CC BY
0
- Науки о Земле -ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА АВИАЦИЮ
А.Ф. Миннигалиева, студент Н.А. Шамиев, студент
Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, г. Уфа)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-11-1-57-61
Аннотация. В представленной статье рассматриваются различные аспекты влияния космической погоды на авиацию. Анализ существующих данных показывает, что возмущения космической погоды могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на компоненты авиационных систем. Одним из ключевых факторов является влияние геомагнитных бурь, которое связано с возникновением геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ). Косвенное воздействие может проявляться через нарушения стабильной подачи электроэнергии, сбоях в системах связи и ошибках в определении местоположения в навигационных спутниковых системах. В обзоре представлены сведения о главных факторах космической погоды, которые могут представлять угрозу для авиационных технологий и систем навигации.
Ключевые слова: космическая погода, радиосвязь, спутники, геомагнитные бури.
Вопросы влияния космической погоды на развивающееся технологическое общество, особенно в контексте навигации воздушных судов, становится все более актуальным. С учетом внедрения компьютерных и роботизированных технологий в нашу повседневную жизнь возникает естественный вопрос: насколько надежно и корректно будет функционировать радиоэлектронная аппаратура при изменении внешних условий.
Космическая погода - это явления, происходящие в солнечной атмосфере, околоземном космическом пространстве и атмосфере Земли. Первичным источником возмущений являются вариации солнечного излучения, а перенос возмущений осуществляется волнами и частицами в межпланетной среде, магнитосфере и ионосфере Земли [3].
Ионосферные неоднородности, порожденные магнитной бурей, интерферируют с высокочастотной радиосвязью и навигационными сигналами от спутников GPS, нарушая их работу. События поглощения радиоволн в полярной шапке во время протонных вспышек на Солнце и магнитных бурь могут приводить к ослаблению, а во время мощных событий -к полному прекращению высокочастотной радиосвязи вдоль авиационных маршрутов, требуя отклонения от маршрута на более низкие широты. Облучение спутников энергичными частицами во время событий с солнечными энергичными частицами и повышения радиа-
ции в радиационных поясах могут вызвать временные аномалии в работе спутников.
Основные явления космической погоды
Выброс солнечной плазмы, т.е. КВМ, при солнечной вспышке приводит к образованию межпланетной ударной волны. При типичной скорости ~500 км/с эта ударная волна за время 3-4 дня (при сверхбыстрых КВМ со скоростями 2500 км/с~12 часов) достигает Земли. Взаимодействие межпланетной ударной волны с магнитосферой Земли проявляется на земной поверхности в скачкообразном увеличении геомагнитного поля - внезапном начале бури.
Космическая погода в околоземном пространстве в первую очередь определяется уровнем потоков высокоэнергичных частиц. Эти частицы потенциально опасны для космических аппаратов, т.к. они могут вызывать повреждения внутренних элементов, дифференциальную зарядку внешних и внутренних диэлектриков с последующим пробоем, повреждение панелей солнечных батарей, нарушения в оперативной памяти бортовых вычислительных систем и в работе оптических датчиков ориентации. Резкое возрастание потока солнечных космических лучей в большинстве случаев происходит после солнечных вспышек, что дает возможность предупредить об опасности за несколько дней - часов до прихода этих потоков на орбиту Земли. Однако выбросы корональной массы, сопровожда-
ющиеся магнитными бурями и увеличением космической радиации, могут происходить без видимой солнечной вспышки. Высокоскоростные потоки солнечной плазмы, истекающие из корональных дыр, хотя и приводят к появлению относительно слабых рекуррентных (с периодичностью 27 дней) магнитных бурь, но вызывают значительное увеличение потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе [7].
Геомагнитные бури и корональные выбросы
Геомагнитные бури оказывают наиболее негативное воздействие на техносферу. Это связано с возникновением геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ). В ионосфере
под влиянием магнитного поля Земли формируются электрические токи. При солнечных корпускулярных выбросах могут поступать значительные потоки высокоэнергетичных частиц, таких как протоны и электроны, что приводит к увеличению электрических токов. Резкие изменения, вызванные этим явлением, приводят к протеканию ГИТ в протяженных системах и объектах. Эти наведенные токи замыкаются через заземленные нейтрали силовых трансформаторов. Поскольку эти токи имеют достаточно низкую частоту, они остаются «невидимыми» для релейной защиты в силовых трансформаторах (рис. 1). В результате это может привести к авариям или выходу из строя целых систем [7, 8].
та ■г'у -лу у ••''> ••"*'•> и
д >*мл* I 1
Рис.1. Схема наведения токов в ЛЭП и земле электрическими токами ионосферами [9]
Геомагнитные возмущения могут влиять на точность определения местонахождения такими навигационными системами, как ГЛО-НАСС и GPS. Это происходит за счет рассеивания сигнала в ионосфере на высоте 300-400 километров. Когда возникает турбулентность, сигнал толстеет, и точность позиционирования может чередоваться до 100 метров.
Влияние корональных выбросов на технологии можно закрепить примером в сбоях в работе спутников: в результате одного из выбросов 40 из 49 спутников SpaceX не смогли выйти на орбиту и сгорели в атмосфере.
Мощные магнитные бури могут мешать распространению сигналов в ионосфере, вызывая сбои в работе GPS и высокочастотной радиосвязи. Это может негативно сказаться на навигационных системах.
Таким образом, корональные выбросы массы представляют собой серьезную угрозу как для атмосферы Земли, так и для современных технологий, что подчеркивает важность мониторинга солнечной активности для предотвращения потенциальных последствий [6].
Влияние космической погоды на авиацию
Ионосфера - часть атмосферы Земли, которая в значительной степени состоит из ионизированных частиц - ответственна за некоторые из самых больших ошибок в измерениях GPS. Приемники GPS вычисляют расстояния между собой и спутниками на основе разницы во времени передачи сигнала и времени прибытия сигнала. Однако в ионосфере сигнал преломляется из-за большого количества свободных электронов, присутствующих там. Это изменяет скорость сигнала, задерживая его
прибытие к приемнику. Это увеличивает вычисленное расстояние, значительно снижая точность измерений местоположения [1].
Сезонные изменения и солнечные циклы могут оказывать значительное влияние на характеристики ионосферы. Это делает ее поведение предсказуемым в определенной степени, но непредсказуемые солнечные вспышки и выбросы корональной массы создают дополнительные сложности. Эти явления могут вызывать резкие изменения в плотности свободных электронов, что приводит к сбоям в радиосигналах и навигационных системах.
Большинство пользователей GPS в первую очередь озабочены устранением ионосферной ошибки, но полученная оценка общего содержания электронов также может использоваться как отдельный продукт данных - например, для мониторинга событий космической погоды, которые могут нарушать сигналы связи многих видов [1].
Потеря сигнала из-за «мерцаний» наиболее вероятна во время сильных солнечных бурь. Солнечные радиовсплески могут наблюдаться на частотах, совпадающих с частотами, используемыми системой спутниковой навигации. Так в декабре 2006 года правополяризо-
ванная волна солнечного радиовсплеска на частотах L1 и L2 (используемых в спутниковой навигации) привела к полной потере GPS сигнала в течение 10 минут [3].
Методы защиты от неблагоприятного влияния космической погоды
Одной из особенностей разработанной компьютерной системы является возможность сопоставлять пространственные распределения аврорального овала и различных сложных пространственно-распределенных технологических систем. На рисунке 2 показан результат моделирования пространственного распределения параметра рA, приведенного к вероятности наблюдения полярных сияний для суббури 4 февраля 2022 г., 18:30 UT (AE-1480 нТл). Зеленожелтый градиент изолиний определяет географические границы региона, внутри которого вероятность наблюдения полярных сияний составляет не менее ~60%, желто-оранжевый - не менее ~85 %, оранжево-красный — не менее 99% [5]. Интенсивные геоиндуцируемые токи (ГИТ) и электрические теллурические поля могут приводить к сбоям систем сигнальной автоматики на данных участках.
Рис. 2. Результат моделирования пространственного распределения параметра pA [5]
Таким образом, предложенная компьютерная интерактивная модель краткосрочного (30-70 мин.) прогноза пространственного распределения вероятности наблюдения полярных сияний способна обеспечить поддержку принятия управленческих решений, нацеленных на снижение рисков сбоя или отказа ряда технических систем высокоширотной инфраструктуры в периоды экстремальной геомагнитной активности.
Одним из них может стать разработка и внедрение навигационных алгоритмов, которые могут автоматически корректировать маршруты транспортных средств с учетом данных о текущих и прогнозируемых условиях космической погоды. В качестве примера можно привести системы наземной коррекции сигналов, таких как WAAS (Wide Area Augmentation System).
Система WAAS создана для достижения возможности использования GPS во всех стадиях полета воздушного судна. Сигнал WAAS имеет ту же частоту и схожую структуру с GPS, что облегчает его реализацию в GPS-приемниках [2].
Для защиты от воздействий космической погоды разработаны несколько методов, среди которых экранирование является одним из наиболее распространенных.
Экранирование представляет собой использование специальных материалов и конструкций для блокировки или снижения воздействия электромагнитных полей и радиации [5].
Заключение
Космическая и наземная инфраструктуры находятся в тесной взаимосвязи, что делает косвенные последствия влияния космической погоды на космическую деятельность столь
езные и продолжительные сбои в работе таких элементов космической инфраструктуры, как системы связи и навигации, могут парализовать функционирование других критически важных инфраструктур. Факты, приведенные в статье, о влиянии космической погоды на космические технологии и общую деятельность в этой сфере, а также зарегистрированные экстремальные явления космической погоды, подтверждают, что развитие технических систем, включая космические, достигло такого уровня, что воздействие факторов космической погоды может привести к серьезным катастрофам и убыткам. Это создает необходимость в разработке средств мониторинга космической погоды, методов ее прогнозирования и мер по смягчению ее последствий, а также в проведении исследований солнечной активности и ее воздействия на Землю.
же важными, как и прямые. Например, серь-
Библиографический список
1. Satellite Navigation - Wide Area Augmentation System (WAAS). Federal Aviation Administarion. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/ waas.
2. WAAS. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.avsim.su/wiki/WAAS.
3. Буров В.А. Авиаперевозки и космическая погода // Гелиогеофизические исследования. -2013. - Вып. 5. - С. 43-52.
4. Вдовина П.И., Методы защиты транспортных систем от неблагоприятных воздействий космической погоды // Научный аспект. - 2024. - № 6.
5. Воробьев А.В., Соловьев А.А., Пилипенко В.А., Воробьева Г.Р. Интерактивная компьютерная модель для прогноза и анализа полярных сияний. Солнечно-земная физика. -2022. - Т. 8, № 2. - С. 93-100. - DOI: 10.12737/szf-82202213.
6. Куницына В.Е., Назаренко М.О., Нестеров И.А., Падохин А.М., Влияние солнечных вспышек на ионизацию верхней атмосферы. Анализ ряда значительных событий 23-го и 24-го солнечных циклов // ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. - 2015. - №4.
7. Влияние космической погоды на надежность функционирования транспортных систем на высоких широтах / В.А. Пилипенко, А.А. Черников, А.А. Соловьев [и др.] // Russian Journal of Earth Sciences. - 2023. - Т. 23, № 2. - С. 2008. - DOI 10.2205/2023ES000824. - EDN OTRRKP.
8. Космическая погода и космические аппараты / Н.В. Ягова, Н.В. Романова, А.А. Барат [и др.] // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. - 2009. - № 4. - С. 78-82. -EDN KXLWWB.
- Науки о 3eMne -
THE IMPACT OF SPACE WEATHER ON AVIATION
A.F. Minnigalieva, Student
N.A. Shamiev, Student
Ufa State Petroleum Technical University
(Russia, Ufa)
Abstract. The presented article discusses various aspects of the impact of space weather on aviation. Analysis of existing data shows that space weather disturbances can have both direct and indirect effects on components of aviation systems. One of the key factors is the influence of geomagnetic storms, which is associated with the occurrence of geomagnetic-induced currents (GIT). Indirect effects can be manifested through disruptions in the stable supply of electricity, failures in communication systems and errors in location determination in navigation satellite systems. The review provides information about the main factors of space weather that can pose a threat to aviation technologies and navigation systems.
Keywords: space weather, radio communications, satellites, geomagnetic storms.
