной круглой формы и не были столь масштабы. Особенностью данного запуска была почти прямая траектория ракеты в атмосфере. Обычно ракеты летят по пологой траектории, и ударные акустические волны, вызываемые ими, имеют V-образную форму.
Сопоставление ударных акустических волн при космических запусках с разной траекторией вывода спутников (Credit: Charles Lin/Space Weather/AGU)
Точность работы системы GPS после запуска спутника была снижена примерно на один метр в течение двух с половиной часов. Хотя это не столь значительный показатель, с дальнейшим появлением более мощных ракет и увеличением числа космических запусков, изучение взаимодействия стартующих космических аппаратов с ионосферой приобретает дополнительную важность.
