основы экологии околоземного космического

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Научно-исследовательский институт ядерной физики
имени Д.В.Скобельцына
Л.С.НОВИКОВ
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ ОКОЛОЗЕМНОГО
КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Рекомендовано УМС по физике УМО по классическому университетскому
образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальностям:
01.04.00 – физика, 01.07.00 – физика атомного ядра и частиц
Москва 2006
УДК 504:550.1/.2(075.4)
ББК 26.233я73-1+20.1я73-1
Н73
Новиков Л.С. Основы экологии околоземного космического пространства.
Учебное пособие. – М.: Университетская книга, 2006. - 84 с.
ISBN 978-5-91304-004-6
В пособии дано описание строения и свойств околоземного космического
пространства, рассмотрены различные воздействия ракетно-космической техники, наземных радиотехнических средств и производственных комплексов на
околоземную среду, возможные последствия таких воздействий и методы их
предотвращения или минимизации.
Приведены краткие сведения о правовых аспектах использования околоземного космического пространства, проводимых мероприятиях по его защите от
техногенных воздействий и международном сотрудничестве в этой области.
Пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, а также для использования при переподготовке кадров по новым перспективным направлениям науки и техники.
ISBN 978-5-91304-004-6
© Новиков Л.С., 2006
© НИИЯФ МГУ, 2006
2
Оглавление
Введение ............................................................................................................... 4
1. Околоземное космическое пространство ...................................................... 6
1.1. Электромагнитное излучение Солнца ................................................... 7
1.2. Строение атмосферы Земли .................................................................... 9
1.3. Структура ионосферы............................................................................ 16
1.4. Магнитосфера Земли ............................................................................. 20
1.5. Естественные вариации параметров околоземной среды.................. 26
2. Общая характеристика техногенных воздействий
на околоземную среду .............................................................................. 32
3. Космический мусор в околоземном пространстве..................................... 40
3.1. Состав и пространственное распределение
космического мусора ................................................................................... 40
3.2. Вероятность столкновений космических аппаратов
с техногенными объектами ......................................................................... 48
3.3. Прогнозирование эволюции космического мусора
и вероятности столкновений ....................................................................... 49
4. Химическое загрязнение околоземного космического пространства...... 54
4.1. Выбросы продуктов сгорания ракетного топлива .............................. 54
4.2. Антропогенное воздействие на озонный слой .................................... 56
4.3. Возникновение ионосферных дыр ....................................................... 60
5. Воздействие электромагнитных излучений
на ионосферу и магнитосферу ................................................................. 61
6. Радиоактивное загрязнение околоземного
космического пространства...................................................................... 66
7. Активные эксперименты в космосе ............................................................. 76
Заключение ......................................................................................................... 81
Литература .......................................................................................................... 83
3
Введение
Развитие общества сейчас уже немыслимо без широкомасштабного использования космической техники. Радиосвязь и телевидение, навигация и картография, разведка полезных ископаемых, метеорология, контроль состояния
биосферы – вот далеко не полный перечень областей, в которых находит применение космическая техника и используется получаемая с ее помощью информация. В последние годы все более широкие возможности открываются для
индивидуального доступа к различным космическим системам. Мобильные
спутниковые телефоны, индивидуальные системы спутникового телевидения и
спутниковые системы навигации прочно вошли в нашу жизнь. Интенсивное
развитие компьютерных сетей значительно расширило круг специалистов,
имеющих возможность использовать космическую информацию. Делает первые шаги космический туризм, а в недалеком будущем благодаря разработке
новых космических транспортных средств он может стать более доступным.
Таким образом, космонавтика стала важной составляющей хозяйственного механизма, а ее достижения – неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.
В космической отрасли, как и во многих других областях деятельности человечества, последовательно решались крупные ключевые задачи, каждая из которых знаменовала важный этап в развитии космических исследований и практическом использовании космической техники: на начальном этапе главной целью был сам факт прорыва в космос, т.е. запуск первого искусственного спутника Земли (ИСЗ); далее потребовалось обеспечить измерения разнообразных
параметров космической среды с помощью ИСЗ, для чего было необходимо
разработать соответствующие методы и приборы; позднее наступили этапы
создания различных космических систем для решения широкого круга прикладных задач, упомянутых выше.
Развитие деятельности человека в космосе, как мы видим, происходило по
тем же основным канонам, что и развитие технической и хозяйственной деятельности на Земле: сначала нужно было «покорить природу и заставить ее
4
служить людям», а затем обеспечить эффективное и длительное использование
открывающихся новых возможностей и природных ресурсов. Но практически в
любой сфере широкомасштабной хозяйственной деятельности на определенном
этапе неизбежно приходится решать задачи, связанные с охраной окружающей
природной среды. Космическая деятельность не является исключением в этом
отношении. Уже к середине 1970-х годов стало ясно, что эксплуатация ракетнокосмической техники может оказывать существенное влияние на состояние
околоземной среды, и возникла необходимость проведения серьезных исследований по этой проблеме. В космической деятельности, таким образом, к вопросам, связанным с защитой окружающей природной среды, пришлось обратиться менее чем через 20 лет после начала космической эры, тогда как в традиционных видах хозяйственной деятельности на Земле возникновению аналогичной ситуации предшествовало более двух столетий.
Одна из главных причин столь быстрого обострения природоохранных проблем в космической деятельности заключается в том, что космическая среда
является крайне разреженной, а уровни энергетики протекающих в ней процессов весьма низки по сравнению, например, с процессами, происходящими в
приземных слоях атмосферы или в земной коре. Кроме того, хотя космос привычно представляется нам бесконечным, размеры околоземного космического
пространства, где как раз и функционируют в основном космические аппараты
(КА), предназначенные для решения разнообразных научных и прикладных задач, не столь уж велики. Во всяком случае, как мы увидим далее, на околоземных «космических дорогах» уже становится тесно.
Термин экология, появившийся во второй половине XIX в. и первоначально
обозначавший раздел знаний о взаимодействии организмов со средой их обитания, в настоящее время используется в сочетании с понятиями, обозначающими
самые различные сферы человеческой деятельности. В широком смысле он
трактуется сейчас как наука о взаимодействии человека с окружающей природной средой, при этом во многих случаях во главу угла ставится изучение и ре5
гулирование процессов антропогенного (от греческого anthropos – человек)
воздействия на окружающую среду.
С этих позиций мы вполне обоснованно можем говорить об экологии околоземного космического пространства (ОКП), которое стало ареной интенсивной
хозяйственной деятельности, а для космонавтов, в особенности для экипажей
долговременных орбитальных космических станций, – в известном смысле непосредственной средой обитания. В дальнейшем, по мере реализации крупных
космических проектов XXI в.: строительства обитаемых баз на Луне, создания
на околоземных орбитах производственных и энергетических комплексов и др.,
присутствие людей в космосе будет расширяться.
Существует еще одна важная причина, позволяющая рассматривать ОКП как
часть среды обитания человека. Речь идет о защитной функции околоземной
среды: геомагнитное поле и атмосфера надежно защищают все живое на Земле
от губительного воздействия космических излучений. Благодаря исследованиям, проводимым с помощью космических и наземных средств, за последние десятилетия получено очень много новых данных о строении и свойствах околоземной среды, в том числе – о ее роли в общей системе солнечно-земных связей
и формировании биосферы.
В настоящем учебном пособии дано краткое описание строения и свойств
ОКП, рассмотрены различные воздействия ракетно-космической техники и наземных производственных комплексов на околоземную среду, возможные последствия таких воздействий и методы их предотвращения или минимизации.
1. Околоземное космическое пространство
Строго говоря, околоземным пространством называется пространство, ограниченное сферой, радиус которой равен среднему расстоянию от Земли до Луны (380 тыс. км). Но часто с этим понятием отождествляют пространство внутри магнитосферы Земли – области локализации геомагнитного поля, поскольку
физические условия в магнитосфере значительно отличаются от условий за ее
пределами. Поперечные размеры магнитосферы в меридиональной плоскости
6
составляют 200-250 тыс. км, а в направлении на Солнце – около 60 тыс. км.
Нижняя граница ОКП с точки зрения международного права определяется высотой 100 км, однако с физической точки зрения в качестве такой границы иногда указывают высоту 200 км, на которой ИСЗ из-за торможения в атмосфере
может сделать только один виток вокруг Земли.
1.1. Электромагнитное излучение Солнца
Солнечное электромагнитное излучение является главным фактором, обеспечивающим поступление энергии в атмосферу и на поверхность Земли, поэтому
вначале кратко рассмотрим его характеристики. Плотность потока энергии солнечного излучения в окрестности Земли составляет 1,4⋅103 Дж⋅с-1⋅м-2 . Эта величина называется солнечной постоянной. Около 9% энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое (УФ) излучение с длинами волн λ = 10 –
400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой
(400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра. Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1–10 нм) весьма мала ~5⋅10-4
Дж⋅с-1⋅м-2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. Данные о распределении энергии в солнечном спектре представлены в табл. 1.
Здесь для разных спектральных интервалов приведены абсолютные и относительные значения плотности потока энергии, а также значения энергии квантов
излучения, определяемые соотношением ε [эВ]=1240/λ [нм] (1 эВ=1,6⋅10-19 Дж).
Спектр солнечного излучения показан на рис. 1. В видимой и инфракрасной
областях он близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности
Солнца – фотосферы. В ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектр
солнечного излучения описывается другими закономерностями, поскольку излучение этих областей исходит из хромосферы (T~ 104 К), расположенной над
фотосферой, и короны (T~ 106 К) – внешней оболочки Солнца. В коротковолновой части солнечного спектра на непрерывный спектр наложен целый ряд
отдельных линий, наиболее интенсивной из которых является водородная ли7
ния Lα (λ= 121,6 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует
плотность потока излучения ~5⋅10-3 Дж⋅м-2.с-1. Интенсивность излучения в линии Lβ (λ= 102,6 нм) приблизительно в 100 раз меньше.
Таблица 1
Распределение плотности потока энергии
в спектре солнечного излучения
Интервал длин волн,
нм
Ультрафиолетовое
излучение
10–225
225–300
300–400
10–400
Видимое излучение
400–500
500–600
600–760
400–760
Инфракрасное
излучение
760–1000
1000–3000
3000–5000
760–5000
Плотность потока
энергии, Вт.м-2
Доля от общего
потока, %
Энергия квантов,
эВ
0,4
16
109
126
0,03
1,2
7,8
9,0
124–5,5
5,5–4,1
4,1–3,1
124–3,1
201
193
250
644
14,4
13,8
17,9
46,1
3,1–2,5
2,5–2,1
2,1–1,6
3,1–1,6
241
357
21
619
17,3
25,6
1,5
44,4
1,6–1,2
1,2–0,4
0,4–0,2
1,6–0,2
Рис. 1. Спектр солнечного излучения в ультрафиолетовой (УФ) видимой (ВС) и инфракрасной (ИК) областях: 1 – за пределами атмосферы Земли; 2 – на уровне моря;
пунктир – излучение абсолютно черного тела при температуре 6000 К
8
Сплошными кривыми 1 и 2 на рис. 1 изображены соответственно спектр солнечного излучения за пределами атмосферы Земли и на уровне моря. Во втором
случае интенсивность излучения снижена за счет его поглощения в атмосфере,
причем в видимой и инфракрасной областях спектра ослабление излучения
происходит неравномерно в результате селективного поглощения (заштрихованные участки) отдельными атмосферными составляющими – главным образом О2, Н2О, СО2.
Солнечное УФ-излучение в диапазоне длин волн 200–400 нм является биологически активным, т.е. обладает высокой способностью воздействовать на организмы и биосферу. Указанный диапазон принято разделять на два интервала:
320–400 нм (УФ-А) и 200–320 нм (УФ-Б).
Поверхности Земли достигает только излучение УФ-А, а вредное и даже губительное для всего живого излучение УФ-Б практически полностью поглощается атмосферным озоном (О3), о чем подробнее будет сказано ниже.
1.2. Строение атмосферы Земли
В атмосфере Земли с увеличением высоты давление убывает по закону, близкому к экспоненциальному, и описывается хорошо известной барометрической
формулой Больцмана:
(
)
P = P0 exp ⎛⎜ − mg
h⎞
kT ⎟⎠
⎝
или
(
P = P0 exp − h
)
H ,
где Р – давление на рассматриваемой высоте h в атмосфере; P0 – давление на
произвольно выбранном начальном уровне, в частном случае – у поверхности
Земли; m – масса молекул газа; g – ускорение силы тяжести; k=1,38⋅10-23 Дж⋅К-1
– постоянная Больцмана; T – абсолютная температура газа; H=kT/mg – так называемая «высота однородной атмосферы».
При подъеме в атмосфере Земли на высоту H давление падает в е раз (е – основание натурального логарифма). Высота однородной атмосферы H имеет и
9
другой смысл. Путем интегрирования барометрической формулы нетрудно показать, что если бы выше некоторого уровня h0 давление не убывало, а сохранялось равным P0, то вся атмосфера выше этого уровня уместилась бы в столбе
высотой H.
Величина H не постоянна для разных высот, поскольку с высотой изменяются значения T и m, а при достаточно больших удалениях от поверхности Земли
необходимо учитывать и изменение ускорения силы тяжести g в соответствии с
зависимостью
g = g 0 ( R0
( R0 + h ) )
2
,
где g0 – ускорение силы тяжести вблизи поверхности Земли, R0= 6370 км – радиус Земли. У поверхности Земли высота однородной атмосферы H≈ 8,5 км, на
высоте 200 км H≈ 47 км, а на высоте 500 км H≈ 97 км. Очевидно, что барометрической формулой описываются также высотные зависимости плотности атмосферы и концентрации частиц n в атмосфере.
Распределение температуры в атмосфере Земли на высотах до 100 км является немонотонным и определяется различиями условий и механизмов нагревания и охлаждения разных слоев атмосферы, которые принято выделять на основании высотного профиля температуры (рис. 2).
Ближайшая к земной поверхности область атмосферы – тропосфера, в которой происходит уменьшение температуры с ростом высоты, простирается до
12–15 км. В тропосфере сосредоточено около 90% массы атмосферы и именно в
этом атмосферном слое протекают процессы, непосредственно определяющие
погодные условия на Земле: формирование и перемещение облаков, возникновение осадков и молний и т.д.
Выше тропосферы находится стратосфера, верхняя граница которой лежит
на высоте ~50 км. В стратосфере температура повышается, а при дальнейшем
увеличении высоты – в мезосфере – вновь происходит снижение температуры,
сменяющееся ее ростом на высотах более 80-85 км, где располагается термосфера. Указанные атмосферные области разделены так называемыми «пауза10
ми», в пределах которых изменяется характер зависимости температуры от высоты. Соответственно выделяют тропопаузу, стратопаузу, мезопаузу.
Рис. 2. Изменение температуры атмосферы с увеличением высоты
Столь сложный высотный профиль температуры обусловлен многообразием
процессов поглощения и переноса энергии в атмосфере. Так, поглощение солнечного излучения, характеристики которого рассмотрены выше, зависит как от
длины волны излучения, так и от состава и плотности атмосферы на разных высотах. На уровне моря основными компонентами атмосферы являются: N2 –
78 %, O2 – 21 %, Ar – 0,9 %, CO2 – 0,03 %. До высоты ~100 км состав атмосферы
мало меняется из-за ее турбулентного перемешивания, и средняя масса молекул
остается приблизительно постоянной: m=4,83⋅10-26 кг (M=28,97).
Однако в указанном высотном интервале помимо основных газов присутствуют так называемые малые составляющие (их общее содержание в атмосфере
не превышает 1%) – озон, соединения азота и хлора и др., участвующие в многочисленных фотохимических процессах. Для нашего рассмотрения наиболее
важной малой составляющей является озон O3, образующий в атмосфере слой в
интервале высот ~10–60 км с максимумом на высоте 20–25 км (рис. 3). Общее
содержание озона в этом слое невелико: если озон привести к нормальным атмосферным условиям (давлению и температуре) на уровне моря, то толщина
11
слоя составит всего ~3 мм. Но несмотря на это, озонный слой играет очень
большую роль в обеспечении защитной функции атмосферы, так как именно в
нем поглощается упоминавшееся выше вредное для обитателей Земли излучение УФ-Б с λ = 200 – 320 нм. Увеличение температуры в стратосфере (см. рис.
2) обусловлено значительным энерговыделением в озонном слое.
Рис. 3. Высотный профиль
концентрации озона
в атмосфере
Выше 100 км состав атмосферы постепенно меняется, в частности существенным становится процесс диссоциации молекул кислорода, т.е. происходит
увеличение содержания атомарного кислорода, а также начинается обогащение
атмосферы легкими газами (гелием, а на больших высотах – и водородом) за
счет диффузионнoго разделения газов в гравитационном поле Земли (рис. 4а,б).
а
б
Рис. 4. Концентрация атмосферных составляющих на разных высотах
В связи с рассмотрением состава атмосферы отметим, что излучение Солнца
с длинами волн короче 200 нм, которое не поглощается озоном, тоже является
12
вредным для всего живого на Земле. Однако такое излучение эффективно поглощается молекулами и атомами кислорода, а также молекулами азота, которые, как видно из рис. 4, в значительном количестве присутствуют на высотах
до 300–500 км. На рис. 5 представлена суммарная картина поглощения коротковолнового солнечного излучения атмосферными газами.
Рис. 5. Высота проникновения излучения в атмосферу с ослаблением в е раз:
горизонтальными стрелками указаны интервалы длин волн, в которых поглощение
обеспечивается молекулами О3, О2, N2 и атомами О
Следует указать, что защитная функция атмосферы не исчерпывается поглощением солнечного электромагнитного излучения. В атмосфере поглощаются
потоки заряженных частиц различных энергий, а также сгорают метеорные тела
и искусственные космические объекты, что будет обсуждаться в последующих
разделах.
На высотах более 100 км – в термосфере – температура постепенно возрастает, достигая некоторого значения, которое остается приблизительно постоянным выше 500–600 км – в экзосфере. Нагревание термосферы происходит за
счет поглощения коротковолнового солнечного излучения, а также за счет ряда
дополнительных физических механизмов: поглощения энергии волновых движений, возникающих в атмосфере, вторжения в атмосферу потоков заряженных
частиц, возникновения токовых систем в ионизованной части атмосферы – ионосфере, строение и характеристики которой будут рассмотрены далее.
13
Заканчивая классификацию областей атмосферы, укажем, что интервал высот, занимаемый тропосферой и стратосферой, называют нижней атмосферой,
а области, лежащие выше (мезосферу, термосферу и экзосферу), – верхней атмосферой. Иногда используют более сложную классификацию, выделяя промежуточную среднюю атмосферу. Область постоянного состава атмосферы до
высоты ~100 км, куда попадают тропосфера, стратосфера, мезосфера и нижняя
часть термосферы, называют гомосферой, а вышележащие области, где состав
атмосферы меняется, – гетеросферой.
Температура наиболее удаленной от земной поверхности области атмосферы
– экзосферы, обозначаемая обычно как Т∞ , сильно меняется в зависимости от
уровня солнечной активности. Соответственно меняются значения плотности и
давления газа в атмосфере. Происходящие изменения иллюстрируются рис. 6,
на котором изображены высотные профили температуры, плотности и давления
атмосферы при разных уровнях солнечной активности. Значение экзосферной
температуры Т∞ = 1000 К соответствует среднему уровню активности, а значения Т∞ = 500 К и Т∞ = 2000 К – низкому и высокому уровням. Заштрихованными участками показаны результаты измерений параметров атмосферы с помощью метеорологических ракет в интервале высот 100–200 км.
В табл. 2 приведены параметры атмосферы Земли в интервале высот 2003000 км для высокого уровня солнечной активности. Представленные в таблице
значения параметров атмосферы – результат усреднения с учетом времени суток, координат точки наблюдения, солнечной и геомагнитной активности.
Вариации параметров верхней атмосферы описываются с помощью различных эмпирических и теоретических моделей, которые позволяют рассчитать
высотные распределения параметров при задании конкретных условий, характеризующих солнечную и геомагнитную активность. В большинстве моделей в
качестве основного параметра используется упоминавшаяся экзосферная
температура Т∞.
14
Рис. 6. Высотные распределения параметров атмосферы Земли при разных уровнях солнечной активности
Таблица 2
Усредненные значения параметров атмосферы Земли
в диапазоне высот 200–3000 км
Высота,
км
Давление,
Па
Плотность,
кг⋅м-3
Температура,
К
Концентрация
частиц, м-3
200
1,9.10-4
4,3.10-10
1290
1,0.1016
300
3,5.10-5
5,5.10-11
1650
1,5.1015
400
9,6.10-6
1,3.10-11
1730
4,0.1014
500
3,2.10-6
3,9.10-12
1750
1,3.1014
600
1,2.10-6
1,4.10-12
1760
4,9.1013
800
2,1.10-7
2,2.10-13
1770
8,6.1012
1000
4,9.10-8
4,3.10-14
1770
2,0.1012
1500
5,7.10-9
2,2.10-15
1770
2,3.1011
2000
2,2.10-9
6,0.10-16
1770
8,9.1010
3000
4,9.10-10
1,9.10-16
1900
1,9.1010
15
1.3. Структура ионосферы
В результате воздействия солнечного ультрафиолетового и рентгеновского
излучения, а также потоков заряженных частиц – электронов и протонов, вторгающихся в верхнюю атмосферу Земли, часть атомов и молекул верхней атмосферы находится в ионизованном состоянии. Свободные электроны и ионы, содержащиеся в верхней атмосфере, оказывают влияние на распространение радиоволн. Если частота посланного с поверхности Земли радиосигнала меньше
некоторой частоты f0 , называемой критической частотой, радиосигнал отразится от ионизованной области верхней атмосферы и вернется на Землю. На
этом эффекте основана дальняя радиосвязь в коротковолновом диапазоне. Критическая частота связана с концентрацией свободных электронов в отражающем слое соотношением
ne[м-3]=1,24⋅1010 f0 [МГц].
В течение приблизительно пятидесяти лет – с начала ХХ столетия, когда была открыта ионосфера (сам термин «ионосфера» появился позднее – в 1926 г.),
до начала 1950-х годов исследования ионосферы проводились главным образом
путем зондирования радиосигналами, посылаемыми с поверхности Земли. В
этот период сложились основные представления о структуре ионосферы, было
введено понятие об ионосферных слоях D, E и F с разными критическими частотами и соответственно с различным содержанием свободных электронов и
ионов. В 1950-х годах были начаты ракетные исследования верхней атмосферы
и ионосферы, позволившие провести прямые измерения концентрации электронов и ионов на разных высотах. Позднее такие измерения стали проводиться и с
помощью аппаратуры, устанавливавшейся на ИСЗ.
В настоящее время ионосфера определяется как область атмосферы Земли на
высотах 30–1000 км, содержащая частично ионизованную холодную плазму.
Указанная верхняя граница ионосферы введена условно, поскольку вблизи нее
параметры ионосферной плазмы не претерпевают каких-либо резких изменений, и ионосфера плавно переходит в плазмосферу.
16
Скорость ионообразования при ионизации нейтральных атомов и молекул
верхней атмосферы зависит от двух противоположно действующих факторов:
снижения интенсивности потока ионизирующего излучения по мере его проникновения в атмосферу и уменьшения концентрации нейтральных частиц атмосферы с увеличением высоты. Отсюда следует, что на некоторой высоте
должны обеспечиваться оптимальные условия для ионизации, т.е. должен образовываться ионизованный слой атмосферы, на который приходится максимумом концентрации электронов и ионов.
Эффективность ионизации, определяемая как число ионно-электронных пар,
образующихся при поглощении одного фотона с энергией ελ, обычно меньше 1.
Типичными примерами фотоионизации в ионосфере являются реакции:
O 2 + ε λ → O +2 + e
,
O2 + ε λ → O + O + e .
Минимальная энергия квантов, при которой возможен процесс фотоиониза+
ции, и соответствующая этой энергии максимальная длина волны определяются
потенциалом ионизации атома или молекулы. В табл. 3 приведены значения
этих величин для наиболее важных атмосферных составляющих.
Обратным процессом, обеспечивающим исчезновение электронов и ионов,
является рекомбинация. Различают радиативную рекомбинацию, при которой
энергия, освобождающаяся при захвате электрона, выделяется в виде излучения
O+ + e → O + ε λ ,
и диссоциативную рекомбинацию типа
O 2+ + e → O + O ,
NO + + e → N + O .
Распределение заряженных частиц по высоте зависит и от диффузионных
процессов в ионосфере, обеспечивающих вертикальный перенос частиц. Локальная электронная концентрация на любом уровне ионосферы определяется
совокупным действием всех перечисленных процессов.
17
Таблица 3
Потенциалы ионизации атмосферных составляющих
Атом или
молекула
NO
O2
Потенциал ионизации,
эВ
9,25
Максимальная длина волны,
нм
134,0
12,08
102,7
H
13,59
91,2
O
H2
13,62
15,41
91,0
80,4
N2
15,57
79,6
Ar
He
15,74
24,58
78,7
50,4
Из–за различия условий поглощения ионизирующих излучений разных видов, а также состава и плотности нейтральной атмосферы на разных высотах в
ионосфере образуется как бы несколько накладывающихся один на другой отдельных слоев. Высотный профиль электронной концентрации является результатом суперпозиции этих слоев. Такая схема формирования ионосферы
изображена на рис. 7. Стрелками показаны излучения, дающие наибольший
вклад в ионизацию на разных высотах.
Рис. 7. Схема формирования ионосферы. Цифрами
указаны основные источники ионизации:
1 – галактические и солнечные космические лучи;
2 - солнечное рентгеновское излучение с λ < 1 нм
и линия Lα; 3 – солнечное
рентгеновское излучение с
λ = 1–10 нм; 4 – солнечное
УФ излучение, включая
линию Lβ; 5 – УФ излучение и потоки заряженных
частиц низких энергий; 6 –
УФ излучение
Реально разделение ионосферы на отдельные слои отсутствует, а высотам,
которые ранее по результатам радиолокационных измерений отождествлялись
со слоями ионосферы, соответствуют значительные градиенты и локальные
18
максимумы электронной концентрации. Сейчас употребляется термин «области
ионосферы».
Помимо концентрации заряженных частиц в ионосфере, важными параметрами являются значения электронной Те и ионной Тi температур ионосферной
плазмы, которые могут быть неодинаковы и несколько отличны от температуры нейтральной атмосферы. В общем случае Те >Тi >Т, причем соотношение
между температурами зависит от высоты и времени суток.
Вариации параметров ионосферной плазмы также описываются с помощью
ряда моделей. Типичные изменения вертикального профиля электронной концентрации в зависимости от времени суток и уровня солнечной активности,
рассчитанные по одной из моделей, показаны на рис. 8. Здесь представлены
профили электронной концентрации для ночного времени при низкой солнечной активности (кривая 1) и для дневного времени при высокой солнечной активности (кривая 2). Кривыми 3, 4, 5 показаны результаты ракетных измерений
электронной концентрации в различных геофизических условиях. Эти данные
укладываются в расчетный диапазон изменения электронной концентрации, но
свидетельствуют о наличии ее мелкомасштабных вариаций. Буквенные обозначения на рис. 8 соответствуют принятому сейчас делению ионосферы на области D, E, F1, F2, определяемые по характерным изменениям профиля электронной концентрации.
Рис. 8. Вариации концентрации электронов в ионосфере Земли в зависимости от
уровня солнечной активности
19
Зная концентрацию свободных электронов в ионосфере, с помощью выражения для критической частоты можно определить минимальную частоту радиосигнала, способного пройти сквозь ионосферу, причем как от Земли в космическое пространство, так и в обратном направлении. Следовательно, на частотах
выше критической можно осуществлять радиосвязь с КА. Но диапазон частот
космической радиосвязи имеет и верхнюю границу, которая обусловлена поглощением радиоволн в тропосфере водяным паром и молекулами кислорода. С
учетом этих двух критериев для радиосвязи с космическими объектами используется диапазон частот 102 – 104 МГц, которому соответствует диапазон длин
волн от 3 м до 3 см.
1.4. Магнитосфера Земли
Общая структура магнитосферы Земли показана на рис. 9, где по горизонтальной оси отложено геоцентрическое расстояние в земных радиусах RЗ. В сопоставлении с масштабами магнитосферы толщины рассмотренных нами слоев
атмосферы и ионосферы весьма малы. Магнитное поле Земли, если говорить о
его защитной функции, встречает космические излучения на дальних подступах
к нашей планете. Однако в данном случае, в отличие от атмосферы, речь идет
только о защите от потоков заряженных частиц, которые отклоняются магнитным полем.
Рис. 9. Структура магнитосферы Земли
20
Геомагнитное поле, создаваемое внутриземными источниками, приближенно
аппроксимируется с помощью диполя, ось которого наклонена относительно
оси вращения Земли на 11,5°, а его центр смещен приблизительно на 500 км в
сторону Тихого океана. В результате геомагнитные координаты не совпадают с
географическими. Магнитный момент диполя МЗ = 8,1⋅1015 Тл⋅м3.
Дипольный характер геомагнитного поля сохраняется до высот ~3–4 RЗ. На
больших удалениях от Земли поле искажается и может претерпевать значительные изменения за счет общей асимметрии магнитосферы и создания дополнительных магнитных полей совокупностью токов, текущих в магнитосферной плазме. Деформация геомагнитного поля обусловлена воздействием на
него солнечного ветра (СВ) – потока плазмы, непрерывно вытекающего в межпланетное пространство из внешней полностью ионизованной газовой оболочки Солнца – короны.
Плазма СВ, состоящая в основном из протонов и электронов с концентрацией (7-8)⋅106 м-3, имеет температуру ~105 К и движется в окрестности Земли со
скоростью 400-500 км⋅с-1. Параметры СВ зависят от уровня солнечной активности. Во время вспышек на Солнце скорость потока СВ может возрастать до
~1000 км⋅с-1 при одновременном увеличении концентрации частиц плазмы и
обогащении ее ядрами гелия.
Поток плазмы СВ, взаимодействуя с геомагнитным полем, прижимает силовые линии к Земле на освещенной (дневной) стороне и вытягивает их в антисолнечном направлении.
На освещенной стороне граница магнитного поля выражена резко – это поверхность, на которой давление СВ уравновешивается давлением магнитного
поля Земли, в результате чего поток СВ не проникает дальше в глубь магнитосферы, а начинает обтекать ее в направлении на ночную сторону. Указанная
граница магнитосферы, расположенная на дневной стороне на геоцентрическом
расстоянии ~10 RЗ, называется магнитопаузой. Перед магнитопаузой на расстоянии 3-4 RЗ от нее находится фронт ударной волны, создаваемой сверхзву21
ковым потоком СВ. Между фронтом ударной волны и магнитопаузой располагается переходная область, в которой параметры СВ меняются и плазменный
поток начинает обтекать магнитосферу, образуя на ее внешней поверхности
плазменную мантию.
Геомагнитные силовые линии, вытянутые на ночной стороне очень далеко в
антисолнечном направлении, формируют магнитный шлейф (хвост) магнитосферы, простирающийся на расстояние до ~1000RЗ.
Все пространство внутри магнитосферы заполнено заряженными частицами,
которые, в зависимости от их вида, энергии, пространственного распределения
и характера движения, относят к различным структурным областям. Как уже
указывалось, ионосфера на высоте 1000 км переходит в плазмосферу. Внешняя
граница плазмосферы (плазмопауза) находится на геоцентрическом расстоянии
~4RЗ. В плазмосфере происходит постепенное уменьшение концентрации частиц и увеличение температуры. На плазмопаузе наблюдается скачкообразное
уменьшение концентрации частиц от ~109 м-3 в плазмосфере до 107 м-3 за ее
пределами и увеличение температуры от ~104 К до ~105 К, что соответствует
изменению кинетической энергии частиц от ~1 эВ до ~10 эВ.
Положение плазмопаузы зависит от геофизических условий: при повышении
геомагнитной активности плазмопауза приближается к Земле, а при понижении
– удаляется. Наличие отчетливо выраженного скачка электронной концентрации на плазмопаузе обусловлено разным характером движения заряженных
частиц в плазмосфере и за ее пределами. Внутри плазмосферы плазма совершает вращательное движение вместе с Землей, а за плазмопаузой конвективное
движение плазмы контролируется электрическими и магнитными полями
внешней магнитосферы.
С плазмосферой пространственно частично перекрываются радиационные
пояса Земли (РПЗ), в которых сосредоточены захваченные геомагнитным полем
электроны, протоны и более тяжелые ионы с характерными энергиями ~105–
108 эВ. С момента открытия РПЗ их принято разделять на внутренний, центр
которого в экваториальной плоскости находится на высоте около 3000 км, и
22
внешний с центром на высоте 15–20 тыс. км. В настоящее время такое разделение часто не производится, а для обозначения РПЗ используется также термин
область захваченной радиации.
Важнейшую роль в динамике магнитосферы играет кольцевой ток – плазменное тороидальное образование, формирующееся в области геомагнитного
экватора на высотах (3–5)RЗ в процессе развития магнитной бури. Плазма кольцевого тока, текущего с востока на запад, содержит ионы солнечного и ионосферного происхождения (Н+, О+ и др.) с энергиями ~10–100 кэВ. Кольцевой
ток создает магнитное поле, которое при наложении на исходное геомагнитное
поле ослабляет его – это так называемая «Dst-вариация».
По амплитуде Dst-вариации, регистрируемой на земной поверхности, судят о
силе магнитной бури: слабыми считаются бури с Dst<50 нТл, а сильными – с
Dst> 100 нТл. По сравнению с магнитной индукцией у поверхности Земли, величина которой составляет ~5⋅10-5 Тл (0,5 Гс), амплитуда Dst-вариаций мала
(0,1–1 %), но она сопоставима с величиной магнитного поля во внешних областях магнитосферы.
Плазменный слой занимает обширную область внутри хвоста магнитосферы
и как бы охватывает плазмосферу на некотором удалении от плазмопаузы.
Средние энергии электронов и протонов плазменного слоя составляют
0,5-1 кэВ и 5 кэВ соответственно при концентрации частиц (0,5-1)⋅106 м-3.
Плазменный слой играет весьма существенную роль в протекании магнитосферных процессов, являясь одним из источников частиц РПЗ и кольцевого тока, а также источником частиц, вторгающихся в верхнюю атмосферу в полярных областях и вызывающих полярные сияния.
В области хвоста магнитосферы поперек плазменного слоя течет электрический ток, являющийся частью общей системы магнитосферных токов, в которую входят также горизонтальные токи, текущие в ионосфере, и связывающие
их с внешней магнитосферой токи, направленные вдоль геомагнитных силовых
линий. Система магнитосферных токов весьма чувствительна к внешним воздействиям на магнитосферу, которые будут рассмотрены ниже.
23
От каких же заряженных частиц защищает обитателей Земли ее магнитное
поле? С одним из потоков заряженных частиц – потоком СВ мы уже познакомились. Плазма СВ может проникать в магнитосферу через щелеобразные воронки в магнитном поле Земли (полярные каспы), которые образуются между
силовыми линиями, замыкающимися на дневной стороне и уходящими на ночную сторону в хвост магнитосферы. Другим возможным механизмом проникновения СВ внутрь магнитосферы является диффузия через неустойчивую границу плазменной мантии. И, наконец, СВ может проникать в магнитосферу через удаленные области магнитосферного хвоста. По мере продвижения частиц в
глубь магнитосферы их энергия увеличивается. Процессы проникновения СВ в
магнитосферу очень важны для поддержания в ней равновесной концентрации
заряженных частиц, однако до поверхности Земли частицы СВ не доходят и не
создают непосредственной опасности для ее обитателей.
Помимо СВ, в окрестность Земли приходят еще два различных по физической природе потока заряженных частиц: солнечные и галактические космические лучи. Солнечными космическими лучами (СКЛ) принято называть потоки
заряженных частиц (в основном протонов) с энергиями ~1–104 МэВ, которые
испускаются Солнцем во время интенсивных вспышек. Галактические косми-
ческие лучи (ГКЛ) – это изотропный поток протонов и более тяжелых ядер,
приходящий из удаленных областей Галактики и из-за ее пределов. Энергия
частиц ГКЛ заключена в диапазоне 103–1015 МэВ.
При вторжении в магнитосферу Земли заряженные частицы СКЛ и ГКЛ отклоняются геомагнитным полем, двигаясь по винтовым линиям, радиус r и шаг
l которых определяются соотношениями:
r=mv sinα/qB;
l=mv cosα2π /qB,
где m, q, v – масса, заряд и скорость частицы; В – магнитная индукция,
α – угол между вектором скорости частицы и направлением силовой линии.
С учетом релятивистских эффектов, который необходим для частиц высоких
энергий, и неоднородности геомагнитного поля движение частиц описывается
более сложными соотношениями. Тем не менее понятно, что частицы легче
24
всего проникают в магнитосферу в полярных областях, где угол α мал, и труднее – вблизи экватора. Это наглядно иллюстрируется рис. 10, на котором изображены дифференциальные энергетические спектры протонов ГКЛ за пределами магнитосферы (кривая 1) и на двух околоземных орбитах с высотой ~500
км и наклонениями i~90° (кривая 2) и i~ 30° (кривая 3) (i – угол между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты). Видно, что для орбиты с большим
наклонением, проходящей через полярные области, спектр мало отличается от
исходного, а для орбиты с малым наклонением он резко ограничен со стороны
низких энергий (эффект геомагнитного обрезания).
Рис. 10. Иллюстрация
эффекта геомагнитного обрезания
Частицы, преодолевшие отклоняющее действие геомагнитного поля, способны проникнуть глубоко в атмосферу, но до поверхности Земли они практически
не доходят – то есть и в этом случае атмосфера обеспечивает надежную защиту.
Протоны СКЛ, имеющие в целом более низкую начальную энергию по сравнению с частицами ГКЛ, теряют ее преимущественно в процессах ионизации атмосферных составляющих. В частности, вторжение интенсивного потока СКЛ в
полярную область вызывает сильную дополнительную ионизацию нижней части ионосферы – области D, что приводит к возникновению известного эффекта
поглощения радиоволн в полярной шапке (ППШ).
25
Высокоэнергетические частицы ГКЛ при ядерных взаимодействиях с азотом
и кислородом атмосферы инициируют каскадные процессы, конечными продуктами которых у поверхности Земли являются мюоны (μ-мезоны), электроны
и в небольшом количестве нейтроны и γ-кванты. Это вторичное излучение
обеспечивает космическую составляющую естественного радиационного фона
с эквивалентной дозой ~300 мкЗв/год, которая сопоставима с радиационным
фоном, создаваемым почвой и горными породами.
Следует отметить, что часть нейтронов, рождающихся в ядерных взаимодействиях, уходит на большие высоты (нейтроны альбедо), где образующиеся при
их распаде электроны и протоны захватываются геомагнитным полем. Это второй механизм пополнения РПЗ.
РПЗ, в свою очередь, являются источником еще одного идущего к земной
поверхности потока заряженных частиц – электронов с энергиями ~1–15 МэВ,
которые «высыпаются» из поясов. Но и эти частицы практически полностью
расходуют свою энергию на ионизацию атмосферы выше тропопаузы.
Усредненные параметры потоков частиц РПЗ, СКЛ и ГКЛ приведены в табл. 4.
Таблица 4
Усредненные параметры потоков частиц высокой энергии в ОКП
Вид излучения
Радиационные
пояса Земли
Состав
протоны
Электроны
Энергия частиц,
МэВ
1 – 30
>30
0,1 – 1,0
>1,0
Плотность потока,
м-2.с-1
3⋅1011
2⋅108
1⋅1012
1⋅1010
Солнечные космические лучи
Протоны
1 – 104
107 – 108
Галактические
космические лучи
протоны
ядра гелия
более тяжелые ядра
102 – 1015
(для всех
групп ядер)
1,5⋅104
1⋅103
1,2⋅101
1.5. Естественные вариации параметров околоземной среды
Характеристики всех рассмотренных областей околоземного пространства
претерпевают значительные изменения, связанные с изменениями солнечной и
геомагнитной активности. Температура верхней атмосферы, как мы видели,
может меняться в 3–4 раза (рис. 6), при этом изменения плотности и давления
26
достигают 2–3 порядков величины. Таков же приблизительно диапазон вариаций концентрации заряженных частиц в ионосфере на фиксированной высоте.
Значительно изменяются потоки заряженных частиц в радиационных поясах
Земли, электрические токи, текущие в ионосферной и магнитосферной плазме,
положения границ магнитосферы и отдельных структурных образований внутри нее. Например, во время очень мощных солнечных вспышек удаление магнитопаузы от Земли на дневной стороне может уменьшаться с 10 RЗ до 4-5 RЗ, а
плазмопауза в зависимости от уровня геомагнитной активности перемещается в
пределах 3-6 RЗ.
Происходящие изменения определяются внешними воздействиями на магнитосферу Земли, универсальной мерой которых могут служить энергетические
характеристики процессов воздействия. Главной составляющей потока энергии,
приходящего в околоземное пространство, является солнечное электромагнитное излучение. Но выше тропосферы поглощается лишь очень незначительная
часть этого потока – в ультрафиолетовой и рентгеновской областях солнечного
спектра (см. рис. 5). Основная же доля энергии, заключенная в видимой и инфракрасной областях спектра, участвует в обеспечении теплового баланса земной поверхности и атмосферы, который складывается из потоков энергий, отражаемых, поглощаемых и переизлучаемых нижними слоями атмосферы и земной поверхностью. С учетом углов падения солнечных лучей на сферическую
поверхность Земли и затенения в каждый момент времени половины поверхности, поток энергии, участвующий в тепловом балансе, составляет четвертую
часть от солнечной постоянной, т.е. 350 Вт⋅м-2. Приблизительно треть этой
энергии отражается, а остальная поглощается нижними слоями атмосферы и
поверхностью Земли с последующим переизлучением.
При анализе воздействий на ОКП нас будут интересовать те сравнительно
слабые потоки энергии, которые поглощаются в верхней атмосфере и магнитосфере. Как мы уже знаем, помимо электромагнитного излучения переносчиками энергии от Солнца в околоземное пространство являются потоки СВ и СКЛ,
первый из которых существует постоянно, а второй возникает спорадически.
27
Энергетические параметры перечисленных выше потоков приведены в табл. 5,
там же указаны параметры потока ГКЛ.
Таблица 5
Потоки энергии в окрестности Земли
Вид излучения
Плотность потока
энергии, Вт⋅м-2
Относительное
изменение
1,4⋅103
10-3
10-1
101
10-4
103
3⋅10-4
(2-3)⋅101
(3-4)⋅10-7
102
2⋅10-3
103
7⋅10-6
(1-3)⋅10-1
Полное электромагнитное излучение
Солнца
УФ- и рентгеновское излучение
с λ<120 нм
Рентгеновское излучение
с λ<2,5 нм
СВ
СКЛ
среднее
при вспышке
ГКЛ
Из табл. 5 видно, что поток энергии коротковолнового солнечного излучения
с λ < 120 нм, поглощаемый в верхней атмосфере (см. рис. 5), намного превосходит другие потоки, а поток рентгеновского излучения с λ < 2,5 нм, испытывающий очень значительные вариации в зависимости от уровня солнечной активности, сопоставим с потоком СВ и может его превосходить. Усредненный
по времени поток энергии СКЛ весьма мал, но во время вспышек он может увеличиваться на 4 порядка. Плотность потока энергии ГКЛ на два порядка меньше по сравнению с СВ.
Обсуждая внешние воздействия на магнитосферу Земли, следует указать еще
два важных фактора, о которых не упоминалось ранее: межпланетное магнит-
ное поле (ММП) и корональные выбросы массы. Поток плазмы СВ несет магнитное поле (~5-50 нТл), захваченное на Солнце, и, как принято говорить,
«вмороженное» в плазму. Это поле, являющееся основной составляющей
ММП, имеет характерную искривленную из-за вращения Солнца секторную
структуру с противоположными знаками в соседних секторах (рис. 11). Поле,
28
направленное от Солнца, считается положительным, а к Солнцу – отрицательным. Если вблизи границы магнитосферы вектор ММП имеет значительную
составляющую, направленную противоположно геомагнитным силовым линиям, происходит их пересоединение с ММП, существенно влияющее на процессы деформации магнитосферы и проникновения в нее плазмы СВ.
С ММП связана модуляция потока ГКЛ (~30%) в противофазе с изменениями
солнечной активности на протяжении 11-летнего цикла: при усилении ММП с
повышением активности происходит вытеснение ГКЛ из Солнечной системы, а
при ослаблении ММП его воздействие на ГКЛ уменьшается. Подобный эффект,
но несколько меньшей амплитуды, наблюдается и при одиночных солнечных
вспышках (форбуш-понижение потока ГКЛ).
Рис. 11. Секторная структура ММП
Корональные выбросы массы – это замагниченные плазменные облака, спорадически выбрасываемые из солнечной короны, причем необязательно во время вспышек, хотя частота их появления коррелирует с солнечной активностью.
Такие облака, имеющие более высокую скорость, чем поток СВ, при движении
сквозь него создают ударную волну, в области которой возникают плазменные
волны и генерируются электромагнитные излучения. Корональные выбросы
вызывают значительные возмущения магнитосферы вплоть до возникновения
сильных магнитных бурь.
Максимальная энергия, которая может быть запасена в магнитосфере Земли,
определяется энергией геомагнитного поля и равна 8,4⋅1017 Дж. Для сопостав29
ления отметим, что приблизительно такую же величину составляет энергия типичного циклона или энергия, выделяющаяся за 1 секунду при сильном землетрясении.
Средняя энергия магнитной бури, расходуемая в магнитосфере преимущественно на формирование кольцевого тока, джоулев нагрев верхней атмосферы и
ее дополнительную ионизацию потоками высыпающихся частиц, равна 1015 –
1016 Дж, а для очень сильных бурь достигает 1017 Дж. Возвращаясь к рассмотрению табл. 5, можно констатировать, что крупномасштабные магнитосферные
процессы, в которых выделяется энергия, сопоставимая с максимальной энергией магнитосферы, инициируются внешними воздействиями, мощность которых на 3-5 порядков ниже солнечной постоянной.
Эффективность таких воздействий в значительной степени определяется тем,
что для локального или глобального нарушения динамического равновесного
состояния магнитосферы может быть достаточна энергия, намного меньшая
энергии, выделяющейся в последующих магнитосферных процессах. Подобные
явления часто называют триггерными по аналогии с процессами в триггере –
электронной схеме, воздействие на которую маломощного электрического импульса переводит ее в другое состояние.
К настоящему времени надежно установлено, что весьма слабый поток ГКЛ
может оказывать значительное влияние даже на протекание процессов в тропосфере. Это влияние обусловлено изменениями прозрачности атмосферы при
вариациях потока ГКЛ. Дело в том, что ГКЛ являются основным фактором, вызывающим ионизацию атмосферы на высотах ниже 20 км, а образующиеся ионы при взаимодействии с аэрозольными частицами создают центры конденсации, приводя тем самым к увеличению облачности и снижению прозрачности
атмосферы. Таким образом, при увеличении потока ГКЛ прозрачность атмосферы снижается, а при уменьшении – возрастает. Соответственно изменяется
тепловой баланс земной поверхности и атмосферы, о котором упоминалось
выше, и происходит перестройка циркуляционных процессов в тропосфере.
30
Частицы ГКЛ, а при солнечных вспышках – СКЛ, влияют и на состояние
озонного слоя. В разрушении атмосферного озона важную роль играет каталитический цикл:
NO + O3 → NO2+ O2 ,
NO2 + O → NO+O2 .
При протекании этих реакций содержание NO и NO2 в атмосфере не изменяется, т.е. окислы азота выполняют только функцию катализаторов.
Образование NO и NO2 на высотах озонного слоя происходит в результате
цепочки ионно-молекулярных реакций, начинающихся с ионизации молекул
N2, которая обеспечивается главным образом заряженными частицами, поскольку необходимое для ионизации N2 солнечное излучение с λ<80 нм (см.
табл. 3) поглощается на больших высотах (рис. 5). В полярных областях во
время солнечных вспышек наряду с упоминавшимся ранее эффектом ППШ неоднократно наблюдалось снижение концентрации озона, достигающее на высотах проникновения СКЛ (выше 40-50 км) 20-30%.
Для обозначения совокупности факторов, определяющих состояние околоземной космической среды и происходящие в ней изменения, в научной литературе прочно утвердился термин космическая погода. Приведенные выше
примеры показывают, что погода в космосе отражается и на привычных нам
погодных явлениях вблизи поверхности Земли. Хотя физические механизмы
влияния космической погоды на биосферу и существующие в ней организмы до
конца не изучены, накоплено множество эмпирических данных, свидетельствующих о наличии такого влияния. Созданы различные модели для его объяснения, основывающиеся, в частности, на рассмотрении низкочастотных пульсаций электрического и магнитного полей у поверхности Земли, следствием которых являются индукционные явления, проявляющиеся как на клеточном
уровне, так и в макромасштабе.
Действенность индукционного механизма убедительно подтверждается возникновением во время магнитных бурь значительных наведенных токов в протяженных технических сооружениях: трубопроводах, линиях электропередачи,
31
рельсах железных дорог и т.п. Появление таких токов неоднократно приводило
к авариям в энергосистемах. Анализу комплекса обсуждаемых явлений, характеризующих солнечно-земные связи, посвящено очень большое число научных
статей и специальных монографий.
Завершая рассмотрение изменений околоземной среды, вызываемых естественными природными факторами, и переходя к анализу техногенных воздействий на ОКП, важно отметить, что при всем многообразии характеристик и масштабов (пространственных и временных) наблюдаемых возмущений околоземная среда обладает способностью возвращаться в исходное состояние динамического равновесия, т.е. обладает определенным запасом устойчивости.
Современная наука пока не дает однозначного ответа на вопрос о пороге устойчивости околоземной среды к техногенным воздействиям, а в более широкой трактовке – к антропогенным воздействиям. Иными словами, пока нельзя
достаточно строго указать предельно допустимые уровни антропогенных воздействий, превышение которых приведет к необратимым изменениям условий в
ОКП. Определение таких уровней является одной из важнейших задач проводимых исследований.
2. Общая характеристика техногенных воздействий
на околоземную среду
Принято выделять четыре типа техногенных воздействий на космическую
среду или, как их еще называют, загрязнений космического пространства: механическое, химическое, радиоактивное и электромагнитное. Информация об
источниках и последствиях этих воздействий представлена в табл. 6.
Механическое загрязнение связано с накоплением в ОКП космического мусора. Этот термин официально используется для обозначения совокупности находящихся в ОКП тел искусственного происхождения, не выполняющих полезных функций. В состав космического мусора входят прекратившие работу КА,
остающиеся на орбитах последние ступени ракет-носителей, монтажные элементы, сбрасываемые защитные крышки и т.п., а также фрагменты разрушив32
шихся изделий и образующиеся при разрушении и эксплуатации КА мелкие
частицы. Общая масса космического мусора оценивается приблизительно в
3000-3500 тонн.
Таблица 6
Типы и последствия техногенного загрязнения
околоземного космического пространства
Типы
загрязнений
Механическое
Химическое
Источники
Фрагменты КА и
ракет, частицы
покрытий КА,
твердые частицы
выхлопа ракетных
двигателей
Последствия
Космический
мусор и пыль,
повреждения КА,
помехи
астрономическим
наблюдениям,
воздействия на
верхнюю
атмосферу
Ракетные
двигатели,
электроракетные двигатели;
наземные
источники
Ионосферные
дыры,
нарушения
радиосвязи,
изменение
состава верхней
атмосферы,
разрушение
озонного слоя,
неустойчивости
в магнитосфере
Радиоактивное
Электромагнитное
Бортовые
ядерные
энергетические
устройства
(ЯЭУ)
Бортовые
передатчики.
Наземные высокои низкочастотные
передатчики
Опасность
радиоактивного
загрязнения
атмосферы и
поверхности
Земли при
разрушении ЯЭУ
Возмущения
ионосферы и
магнитосферы,
высыпания
заряженных
частиц, помехи
радиосвязи
Космический мусор представляет опасность прежде всего для самих КА. Постепенное накопление космического мусора в ОКП привело к тому, что в настоящее время на низких околоземных орбитах вероятность столкновений КА с
осколками и мелкими частицами искусственного происхождения выше, нежели
с естественными телами и частицами тех же размеров.
Столкновения крупногабаритных космических объектов еще маловероятны,
но такие события уже известны. Так, в июле 1996 г. фрагмент последней ступени ракеты «Ариан» повредил французский ИСЗ «Церис», высота орбиты которого около 670 км, а в январе 2005 г. на высоте 880 км произошло столкновение
фрагментов двух ракет, запущенных в разные годы США и Китаем. За время
продолжавшегося более 15 лет полета станции «Мир» несколько раз происходили сближения с ней крупных искусственных тел на расстояние 1 – 3 км.
33
Дальнейшее накопление техногенных объектов на околоземных орбитах
очень опасно тем, что после достижения некоторого критического уровня может начаться лавинообразный рост их числа вследствие фрагментации при взаимных столкновениях. Это сделает через какое-то время деятельность в космосе практически невозможной. Оценки условий, сроков начала и скорости такого
процесса сильно расходятся, однако необходимость безотлагательного принятия технических и организационных мер по ограничению засорения ОКП не
вызывает сомнений у специалистов. В числе первоочередных мер рассматривают исключение взрывов КА, ограничение попадания на орбиты сопутствующих фрагментов и уменьшение количества запусков. Уже реализуются меры по
удалению с рабочих орбит КА, прекративших активное функционирование. С
этой целью низкоорбитальные КА тормозят для их скорейшего сгорания в атмосфере, а высокоорбитальные КА, например, находящиеся на геостационарной орбите (высота ~36000 км в экваториальной плоскости), переводят на орбиты с другими параметрами, где они могут существовать продолжительное время, не создавая помех работающим КА. Обсуждаются также проекты создания
различных космических «мусоросборщиков», но пока все они являются слишком дорогостоящими.
Искусственные космические объекты диаметром более ~10 см регулярно отслеживаются с помощью наземных оптических телескопов и радиолокаторов.
Информация о таких объектах вносится в специальные каталоги. Наблюдение
более мелких объектов наземными средствами сильно затруднено. Данные о
них получаются на основании измерений приборами, устанавливаемыми на КА,
и расчетных моделей.
При сгорании в атмосфере космический мусор создает локальные загрязнения. Однако специалистами уже высказываются опасения относительно возможного глобального влияния искусственной пыли на верхнюю атмосферу, а
также оцениваются вероятные помехи, которые может создавать космический
мусор для астрономических наблюдений.
34
Рассматривается и опасность падения искусственных космических объектов
на земную поверхность. В 1979 г. произошло непредвиденно быстрое снижение
американской орбитальной станции «Скайлэб». К счастью, ее несгоревшие обломки упали в малонаселенных районах Австралии, не причинив никакого вреда. Аналогичная участь постигла в 1991 г. российскую станцию «Салют-7». На
этом фоне контролируемый спуск с орбиты комплекса «Мир» в марте 2001 г.
представлял значительно меньшую опасность.
Химическое
загрязнение
ОКП,
связанное
с
эксплуатацией
ракетно-
космической техники, обусловлено работой ракетных двигателей разных типов,
которые выбрасывают в космическое пространство газообразные продукты (Н2,
Н2О, СОХ, NОХ, Cl, ClO и др.), плазму (Ar+, Xe+) и твердые частицы (Al2O3).
При запусках мощных ракет суммарная масса выбрасываемых продуктов измеряется сотнями тонн. Наиболее известным последствием химического загрязнения является возникновение после запуска мощных ракет так называемых
«ионосферных дыр» – областей с пониженной электронной концентрацией, которые образуются в результате взаимодействия продуктов сгорания ракетного
топлива с ионосферной плазмой.
Некоторое локальное воздействие запуски ракет оказывают также на озонный слой и верхнюю атмосферу. В связи с чрезвычайной важностью рассмотренной выше защитной функции, выполняемой озонным слоем, анализу влияния запусков ракет на его состояние уделяют большое внимание, хотя, строго
говоря, озонный слой лежит ниже ближней к земной поверхности границы
ОКП. Поскольку вокруг озонного слоя на протяжении последних десятилетий
не утихают бурные дискуссии, сразу же отметим, что в глобальном масштабе
роль запусков ракет в его разрушении ничтожно мала. Значительно большую
опасность представляют газовые выбросы наземных промышленных и сельскохозяйственных комплексов, содержащие азот и хлор. Эти выбросы, поднимаясь
на высоты в десятки километров, создают в атмосфере активные компоненты,
вызывающие химическое разрушение молекул озона.
35
Электромагнитным загрязнением ОКП называют техногенные излучения,
проникающие в ионосферу и магнитосферу. Эти излучения, создаваемые различными наземными устройствами и оборудованием КА, могут вызывать модификацию ионосферной плазмы и высыпания электронов из магнитосферы.
Бортовые передатчики КА, имеющие сравнительно малую мощность, вносят
очень малый вклад в электромагнитное загрязнение ОКП. Указанные процессы
обусловлены главным образом работой мощных наземных передатчиков и радиолокаторов, а также низкочастотными излучениями линий электропередачи и
промышленных комплексов. Однако в будущем при реализации некоторых
крупных космических проектов, например проекта создания на геостационарной орбите солнечных электростанций мощностью 5-10 ГВт, осуществление
которого технически возможно уже сейчас, придется решать проблему передачи энергии на поверхность Земли с помощью мощных сверхвысокочастотных
передатчиков или лазеров. В этом случае уровень локального электромагнитного загрязнения ОКП может быть значительным.
Радиоактивное загрязнение ОКП создается используемыми в составе некоторых КА источниками энергии, содержащими радиоактивные вещества. Такие
источники в табл. 6 обозначены как ЯЭУ. В космической технике применяют
ЯЭУ двух типов: радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) и
ядерные реакторы (ЯР). Электрическая мощность существующих РИТЭГ лежит
в диапазоне от 2,5 до 300 Вт, а ЯР обеспечивают мощность ~1-5 кВт и более.
Преимуществом ЯЭУ перед используемыми на большинстве КА солнечными
батареями являются отсутствие зависимости мощности ЯЭУ от условий освещения КА Солнцем, долговечность и возможность достижения в перспективе
для ЯР мощности в несколько десятков мегаватт. В связи с первым из отмеченных преимуществ можно указать, например, что для сохранения уровня энергообеспечения КА в окрестности Юпитера таким же, как вблизи Земли, требуется
увеличить площадь солнечных батарей приблизительно в 25 раз.
РИТЭГ, благодаря их малому весу и относительной простоте конструкции,
используются, как правило, на межпланетных КА, а ЯР были применены на ря36
де КА серии «Космос», запущенных в 1970-1980-х годах. Большая часть КА с
ЯР продолжает оставаться в ОКП, но их реакторы выключены, а КА переведены на достаточно высокие орбиты (~800-1000 км), где они могут находиться в
течение нескольких сотен лет, необходимых для снижения радиоактивности
ядерного топлива до безопасного уровня.
Существуют также проекты ядерных ракетных двигателей для дальних космических полетов и проекты универсальных ЯЭУ на базе ЯР, которые могут
обеспечивать работу ракетных двигателей и энергоснабжение КА.
Находящиеся на околоземных орбитах КА с ЯЭУ на борту могут создавать
радиоактивные загрязнения двух видов: повышенный радиационный фон в окрестности КА и загрязнение радиоактивными веществами атмосферы и даже
поверхности Земли при аварийном разрушении КА. Опасность возникновения
загрязнений обоих видов связана главным образом с КА, оснащенными ЯР.
В РИТЭГ используются альфа-активные изотопы (210Pо, 238Pu, 242Сm), излучение которых практически не выходит за пределы корпуса устройства. Кроме
того, поскольку РИТЭГ применяются почти исключительно на межпланетных
КА, на околоземных орбитах их количество измеряется единицами.
Топливом ЯР космических энергоустановок является
235
U, при делении ядер
которого испускаются γ-кванты и нейтроны. По имеющимся оценкам, для типовых ЯР, использованных на КА серии «Космос», превышение уровня создаваемого γ-излучения над естественным фоном может наблюдаться на расстоянии ~1000 км от КА, а нейтронного излучения – на расстоянии 100-300 км. Однако интенсивность излучения, создаваемого ЯР, настолько низка, что оно не
представляет опасности для других КА даже при их сближении с КА, оснащенным ЯР, на малые расстояния. Например, на расстоянии 10 км от КА с ЯР на
борту плотность потока γ-квантов составляет (1-5)⋅103 см-2с-1, а плотность потока нейтронов – 0,3-2 см-2с-1.
Радиоактивное загрязнение атмосферы и поверхности Земли вследствие разрушения ЯР КА является достаточно редким событием. Такое загрязнение произошло в 1978 г. при нештатном торможении в атмосфере над Северной Кана37
дой ИСЗ «Космос-954». Однако накопление в ОКП космического мусора увеличивает вероятность разрушений КА, имеющих ЯР на борту, и соответственно
повышает опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды.
Специфическим источником радиоактивного загрязнения ОКП являются высотные ядерные взрывы, которые будут рассмотрены отдельно в последующем
изложении.
При анализе относительной значимости антропогенных воздействий разных
видов и вызываемых ими последствий необходимо учитывать, что физическая
природа, а также пространственные и временные масштабы явлений в ОКП,
вызываемых антропогенными воздействиями, определяются не только типом и
мощностью источника воздействия, но и особенностями околоземной космической среды.
Помимо отмечавшихся уже низких массо-энергетических уровней естественных процессов, протекающих в ОКП, следует учитывать, что между различными областями ОКП существуют многофункциональные взаимные связи, вследствие чего эффекты антропогенных воздействий могут распространяться на
значительные расстояния, а также неустойчивость состояния околоземной космической среды в определенных геофизических условиях. Такая неустойчивость может приводить к возникновению уже упоминавшихся триггерных эффектов, при которых энергия и масштабы геофизических явлений, развивающихся в ОКП, значительно превосходят соответствующие параметры исходных
инициирующих воздействий.
С учетом отмеченных особенностей околоземной среды все антропогенные
воздействия на ОКП принято разделять по характеру их проявления на трендовые, импактные (ударные) и триггерные.
Трендовые воздействия проявляются в относительно незначительных (на
уровне долей процента) медленных изменениях параметров верхней атмосферы
и ионосферы, носящих глобальный характер или охватывающих большие регионы. К трендовым воздействиям относится также накопление космического
38
мусора в ОКП и отчасти увеличение интенсивности техногенных электромагнитных излучений, проникающих в ионосферу и магнитосферу.
Типичным примером импактного воздействия на околоземную среду является модификация верхней атмосферы и ионосферы при запусках мощных космических ракет. Хотя импактные воздействия могут иметь значительные пространственные и временные масштабы (площадь обсуждавшихся ионосферных
дыр достигает (1-3)⋅106 км2, а время их существования – нескольких часов), они
тем не менее носят локальный характер, но при этом сопровождаются значительными (на порядки величин) изменениями исходных параметров околоземной среды в зоне воздействия.
К воздействиям триггерного типа, при которых исходный воздействующий
фактор играет роль своеобразного «спускового механизма», инициирующего
крупномасштабный геофизический процесс, относятся стимулированные высыпания заряженных частиц из РПЗ, оптические эмиссии, геомагнитные эффекты и т.п. Изменения параметров околоземной среды во время триггерных воздействий также могут измеряться порядками величин.
Для оценки общего состояния работ по изучению техногенных воздействий
на ОКП можно рассматривать три уровня проводимых исследований:
• теоретический (разработка физических и математических моделей);
• экспериментальный (проведение натурных экспериментов в ОКП,
включая активные эксперименты, которые будут обсуждаться далее);
• эколого-информационный (экологический мониторинг ОКП с целью
регулярного контроля загрязнений разных видов и вызываемых ими
последствий).
Результаты такой оценки состояния исследований представлены в табл. 7, где
значками «+» и «-» указано наличие либо отсутствие соответствующего уровня
исследований для загрязнений разных видов.
39
Таблица 7
Состояние исследований техногенного загрязнения ОКП
Уровни исследований
Виды загрязнений
Модели
Эксперимент
Мониторинг
Механическое:
наблюдаемый мусор
ненаблюдаемый мусор
+
+
+
+
+
-
Химическое:
озоносфера
ионосфера
магнитосфера
+
+
+
+
+
-
-
Электромагнитное:
ионосфера
магнитосфера
+
+
+
+
-
Радиоактивное:
радиационное загрязнение
радиоактивный мусор
+
+
-
+
-
Из табл. 7 видно, что относительно удовлетворительным является состояние
работ по изучению крупной фракции космического мусора вследствие доступности ее наблюдения наземными оптическими и радиолокационными средствами. При проведении исследований других техногенных воздействий на ОКП
нужны новые организационные и технические решения, особенно в части расширения натурных экспериментов и создания систем мониторинга ОКП.
Далее рассмотрим более подробно характеристики и механизмы различных
техногенных воздействий на ОКП.
3. Космический мусор в околоземном пространстве
3.1. Состав и пространственное распределение
космического мусора
Для последующего сопоставления потоков космических объектов естественного и искусственного происхождения вначале рассмотрим основные характеристики метеорной материи. К метеорным телам (их называют также метео-
роидами) относятся движущиеся в Солнечной системе тела с поперечными
размерами от нескольких десятков метров до долей микрометра.
40
Потоки метеорных тел движутся в основном по замкнутым эллиптическим
орбитам вокруг Солнца, при этом их средняя скорость в окрестности Земли составляет около 42 км⋅с-1. Поскольку скорость орбитального движения Земли
близка к 30 км⋅с-1, скорости метеорных тел относительно Земли лежат в интервале от 12 до 72 км⋅с-1, в зависимости от направления прихода. При определении скорости столкновения КА с метеорным телом необходимо принимать во
внимание также собственную орбитальную скорость КА (~8 км⋅с-1) и угол между векторами скорости сталкивающихся объектов. С учетом интервала скоростей метеорных тел и данных об их пространственном распределении в окрестности Земли, рекомендовано использовать при оценке опасности столкновения
КА с метеорными телами среднее значение относительной скорости 20 км⋅с-1.
Количество и соответственно плотность потока метеорных тел быстро убывают с ростом их размеров и массы. Обобщенные результаты ряда космических
экспериментов, характеризующие эту зависимость для мелких частиц метеорной материи, приведены на рис. 12.
F, част/м2⋅с⋅2π⋅ср
10-2
10-4
10-6
10-8
10-14
10-12
10-6
10-10
10-8
10-5
10-6
m, г
10-4
d, м
Рис. 12. Зависимость плотности потока метеорных частиц от их размера d и массы m
41
Частицы с поперечными размерами менее 1 мм называют микрометеорными
частицами. Для оценочных расчетов можно принимать среднее значение плотности потока микрометеорных частиц в межпланетном пространстве 10-3 – 10-5
м-2c-1. Следует отметить, что частицы размером менее 1 мкм достаточно эффективно удаляются из Солнечной системы за счет двух физических механизмов:
действия на них давления света и постепенного сокращения их эллиптических
орбит, приводящего к поглощению частиц Солнцем (эффект ПойнтингаРобертсона). В результате рост потока микрометеорных частиц с размерами
d<1мкм замедляется.
Различают каменные метеороиды, плотность вещества которых близка к
3 г⋅см-3, и железные с плотностью ~7,8 г⋅см-3. В некоторых классификациях
вводят также метеороиды с промежуточными значениями плотности. По некоторым данным существуют метеорные тела с низкой плотностью ~0,4 г⋅см-3.
Для микрометеорных частиц в оценочных расчетах рекомендовано принимать
значение плотности 1 г⋅см-3.
При входе в атмосферу Земли большая часть метеорных тел сгорает в интервале высот ~60–110 км, образуя светящийся след, который называют метеором.
Очень яркие метеоры носят название болидов. Остатки метеорных тел, достигающие поверхности Земли, называют метеоритами. Частицы микронных
размеров могут не сгорать полностью при торможении в верхней атмосфере
Земли. В результате такие частицы некоторое время пребывают в атмосфере,
постепенно оседая на земную поверхность.
Переходя к рассмотрению космического мусора, отметим, что общая закономерность распределения по размерам искусственных космических объектов
сходна с аналогичной закономерностью для метеорных тел – с ростом размеров
объектов их количество убывает.
С начала освоения космического пространства на околоземные орбиты было
выведено около 26 тыс. объектов. Из них приблизительно 17 тыс. уже прекратили существование вследствие торможения атмосферой, а 9 тыс. продолжают
оставаться в ОКП. Из этого количества лишь 5-6% приходится на действующие
42
КА, остальные же объекты представляют собой неработающие КА, последние
ступени ракет-носителей, сбрасываемые защитные кожухи и т.п., а также фрагменты разрушившихся изделий (рис. 13). Динамика роста числа техногенных
объектов разных видов показана на рис. 14.
Рис. 13. Состав техногенных объектов на низких околоземных орбитах
Рис. 14. Динамика изменения числа техногенных объектов в ОКП:
1 – общее количество; 2 – фрагменты разрушившихся объектов; 3 – космические аппараты;
4 – ступени ракет; 5 - операционные элементы
43
Техногенные объекты распределены в ОКП неравномерно (рис. 15): наибольшее их число сосредоточено в области низких околоземных орбит (НОО) –
на высотах вблизи 1000 км, далее с увеличением высоты их количество уменьшается, однако на высотах около 20000 км и в области геостационарной орбиты
(ГСО) наблюдаются резкие пики в высотном распределении техногенных тел.
Но, как видно из рис. 15, в области ГСО максимальное значение плотности потока приблизительно на два порядка ниже, чем на НОО.
Рис.15. Поток техногенных
тел в ОКП на разных высотах
Приведенные выше данные о количестве техногенных объектов в ОКП относятся к телам с поперечными размерами более ~10 см, регулярно отслеживаемым с помощью наземных радиолокационных и оптических средств. Помимо
этого, на околоземных орбитах присутствуют в значительном количестве более
мелкие осколки, образующиеся при срабатывании различных пиротехнических
устройств, при случайных или преднамеренных взрывах КА, а также при
столкновениях техногенных объектов между собой или с метеорными телами.
По имеющимся оценкам, число осколков с поперечными размерами 1-10 см в
ОКП к настоящему времени достигло 200-250 тыс., а осколков с размерами
0,1-1 см – 80-100 млн. Возможности наблюдения таких осколков с помощью
наземных средств пока весьма ограничены.
44
В процессе эксплуатации космической техники происходит также засорение
околоземного пространства твердыми частицами малых размеров. Частицы
диаметром ~1-10 мкм образуются в большом количестве при работе твердотопливных ракетных двигателей. Более крупные частицы (чешуйки красок, эмалей) отделяются от поверхности КА, подвергающейся воздействию разнообразных факторов космического пространства (вакуум, плазма, солнечное излучение, потоки электронов и ионов высоких энергий). Существуют и некоторые
другие источники подобных частиц.
За последние несколько лет получены новые экспериментальные данные, позволяющие достаточно точно охарактеризовать состав космического мусора. На
рис. 16а представлено распределение по размерам техногенных объектов в области низких околоземных орбит с указанием состава и происхождения этих
объектов, а на рис. 16б показана зависимость плотности их потока от высоты.
Рис. 16. Распределение по размерам суммарного числа техногенных объектов в области
низких околоземных орбит (а) и зависимость плотности их потока от высоты (б):
1. частицы Al2O3, выбрасываемые при работе твердотопливных ракетных
двигателей;
2. чешуйки краски, отделяющиеся от поверхности КА;
3. шлак, выбрасываемый твердотопливными ракетными двигателями после окончания горения;
4. частицы, выбиваемые с поверхности КА ударами окружающих тел;
5. капельки Na и K, образовавшиеся при разрушении КА с ядерным
энергетическим источником;
6. фрагменты разрушившихся космических объектов;
7. каталогизированные объекты
45
На рис. 17 приведены расчетные значения времени жизни микрочастиц в
ОКП в зависимости от их размера и начальной высоты. Видно, что продолжительность нахождения частиц в ОКП сокращается с уменьшением их размера.
Вместе с тем, данные, приведенные на рис. 16, показывают, что количество
техногенных частиц в области низких околоземных орбит возрастает с уменьшением их диаметра. Это свидетельствует о высокой интенсивности источников мелких техногенных частиц, например, частиц Al2O3, чешуек краски и т.д.
Рис. 17. Время жизни мелких
частиц космического мусора в
зависимости от их начальной
высоты h и размера d, м:
1 – 10–3;
2 – 10–4;
3 – 10–5;
4 – 10–6
Поскольку на околоземных орбитах все искусственные объекты движутся с
близкими скоростями (~8 км⋅с-1), скорости столкновения объектов могут лежать
в диапазоне ~0,1-16 км⋅с-1 в зависимости от взаимной ориентации их орбит. Для
моделирования и оценки опасности столкновений КА с телами, входящими в
состав космического мусора, рекомендовано использовать значение средней
относительной скорости 10 км⋅с-1, при этом средняя плотность техногенных
частиц принимается равной 4,0 г⋅см-3.
Столкновения техногенных объектов между собой являются одним из механизмов увеличения популяции космического мусора в ОКП. На рис. 18 приведены результаты расчета числа техногенных частиц разных размеров, образующихся за счет действия этого механизма в интервале высот 900-1100 км в
46
течение года. Рисунок показывает, что при столкновениях образуются преимущественно мелкие частицы.
Рис. 18. Число частиц, образующихся за счет столкновений техногенных
тел
в
интервале
высот
900–1100 км в течение года
Усредненные данные о плотности потока техногенных частиц с поперечными размерами 10-6-10-1 м, полученные в разных экспериментах для орбит с высотой около 500 км, представлены на рис. 19 в сопоставлении с данными о
плотности потока метеорных частиц. Рисунок показывает, что в области низких
орбит плотность потока техногенных частиц с поперечными размерами менее
10 мкм и больше 1 мм значительно превышает плотность потока частиц естественного происхождения соответствующих размеров. Данные наблюдений последних лет свидетельствуют о сохранении тенденции увеличения числа техногенных объектов в ОКП.
Рис. 19. Соотношение потоков техногенных объектов и метеороидов
различных размеров в области низких околоземных орбит: 1 – космический мусор; 2 – метеороиды
47
3.2. Вероятность столкновений космических аппаратов
с техногенными объектами
Приведенные выше данные о соотношении плотностей потока космических
объектов естественного и искусственного происхождения наглядно свидетельствуют о высокой вероятности столкновений низкоорбитальных КА с крупными осколками и субмиллиметровыми частицами искусственного происхождения. В будущем следует ожидать увеличения этой опасности.
Вероятность столкновения КА с техногенными телами определяется, в первую очередь, плотностью их потока на орбите КА. Поэтому зависимость вероятности столкновения от высоты орбиты (рис. 20) носит такой же характер, как
высотное распределение плотности потока техногенных тел (см. рис. 15).
Рис. 20. Вероятность столкновения КА с крупным техногенным телом на круговых околоземных орбитах: 1 – полярная
орбита; 2 – экваториальная
орбита
Из рис. 20 видно, что вероятность столкновения зависит и от наклонения орбиты: для полярной орбиты значение вероятности выше, нежели для экваториальной, что также объясняется соответствующим изменением плотности потока
техногенных объектов. Данные, представленные на рис. 20, относятся к достаточно крупным объектам, вносимым в каталоги. Для более мелких объектов
широтная зависимость может быть выражена сильнее.
Для крупногабаритных КА, таких как орбитальная станция «Мир» и Международная космическая станция, вероятность столкновения с осколком диаметром более 1 см, способным пробить оболочку станции, составляет с учетом об48
щей площади поверхности ~10-2-10-3 в течение 1 года полета. Такая вероятность
столкновения считается высокой, поэтому в конструкциях обеих станций использованы специальные многослойные защитные экраны.
При проведении более детального анализа опасности столкновений КА с
техногенными объектами рассчитываются вероятности ударов частиц для отдельных участков поверхности, различным образом ориентированных относительно вектора скорости КА.
Помимо оценок вероятности либо частоты столкновений с техногенными
объектами конкретного КА, подобные расчеты проводятся для всей совокупности техногенных объектов, находящихся в ОКП. Целью таких расчетов является определение числа столкновений техногенных объектов между собой и далее
– количества вторичных частиц, рождающихся в столкновениях. Данный вопрос является весьма важным, поскольку, как уже указывалось, дальнейшее
увеличение числа техногенных объектов в ОКП может привести к их лавинообразному размножению при взаимных столкновениях.
Оценки степени близости современного состояния засоренности ОКП к критическому уровню, превышение которого вызовет лавинообразное размножение осколков, пока достаточно противоречивы. Поэтому особую значимость
приобретают вопросы прогнозирования изменения числа техногенных тел в
ОКП и состава космического мусора.
3.3. Прогнозирование эволюции космического мусора
и вероятности столкновений
Для описания распределения техногенных тел по массам (размерам), зависимости плотности их потока от высоты и широты, изменения плотности потока
на коротких и длительных временных интервалах и т.п. строятся различные
расчетные модели.
С помощью моделей решаются разнообразные научные и прикладные задачи.
На основе моделей рассчитываются вероятности столкновений космических
объектов. Другой важнейшей задачей модельных расчетов является прогнозирование изменения количества техногенных объектов в разных областях ОКП.
49
Для решения этой задачи в моделях задаются характеристики механизмов генерации и удаления техногенных объектов, а также закономерности изменения
указанных механизмов. Для решения прогностических задач часто требуется
привлечение вспомогательных моделей, например, модели фрагментации космических тел при соударении, модели разлета осколков после их образования,
модели торможения объектов в верхней атмосфере Земли и др.
При решении задач, связанных с прогнозированием изменения количества
техногенных объектов в ОКП, успешно используется разработанная в нашей
стране модель, которая в международной практике известна как SDPA (Space
Debris Prediction and Analysis).
За рубежом также создано несколько моделей, предназначенных для решения
аналогичных задач. Под эгидой Европейского космического агентства разработана модель MASTER (Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference model), включающая описание как метеорных тел, так и космического мусора. В США разработаны модели ORDEM (Orbital Debris Engineering Model) и
EVOLVE. Первая, как следует из ее названия, предназначена для проведения
инженерных расчетов и реализуется на персональных компьютерах средней
производительности. Вторая модель используется преимущественно для составления долгосрочных прогнозов изменения (эволюции) степени засоренности ОКП космическим мусором и требует для ее реализации более высоких вычислительных мощностей.
Модели основываются на экспериментальных данных о потоках метеорных
тел и искусственных объектов в ОКП и обновляются по мере поступления дополнительных данных. Например, в модели MASTER учитываются все составляющие космического мусора, показанные на рис. 16.
На рис. 21 приведены результаты прогноза на ближайшие 50 лет, выполненного с помощью отечественной модели SDPA. На этом рисунке показано относительное изменение общего числа техногенных космических объектов размером более 1 см в области низких околоземных орбит (ниже 2000 км).
50
При моделировании рассматривались 5 различных сценариев космической
деятельности:
1. интенсивность засорения ОКП будет оставаться на уровне предшествовавших
10 лет;
2. сценарий 1 плюс исключение образования при запусках сопутствующих фрагментов;
3. сценарий 1 плюс исключение взрывов космических объектов;
4. уменьшение в 2 раза числа запусков КА и связанных с запусками сопутствующих фрагментов;
5. одновременное применение мер, предусмотренных в сценариях 2–4.
2
Относительное число объектов
1
1,5
2
3
4
1
5
0,5
2000
2010
2020
2030
2040
2050
Годы
Рис. 21. Прогноз на 50 лет изменения числа техногенных объектов размером
более 1 см в области низких околоземных орбит для разных сценариев
космической деятельности
Из рассмотрения рис. 21 видно, что при использовании сценариев 1–4 прогнозируется рост числа техногенных объектов в ОКП. Наблюдаемые периодические изменения числа объектов связаны с 11-летним циклом солнечной ак51
тивности, который вызывает модуляцию средней плотности верхней атмосферы Земли и соответственно усиливает торможение космических объектов в периоды максимума солнечной активности, когда плотность верхней атмосферы
возрастает.
Наиболее неблагоприятным является сценарий 1, в соответствии с которым к
2050 г. число техногенных объектов увеличится приблизительно в 1,8 раза. Различные способы ограничения образования новых техногенных объектов в ОКП,
предусматриваемые в сценариях 2–4, не приводят к снижению общего количества техногенных объектов, хотя на основании представленных данных можно
сделать важные заключения относительно эффективности различных ограничительных мер. Видно, что наиболее эффективным является исключение взрывов
КА (сценарий 3).
Уменьшение общего количества техногенных объектов в области низких
околоземных орбит может быть достигнуто лишь при одновременном применении указанных выше ограничительных мер (сценарий 5). При этом сценарии
ожидаемое
к
2050
г.
снижение
уровня
загрязнения
ОКП
составит
25–30%.
Прогнозирование взаимных столкновений искусственных космических объектов также производится на основе различных сценариев развития космической деятельности. Интересно отметить, что годы двух указывавшихся выше
столкновений крупных объектов – 1996-й и 2005-й – довольно хорошо согласуются с одним из прогнозов, сделанным еще в середине 1970-х гг.
На рис. 22а приведены результаты расчета числа столкновений крупных искусственных объектов к заданному моменту времени для трех вариантов предполагавшегося ежегодного прироста количества техногенных объектов на низких околоземных орбитах: 1 – на 13%; 2 – на 510 объектов; 3 – на 320 объектов.
Такие варианты увеличения числа техногенных объектов в ОКП были выбраны
на основании анализа их количества в разные периоды до 1976 г. Согласно
этим данным, при наиболее быстром ежегодном приросте числа крупных объектов в ОКП (ежегодно на 13%) первое столкновение крупных техногенных тел
52
прогнозировалось к 1989 г., а при наиболее медленном приросте (на 320 объектов в год) – к 1997 г., что приблизительно соответствует времени столкновения
фрагмента ракеты «Ариан» с КА «Церис» (июль 1996 г.). Время второго зарегистрированного столкновения (январь 2005 г.) также согласуется с этим прогнозом.
Из приведенного выше рис. 14 видно, что реально в период 1964–1988 гг.
средний ежегодный прирост числа каталогизированных искусственных космических объектов составлял около 300, а с начала 1990-х годов он замедлился.
На рис. 22б приведены результаты более позднего (конец 1990-х гг.) прогноза числа столкновений между каталогизированными объектами за один год для
следующих трех сценариев космической деятельности: 1 – сохранение существовавшей на тот период интенсивности запусков КА; 2 – сохранение интенсивности запусков КА в течение следующих 20 лет, а затем их прекращение; 3 –
прекращение дальнейших запусков.
а
б
Рис. 22. Прогнозы числа столкновений крупных искусственных объектов
при различных сценариях космической деятельности
От корректности физического и математического описания взаимных столкновений техногенных объектов в значительной степени зависит точность определения условий начала и развития каскадного процесса размножения таких
объектов в ОКП. Ввиду чрезвычайной важности этой задачи на ее решении сосредоточены усилия многих специалистов ведущих космических держав.
53
Принципиально новым подходом к решению задачи, успешно развиваемым
российскими учеными, является использование при проведении вычислений
методов механики сплошной среды. При таком подходе описание методами
небесной механики движения отдельных объектов заменяется моделированием
пространственной плотности распределения некоторой совокупности объектов,
число которых может быть значительно увеличено по сравнению с традиционным подходом. Включение в расчетную модель мелких объектов, частота взаимных столкновений которых достаточно высока, позволяет более полно исследовать специфику процессов каскадного размножения техногенных объектов и самоочищения ОКП в таких условиях. Важным новым результатом, полученным при таком моделировании, является установление возможности ускорения процесса самоочищения ОКП при каскадном размножении техногенных
тел. Это связано с увеличением при размножении содержания мелкой фракции,
время жизни частиц которой мало (см. рис. 17).
4. Химическое загрязнение околоземного
космического пространства
4.1. Выбросы продуктов сгорания ракетного топлива
Основным фактором химического загрязнения околоземной среды при эксплуатации ракетно-космической техники является поступление в ОКП продуктов сгорания ракетного топлива. Стартовая масса современных мощных ракетносителей (РН) измеряется сотнями тонн, причем около 85-90% этой величины
приходится на ракетное топливо. Соответственно и суммарная масса продуктов
сгорания топлива, выбрасываемых ракетными двигателями, составляет сотни
тонн.
В табл. 8 приведены данные о составе и массе продуктов сгорания топлива
двигателей российской ракеты «Протон» и американской ракетной системы
«Спейс Шаттл». В последнем случае помимо жидкостных ракетных двигателей
используются твердотопливные ускорители, при работе которых в околоземную среду выбрасываются Cl2, HCl и твердые частицы Al2O3.
54
Таблица 8
Массовые параметры РН и создаваемых ими выбросов
Стартовая
масса,
т
Полезная
нагрузка,
т
Н2
Н2О
СО
Протон
700
21
1,4
178,2
14,2
222,4 212,9 0,74
Спейс
Шаттл
2019
114
2,1
826,2
181,4
55,2
Тип РН
Продукты сгорания, т
СО2
N2
NO
-
1,7
Cl2
HCl
Al2O3
-
-
-
4,5
193,1
279,6
На рис. 23 а,б показаны высотные распределения выбросов NO и H2O для РН
указанных двух типов, а на рис. 24 – распределения Cl2, HCl и Al2O3 для системы «Спейс Шаттл».
140
140
1
120
2
100
2
100
Высота, км
Высота, км
1
120
80
60
40
80
60
40
20
20
0
0
200
400
0
600
0
Масса продукта, кг
100
200
300
Масса продукта, т
а
б
Рис. 23. Распределение по высоте выбросов NO (а) и H2O(б)
для РН «Протон» (1) и «Спейс Шаттл» (2)
50
45
Высота, км
40
Рис. 24. Распределение по высоте выбросов
35
30
25
РН «Спейс Шаттл»: 1 – Cl2; 2 – HCl;
20
3 – Al2O3
1
15
3
2
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Масса продукта, т
55
4.2. Антропогенное воздействие на озонный слой
Из рис. 23, 24 видно, что значительная часть выбросов приходится на высоты
~10-40 км, где располагается озонный слой (см. рис. 3). Следовательно, возможность локального воздействия продуктов сгорания на него является достаточно очевидной.
Выбрасываемые ракетными двигателями молекулы NO разрушают атмосферный озон через посредство уже знакомого нам каталитического цикла с
участием NO и NO2. Подобный цикл существует и для окислов водорода:
OH + O3 → HO2 + O2 ,
HO2 + O → OH+O2 .
Молекулы гидроксила OH и перекиси водорода HO2 образуются в результате
фотодиссоциации молекул H2O под действием солнечного ультрафиолетового
излучения и протекания в атмосфере химических реакций.
Третий разрушительный для озона каталитический цикл обусловлен выбросами в атмосферу хлора и его соединений. Непосредственно в цикле участвуют
атомы Cl и молекулы ClO:
Cl + O3 → ClO + O2 ,
ClO + O → Cl + O2 .
Эффективность разрушения O3 в этом каталитическом цикле приблизительно в
6 раз выше по сравнению с азотным циклом.
Выбрасываемые твердотопливными ракетными двигателями частицы Al2O3
влияют на озонный слой двумя путями: за счет рассеяния на них коротковолнового солнечного излучения, что изменяет скорость процесса фотодиссоциации
молекул O3, и за счет протекания химических реакций на поверхности частиц.
В таких реакциях могут участвовать как непосредственно молекулы О3, так и
различные хлорсодержащие и азотсодержащие соединения. В последнем случае
образуются дополнительные активные атомы и молекулы, усиливающие разрушение озона в газовой фазе за счет протекания описанных выше каталитических циклов.
56
Поскольку выбросы ракетных двигателей имеют сложный состав, в атмосфере одновременно протекают десятки химических реакций, прямо или косвенно
влияющих на состояние озонного слоя. Каталитические циклы разных видов
связаны между собой через посредство этих реакций. При определенных условиях между циклами образуются своеобразные отрицательные обратные связи,
снижающие эффективность одного из циклов при повышении эффективности
других.
Столь сложный характер наблюдаемых явлений сильно затрудняет их модельное описание. Тем не менее созданы модели, позволяющие достаточно
корректно описывать пространственно-временные изменения содержания озона
в атмосфере при запусках ракет.
Показано, что наибольший вклад в разрушение озона продуктами сгорания
ракетного топлива дает хлорный каталитический цикл, вторым по значимости
является водородный цикл и наименее значимым – азотный цикл. Заметим, что
в естественных процессах разрушения озона главенствующую роль играет азотный цикл.
На рис. 25 показаны для разных высот результаты расчета изменения во времени радиуса области с концентрацией молекул O3 менее 90 % от исходной при
запуске РН «Протон». Видно, что этот радиус не превышает 3 км, а время существования области с указанным снижением содержания озона составляет
приблизительно от получаса до четырех часов. При старте РН «Спейс-Шаттл»
радиус области с пониженной концентрацией озона увеличивается на порядок,
а время ее существования – в 5-7 раз.
Выбрасываемые ракетами продукты сгорания топлива могут существовать в
стратосфере достаточно продолжительное время. Приблизительно через неделю диаметр области, в которой присутствуют продукты сгорания, достигает
500-600 км. Расчеты показывают, что при этом снижение общего содержания
О3 в вертикальном столбе атмосферы, проходящем через возмущенную область, не превышает 1,5 % для случая запуска РН «Спейс-Шаттл».
57
Рис. 25. Изменение во времени радиуса области с пониженной концентрацией молекул O3 при запуске
РН «Протон» на разных высотах:
1 – 35 км;
2 – 30 км;
3 – 25 км;
4 – 20 км
Приближенные расчетные оценки глобального снижения содержания озона в
атмосфере за счет пусков мощных ракет дают для разных сценариев количества
и частоты пусков достаточно малые величины: 0,02-0,1 %.
Более значительное воздействие на озонный слой могут оказывать полеты в
стратосфере реактивных сверхзвуковых авиалайнеров типа «Конкорд» и «Ту144». Их двигатели выбрасывают в атмосферу значительное количество окислов NOx и молекул H2O, причем эти выбросы происходят вблизи максимума
озонного слоя. В середине 1970-х гг., когда ожидалось масштабное развитие
сверхзвуковой гражданской авиации, опасность ее воздействия на озонный
слой оценивалась как достаточно высокая. Однако на основании результатов
последующих исследований оценки указанной опасности были скорректированы в сторону ее уменьшения. К тому же полеты «Конкорда» и «Ту-144» оказались немногочисленными, а к настоящему времени полностью прекращены.
Тем не менее некоторые современные модельные оценки, учитывающие тенденции развития высотной авиации в ХХI в., указывают на возможность глобального уменьшения содержания озона в стратосфере за счет рассматриваемого фактора на единицы процентов.
Но все же при оценке глобального техногенного воздействия на озонный
слой в качестве наиболее опасного фактора рассматривают поступление в стратосферу окислов NОx и хлорсодержащих соединений за счет традиционных ви58
дов хозяйственной деятельности человечества. В этом случае, в отличие от выбросов ракетных и авиационных двигателей, исходные газообразные продукты,
образовавшиеся вблизи земной поверхности, совершают сложное перемещение
в атмосфере, вступая при этом в химические реакции с другими атмосферными
составляющими, но общая масса таких продуктов очень велика.
Основным поставщиком азота в атмосферу в виде молекул N2O (закись азота) являются широко используемые в сельском хозяйстве азотные удобрения.
Менее интенсивным источником N2O являются дымовые выбросы тепловых
электростанций и промышленных предприятий. Исследования показывают, что
наблюдается трендовое увеличение содержания N2O в атмосфере приблизительно на 0,2 % в год.
Наконец, следует особо остановиться на проблеме производства фреонов
(хлорфторуглеводородов): CFCl3, CF2Cl2, CHFCl2 и др., которые широко применяются в агрегатах холодильников, в химической промышленности, при изготовлении аэрозолей различного назначения и т.п. В результате фотодиссоциации молекул фреонов в атмосфере образуются Сl и ClO, обеспечивающие протекание каталитического цикла разрушения озона.
Построение достаточно строгих количественных моделей разрушения атмосферного озона за счет производственных выбросов фреонов и окислов азота
сопряжено со значительными трудностями из-за большого числа протекающих
в атмосфере химических реакций и процессов переноса, характеристики многих
из которых известны недостаточно точно.
Однако рост антропогенной нагрузки на околоземную среду, обусловленный
расширением производственной деятельности, очевиден. Поэтому разрабатываются различные международные документы, регулирующие производственные выбросы в атмосферу. В частности, Монреальский протокол, подписанный
в 1987 г. и вступивший в действие 1 января 1989 г., предусматривает ограничение и постепенное снижение производства фреонов.
59
4.3. Возникновение ионосферных дыр
Продукты сгорания ракетного топлива оказывают значительное влияние и на
состояние ионосферной плазмы. В ряде случаев двигатели мощных РН работают до высот 400-500 км, создавая тем самым локальные возмущения плазмы во
всех областях ионосферы (см. рис. 7, 8). Процессы взаимодействия продуктов
сгорания с ионосферной плазмой отличаются на разных высотах, но конечным
итогом взаимодействия является локальное снижение концентрации электронов
в ионосфере, т.е. образование упоминавшихся ранее ионосферных дыр.
На рис. 26а показано изменение профиля электронной концентрации в области главного ионосферного максимума (F2) после запуска мощной ракеты, а на
рис.26б – изменение во времени полного содержания электронов (ПСЭ) в вертикальном столбе ионосферы (стрелкой показан момент запуска ракеты). Площадь ионосферных дыр, как уже указывалось, может достигать 106 км2. Следовательно, их появление может заметно влиять на условия коротковолновой радиосвязи в достаточно обширных регионах.
б
а
Рис. 26. Изменение высотного распределения электронной концентрации в ионосфере (а) и
содержания электронов в вертикальном столбе ионосферы (б) после запуска мощной
ракеты: 1 – невозмущенные условия; 2 – при запуске ракеты
В области F2 снижение электронной концентрации происходит за счет взаимодействия продуктов сгорания ракетного топлива (H2, H2O, CO2 и др.) с ионосферными ионами О+, приводящего к образованию сложных молекулярных ионов. Образовавшиеся ионы захватывают затем свободные электроны в реакциях
60
диссоциативной рекомбинации, аналогичных рассмотренным в разд. 1.3. На
меньших высотах происходит частичное локальное замещение ионосферной
плазмы продуктами сгорания, степень ионизации которых ниже по сравнению с
исходной плазмой.
В заключение этого раздела отметим, что некоторые газообразные выбросы
ракетных двигателей могут оставаться в верхней атмосфере на протяжении
многих суток, изменяя состав нейтральной атмосферы на расстояниях в сотни
километров от места выброса. В качестве примера на рис. 27 показаны результаты расчета для высоты h=150 км горизонтального распределения атомарного
водорода, образовавшегося в результате пролета ракеты через атмосферу (здесь
n и n – текущее и исходное значения концентрации атомов водорода Н на расстоянии R от вертикальной траектории ракеты).
Рис. 27. Горизонтальное распределение содержания антропогенного
водорода на высоте 150 км для
разных интервалов времени после
запуска ракеты:
1 – 2 сут.;
2 – 5 сут.;
3 – 10 сут.;
4 – для серии пусков с интервалом
в 5 сут.
5. Воздействие электромагнитных излучений
на ионосферу и магнитосферу
Поскольку проблема установления в той или иной форме контактов между
разными цивилизациями во Вселенной давно привлекает внимание не только
ученых, но и широкой общественности, уместно отметить, что с расширением
масштабов хозяйственной деятельности на нашей планете вероятность обнаружения земной цивилизации путем радионаблюдений из космоса растет. Это
61
связано с тем, что техногенные электромагнитные излучения, уходящие от
Земли в космическое пространство, значительно изменяют спектральные и
временные характеристики естественного радиоизлучения планеты.
Как мы уже знаем, пройти сквозь ионосферу могут лишь радиосигналы с
частотой выше критической для области F2 (~30-80 МГц). Излучения, имеющие
более низкую частоту, отражаются от ионосферы и частично поглощаются в
ней. Поглощение радиоволн в ионосфере может существенно влиять на ее состояние.
Общая схема процессов, происходящих при воздействии мощного радиоизлучения на ионосферу, такова. Электроны ионосферной плазмы, ускоряясь
электрическим полем радиоволны, приобретают дополнительную кинетическую энергию. Часть этой энергии они передают ионам и нейтральным частицам посредством столкновений. В результате происходит увеличение средней
кинетической энергии частиц плазмы, иными словами, происходит нагрев ионосферной плазмы. Последний вызывает изменение проводимости плазмы и
некоторых других параметров.
Если напряженность электрического поля радиоволны мала (а она прямо связана с величиной потока передаваемой энергии), то создаваемые в ионосфере
изменения незначительны и они не влияют на распространение радиоволны.
Если же напряженность поля волны велика (критерием здесь является сопоставление с собственным плазменным полем, которое определяется параметрами
плазмы), то вносимые в ионосферную плазму возмущения существенно влияют
на условия распространения волны и зависят от ее амплитуды.
В последнем случае в ионосфере возникают нелинейные явления, связанные
с ее нагревом проходящей радиоволной, а нагрев влечет за собой изменение
концентрации электронов в зоне прохождения радиоволны. Характер протекания процессов воздействия существенно зависит от высоты. В F-области ионосферы нагрев сопровождается уменьшением плотности плазмы в результате ее
частичного ухода из нагретого пространства, вследствие чего концентрация
электронов уменьшается. В расположенных ниже Е- и D-областях нагрев плаз62
мы вызывает увеличение электронной концентрации за счет того, что в нагретой плазме менее эффективно идет процесс рекомбинации. В нижней части области D может наблюдаться снижение электронной концентрации с увеличением температуры плазмы из-за ускорения процесса захвата электронов нейтральными частицами.
Локальная модификация ионосферы мощным потоком радиоизлучения, как и
рассмотренное выше возникновение ионосферных дыр, влияет на распространение радиоволн.
Для экспериментального исследования нелинейных явлений в ионосфере необходимы радиопередающие устройства, работающие в диапазоне частот 1-15
МГц и обеспечивающие мощность излучения выше 100 МВт. В мире создано
несколько специальных установок (нагревных стендов) для проведения подобных исследований. Одна из отечественных установок, находящаяся в Нижнем
Новгороде, обеспечивает мощность 150-300 МВт в диапазоне частот 4,5-9 МГц.
Наиболее мощные установки работают в Норвегии (1200 МВт) и в США на
Аляске (3600 МВт).
Одним из важнейших результатов исследований нелинейных явлений с помощью нагревных стендов явилось обнаружение возможности генерации ионосферой при определенных условиях низкочастотных излучений. Низкочастотные, а точнее – очень низкочастотные (ОНЧ) излучения, к которым относят
излучения на частотах менее 30 кГц, могут, наряду с излучениями на частотах
выше критической, свободно проходить через ионосферу и распространяться в
магнитосфере. При этом ОНЧ-излучения способны эффективно взаимодействовать с заряженными частицами, содержащимися в магнитосфере, вызывая их
высыпание из магнитосферы.
На поверхности Земли существуют различные источники ОНЧ-излучений:
протяженные линии электропередачи, крупные промышленные комплексы и
т.п. Кроме того, в ОНЧ-диапазоне (ему соответствуют сверхдлинные радиовол-
ны – с длиной волны более 10 км) работают специальные радиопередатчики,
63
используемые для дальней радиосвязи, передачи сигналов точного времени и
других целей.
С антропогенными ОНЧ-излучениями связан весьма любопытный эффект
уикэнда, обнаруженный в 1970-х гг. американскими учеными на основании
анализа результатов многолетних измерений интенсивности таких излучений
на поверхности Земли и околоземном пространстве. Оказалось (см. рис. 28), что
интенсивность ОНЧ-излучений во время уикэнда, т.е. в субботу и воскресенье,
существенно уменьшается по сравнению с рабочими днями, а в начале рабочей
недели наблюдается характерный всплеск интенсивности.
Убедительным
подтверждением
проникновения
антропогенных
ОНЧ-
излучений в магнитосферу явились результаты исследований, проводившихся
американскими учеными на антарктической станции «Сайпл». Для этой станции геомагнитно сопряженная область (т.е. находящаяся на противоположном
конце геомагнитной силовой линии) соответствует одному из крупных промышленных комплексов Канады.
Схема проводившихся измерений показана на рис. 29. Антропогенное ОНЧизлучение, уходящее от земной поверхности в северном полушарии, распространяется в магнитосфере вдоль геомагнитных силовых линий, образующих
своеобразный волновод.
Рис. 28. Изменение интенсивности ОНЧизлучений в течение недели
Рис. 29. Схема эксперимента по регистрации
техногенных ОНЧ-излучений
На пути распространения излучение взаимодействует с находящимися в магнитосфере зараженными частицами, в том числе с частицами РПЗ. Такое взаимодействие приводит к различным последствиям.
64
С одной стороны, в определенных условиях частицы могут передавать свою
энергию распространяющейся волне и тем самым усиливать ее, а с другой –
взаимодействие ОНЧ-волн с частицами может нарушать условия захвата частиц
в геомагнитной ловушке и вызывать их высыпания в атмосферу. Наконец, сами
частицы, излучающие в ОНЧ-диапазоне, могут изменять свой спектр излучения, в результате чего возникают триггерные стимулированные излучения в
ОНЧ-диапазоне.
При анализе спектра ОНЧ-излучения, регистрируемого в Антарктиде, удалось отчетливо выделить частоты, соответствующие излучению линии электропередачи в Канаде, а также излучениям, генерируемым при взаимодействии
первичного ОНЧ-излучения с заряженными частицами.
Полученные результаты стимулировали дальнейшие поиски «промышленного эха» непосредственно в магнитосфере путем измерений ОНЧ-излучений и
потоков энергичных частиц на спутниках. Действительно, над промышленно
развитыми районами Северной Америки и Европы средний уровень ОНЧизлучений в магнитосфере оказался выше, чем над остальными областями земного шара.
Были получены очень интересные данные, свидетельствующие о совпадении
зон зарегистрированных высыпаний зараженных частиц из магнитосферы с
районами расположения мощных ОНЧ передатчиков на земной поверхности и
геомагнитно сопряженными для них районами (рис. 30).
а
б
Рис. 30: а – зоны регистрации высыпания электронов с энергией более 30 кэВ;
б – расположение ОНЧ-передатчиков и геомагнитно сопряженных точек для них
65
Тот факт, что области с повышенным уровнем техногенных ОНЧ-излучений
проецируются вдоль геомагнитных силовых линий на «зазор» в РПЗ, приходящийся в экваториальной плоскости на геоцентрические расстояния ~2-3, явился
основанием для выдвижения гипотезы о техногенной природе этого зазора. Однако его происхождение не менее убедительно может быть объяснено и естественными причинами, в том числе воздействием ОНЧ-излучений, генерируемых
в самой магнитосфере, ионосфере и атмосфере Земли. В последнем случае источниками интенсивных ОНЧ-излучений являются электрические разряды
(молнии), возникающие в тропосфере во время гроз.
Чтобы ответить на вопрос о происхождении зазора достаточно было бы провести всего лишь один эксперимент: выключить все интенсивные источники
ОНЧ-излучения на Земле и проконтролировать изменения, происходящие в
РПЗ. Но поскольку такой эксперимент невозможен, для установления истины
необходимы дальнейшие тщательные исследования.
6. Радиоактивное загрязнение околоземного
космического пространства
Возможные виды радиоактивных загрязнений околоземной среды, связанных
с эксплуатацией в составе КА ядерных энергетических установок (ЯЭУ) были
достаточно подробно рассмотрены выше в разд. 2. К ним относятся: создание
повышенного радиационного фона в окрестности КА с ЯЭУ на борту и загрязнение радиоактивными веществами атмосферы, а в исключительных случаях –
и поверхности Земли, при аварийном разрушении КА.
В этом разделе приводятся дополнительные сведения об использовании и характеристиках ЯЭУ КА, а также рассматривается воздействие на ОКП высотных ядерных взрывов.
Работы по созданию ЯЭУ для КА были начаты в середине 1950-х гг. В США
разрабатывались главным образом ЯЭУ на основе радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), а в нашей стране основное внимание уделялось созданию ядерных реакторов (ЯР) для ЯЭУ КА.
66
РИТЭГ на основе 238Pu, используемого в виде диоксида PuO2, были применены в ряде американских космических программ: лунной программе «Аполлон»
(1969-1972 гг.), программах исследования планет солнечной системы с помощью КА «Пионер-10, 11» (1972-1973 гг.), КА «Вояджер-1, 2» (1977-1998 гг.) и
других.
Отечественные РИТЭГ на
210
Po использованы на двух КА серии «Космос»,
запущенных в 1965 г., а также на аппаратах «Луноход-1» и «Луноход-2»
(1969 г., 1971 г.). В середине 1970-х гг. в нашей стране разработаны РИТЭГ на
238
Pu для обеспечения программы длительных исследований Марса. Работы в
этом направлении были продолжены и в 1990-х гг.
При максимальной достигнутой для РИТЭГ на
238
Pu электрической мощно-
сти 300 Вт тепловая мощность устройства составляет 4500 Вт, т.е. его КПД равен 6,7%. В РИТЭГ такой мощности загружается 9 кг PuО2.
В настоящее время как в США, так и в нашей стране реализуется концепция
создания относительно маломощных РИТЭГ (с электрической мощностью
~1-30 Вт) для применения в исследовательских зондах, спускаемых на поверхность планет и малых тел Солнечной системы. Масса PuО2 в таких РИТЭГ составляет 50-700 г, что не создает существенной радиационной опасности.
Электрическая мощность реакторных ЯЭУ значительно выше по сравнению
с РИТЭГ, для большинства ЯР, эксплуатировавшихся в составе низкоорбитальных КА, она составляет ~3 кВт. Общая масса ЯЭУ такого типа около 1000 кг, а
масса активной зоны ЯР ~50 кг. Для преобразования тепловой энергии, выделяемой ЯР, в электрическую используется полупроводниковый термоэлектрический преобразователь, действие которого основано на эффекте Пельтье. Возможно также использование термоэмиссионного преобразователя, в котором
нагретый до температуры ~1500°C металлический катод испускает поток электронов, создавая электрический ток во внешней цепи.
Радиационная безопасность космических ЯЭУ с ЯР обеспечивается двумя
методами: упоминавшимся уже уводом КА, оснащенных ЯР, после окончания
работы на достаточно высокие орбиты (~800-1000 км) и выбросом из выклю67
ченного реактора активной зоны – сборки тепловыделяющих элементов
(твэлов). В последнем случае обеспечивается полное сгорание активной зоны
при возможном аварийном снижении КА. Продукты сгорания рассеиваются в
атмосфере и не достигают поверхности Земли. Система выброса твэлов была
применена на всех КА с ЯР, запущенных после возникновения в 1978 г. аварийной ситуации с КА «Космос-954».
Выброс сборки твэлов из реакторов полезен и после увода КА с ЯР на высокие орбиты. Сборка за счет лучших по сравнению с КА баллистических характеристик может дольше оставаться в ОКП, чем обеспечивается более полный
распад радиоактивных продуктов. В настоящее время на высотах ~800-1000 км
находится около 30 объектов, содержащих радиоактивные вещества. Приблизительно половину из них составляют КА с выключенными реакторами, а вторую
половину – находящиеся в автономном полете сборки твэлов.
Сами по себе радиоактивные объекты, существующие на орбитах с высотой
~800-1000 км, не представляют радиационной опасности для биосферы, поскольку, как уже указывалось, за время их существования в ОКП, измеряемое
сотнями лет, происходит достаточно полный распад продуктов ядерного топлива. Однако как раз на этих высотах наиболее велика вероятность столкновений
неработающих КА и сборок твэлов с другими техногенными объектами (см.
рис. 15 и рис. 20).
При столкновении исходный радиоактивный объект может частично разрушиться с образованием более мелких радиоактивных фрагментов и получить
механический импульс, который вызовет изменение орбиты и преждевременный вход объекта в атмосферу Земли. Оценка вероятности таких событий, рассматриваемых раздельно, дает величину ~(2 – 5)⋅10-5 в год для одного исходного объекта. При этом вероятность попадания несгоревших частиц уранового
топлива в среду обитания человека составляет ~3⋅10-6 в год, а величина годовой
дозы облучения в районе их осаждения на земную поверхность не превысит
безопасный уровень (1 мЗв в год). Вместе с тем, такие события могут приво68
дить к некоторому локальному радиоактивному загрязнению атмосферы в областях размером ~100-150 км.
Существует еще один вид загрязнения ОКП, связанный с использованием реакторных ЯЭУ на КА: наличие в ОКП частиц Na и К (см. рис. 16). Эти частицы
не являются радиоактивными, их образование обусловлено разгерметизацией
(при выбросе сборки твэлов) жидкометаллической системы теплоотвода реактора, в которой в качестве теплоносителя используется эвтектика Na-К. Количество таких частиц в ОКП таково, что их, как уже отмечалось, учитывают при
построении некоторых моделей космического мусора.
Таким образом, эксплуатация КА с ЯЭУ на борту может привести только к
локальным радиоактивным загрязнениям околоземной среды. Глобальные искусственные радиационные поля в ОКП могут возникать при высотных (выше
~200 км) ядерных взрывах. Первая серия таких взрывов мощностью около 1 кт
была произведена США с целью испытаний ядерного оружия в 1958 г., а следующая серия более мощных (~ 1 Мт) взрывов (США, СССР) – в 1962 г. В октябре 1963 г. вступил в силу международный договор, запрещающий проведение ядерных взрывов в космическом пространстве. Однако некоторые ядерные
державы, не присоединившиеся к этому договору, проводили подобные взрывы
и в последующие годы.
При высотном ядерном взрыве в магнитосферу выбрасываются осколки деления ядер
235
U, претерпевающие в свою очередь β-распад, в результате кото-
рого образуются электроны с энергиями ~1-8 МэВ. Эти электроны захватываются в геомагнитную ловушку, образуя искусственный радиационный пояс
Земли. На начальной стадии искусственный пояс локализован в пределах геомагнитной трубки, соответствующей точке взрыва (рис. 31). Поперечный размер трубки зависит от мощности взрыва: при мощности 10 кт он составляет
~350 км в нижней части трубки и ~1600 км на больших высотах, а при мощности 1 Мт эти размеры увеличиваются до 1600 и 7500 км соответственно. Число
электронов, образующихся при взрыве мощностью в 1 кт, составляет ~7,5⋅1023,
но коэффициент захвата электронов в геомагнитную ловушку обычно не пре69
вышает 1-5%. Время существования искусственных радиационных поясов, в
течение которого происходит экспоненциальное снижение интенсивности потока захваченных электронов, может составлять от нескольких месяцев до нескольких лет.
Рис. 31.Схема захвата электронов в геомагнитную трубку:
1 – Земля;
2 – экватор;
3 – геомагнитная трубка
Искусственные радиационные пояса создают дополнительную радиационную опасность для КА, которая особенно велика на начальной стадии существования поясов, когда плотность потока электронов в них может достигать 10151016 м-2с-1, превышая соответствующую величину для естественных РПЗ на несколько порядков (см. табл. 4).
В связи с наличием в ОКП разнообразных радиационных полей естественно
возникает вопрос о степени опасности, которую они представляют для космонавтов, работающих на орбитальных станциях и совершающих полеты на космических кораблях.
Для снижения радиационных нагрузок на экипажи пилотируемых орбитальных станций («Мир», Международная космическая станция) прежде всего надлежащим образом выбираются орбиты станций: высота орбит составляет 350400 км, а наклонение ~52°. Орбиты с такими параметрами проходят над большей частью земной поверхности ниже внутренней границы РПЗ и не попадают
в высокоширотные области, куда почти без ослабления могут проникать потоки
частиц СКЛ и ГКЛ (см. рис. 10).
Основную часть суточной дозы космической радиации экипажи пилотируемых станций получают на орбитальных витках, проходящих через область
70
Южно-Атлантической магнитной аномалии, центр которой расположен вблизи
восточного побережья Южной Америки. В этой области из-за ослабления геомагнитного поля внутренняя граница РПЗ опускается до высот полета орбитальных станций. На рис. 32 показано географическое положение зоны регистрации потоков протонов РПЗ на высотах ~400-500 км. В указанных границах
интенсивность потоков снижается от центра к периферии приблизительно в
100-200 раз.
Рис. 32. Зона регистрации частиц РПЗ на высотах 400-500 км в области
Южно-Атлантической
магнитной аномалии
Поперечные размеры показанной на рис. 32 зоны и соответственно значения
суточной дозы космической радиации, регистрируемые внутри орбитальной
станции, изменяются на протяжении 11-летнего цикла солнечной активности,
причем доза изменяется в противофазе с солнечной активностью.
Подобный характер изменения мы уже отмечали для потока ГКЛ в окрестности Земли. Однако в данном случае физический механизм, лежащий в основе
наблюдаемой обратной зависимости, совершенно иной. Как мы уже знаем, с
повышением уровня солнечной активности возрастает плотность верхней атмосферы Земли (см. рис. 6). Это влечет за собой увеличение частоты столкновений заряженных частиц РПЗ с газовыми частицами атмосферы и в конечном
итоге – более интенсивное поглощение частиц РПЗ атмосферой. Вспомним, что
71
увеличение плотности верхней атмосферы в периоды максимума солнечной активности отражается и на движении крупных орбитальных объектов, вызывая
усиление их торможения (см. рис. 21).
Изменение дозовых нагрузок на экипажи орбитальных станций в противофазе с изменением солнечной активности наглядно иллюстрируется рис. 33, в
верхней части которого показано изменение в солнечном цикле числа Вольфа
W (суммарного числа отдельных пятен и групп пятен на солнечном диске), а в
нижней части – суточных значений поглощенной дозы D, которые были зарегистрированы на орбитальной космической станции «Мир» (здесь гладкой кривой
показано усредненное изменение).
Рис. 33. Изменение числа Вольфа W и суточной поглощенной дозы D
на протяжении 11-летнего солнечного цикла
72
Число Вольфа широко используется для описания циклических изменений
солнечной активности. Максимальной активности соответствуют, как видно из
рис. 33, значения W~150-200 (при этом D~0,1-0,2 мГр⋅сут-1), а минимальной активности - значения W~1-10 (D~0,6-0,7 мГр⋅сут-1).
Выше, обсуждая естественный радиационный фон и возможное загрязнение
земной поверхности при попадании на нее не сгоревших в атмосфере частиц
ядерного топлива космических ЯЭУ, мы использовали единицу поглощенной
дозы зиверт [Зв], а в данном случае используется единица грей [Гр]. В чем же
состоит различие между этими единицами?
Единица 1 Гр, имеющая размерность [Дж⋅кг-1], используется в системе СИ
для измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения, которая равна
отношению средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества. (Достаточно широко продолжает использоваться и внесистемная единица рад, соответствующая передаче 1 грамму вещества энергии
100 эрг, 1 рад=10-2 Гр.)
При оценке воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты, в частности на ткани человеческого организма, используется понятие экви-
валентная доза Dэ, которая определяется с учетом биологических эффектов,
вызываемых воздействием ионизирующих излучений и измеряется в зивертах
[Зв]. Две указанные дозы связаны между собой через коэффициент качества
излучения Q, имеющий размерность [Зв/Гр]: Dэ [Зв]= Q⋅D[Гр].
Коэффициент качества зависит в первую очередь от вида излучения и в некоторой степени – от энергии частиц, входящих в его состав. Например, для электронов Q=1, а для протонов с энергией меньше 10 МэВ Q=10. Для космического излучения, имеющего сложный состав и широкие энергетические распределения различных компонентов излучения, среднее значение Q для условий полета на низких околоземных орбитах составляет 2-3.
Хотя, как отмечалось ранее, наклонение орбит пилотируемых станций выбирается таким образом, что они не проходят через полярные области, во время
некоторых мощных солнечных вспышек дозовые нагрузки на экипажи могут
73
возрастать в 3-4 раза в связи с приходом в окрестность Земли протонов СКЛ
(рис. 34).
1,8
.
-1
D, мГр сут
1,6
1,4
Рис. 34. Увеличение суточной
1,2
поглощенной дозы на борту
1,0
станции «Мир» во время сол-
0,8
нечной вспышки
0,6
0,4
0,2
0,0
0
5
10
15
20
25
Сутки полета
Такие непродолжительные увеличения суточной дозы, равно как и указанные
выше ее средние значения в пределах солнечного цикла, не представляют опасности для здоровья космонавтов. Тем не менее во время мощных солнечных
вспышек космонавты имеют возможность укрыться в спускаемом аппарате
транспортного корабля, толстые теплоизолирующие стенки которого надежно
защищают и от воздействия радиации. Выходы космонавтов в открытый космос
в периоды солнечных вспышек конечно же нежелательны, поскольку уровень
радиационной защиты, создаваемой оболочками космического скафандра, не
столь высок, как внутри станции. Поэтому при обеспечении радиационной
безопасности космических полетов большое внимание уделяется прогнозированию изменений радиационной обстановки на орбите и дозиметрическому
контролю в отсеках станции.
Важное значение имеет также непрерывный мониторинг состояния Солнца и
радиационных условий в космическом пространстве, в том числе на значительных удалениях от Земли. Протоны СКЛ приходят в окрестность нашей планеты
в большинстве случаев только через несколько часов после возникновения
вспышки, регистрируемой на Земле в оптическом диапазоне через 8 мин.
74
Этих нескольких часов достаточно для того, чтобы принять необходимые
меры по обеспечению радиационной защиты космонавтов. И чем точнее мы буем знать реальные характеристики движущегося к Земле потока СКЛ, тем эффективнее может быть организована радиационная защита.
При реализации в текущем столетии проектов создания обитаемых баз на
Луне и полетов на Марс придется по-новому решать многие вопросы обеспечения радиационной (и не только радиационной) безопасности космонавтов. Так,
при планировании длительной работы людей на Луне необходимо учитывать
практически полное отсутствие у спутника нашей планеты магнитного поля и
атмосферы. В таких условиях даже отдельные солнечные вспышки могут создавать серьезную радиационную опасность для космонавтов, работающих на
поверхности Луны в скафандрах. А кроме того, лунная поверхность подвергается беспрепятственному воздействию метеорных тел и неослабленного солнечного электромагнитного излучения, включая вредные для людей коротковолновые участки спектра. Следовательно, при строительстве лунных баз нужно обеспечить надежную защиту от всех указанных факторов.
Во время экспедиции на Марс, которая может продолжаться 2-3 года, необходимо надежно защитить экипаж межпланетного корабля от воздействия потоков ГКЛ и СКЛ. Расчеты показывают, что традиционные методы радиационной защиты с помощью поглощающих экранов, используемые при полетах на
околоземных орбитах, в данном случае непригодны из-за слишком большой
массы экранов. Наиболее эффективной представляется магнитная защита, которую можно создать с использованием сверхпроводящих электромагнитов.
Реальные проекты таких защитных устройств уже существуют.
Условия жизни человека при совершении дальних космических полетов отличаются от земных во многих отношениях. Одним из таких отличий является
отсутствие привычного для человеческого организма геомагнитного поля. Как
такие условия (их называют гипомагнитными) могут повлиять на здоровье
космонавтов при длительном межпланетном полете, еще предстоит досконально изучить. А не могут ли в гипомагнитных условиях усилиться биологические
75
эффекты, вызываемые воздействием космической радиации на человека? Ответ
на этот вопрос и множество других подобных вопросов позволят дать уже ведущиеся и будущие исследования, от успеха которых во многом зависит дальнейшее расширение космических границ среды обитания человека.
7. Активные эксперименты в космосе
Выше указывалось, что одной из важнейших задач современного этапа развития экологии ОКП является определение предельно допустимых уровней антропогенных воздействий на околоземную среду. Огромную роль в решении
этой задачи играют активные эксперименты в космосе, при проведении которых на околоземную среду оказывается строго контролируемое (поэтому такие
эксперименты иногда называют контролируемыми) физическое воздействие
той или иной природы и регистрируется по многим параметрам ее реакция (отклик) на такое воздействие. В качестве воздействующих факторов могут использоваться пучки электронов и ионов, инжектируемые с ракет и спутников в
ионосферу и магнитосферу, локальные выбросы нейтрального газа и плазмы,
интенсивные электромагнитные излучения, аэрозольные образования, локальные маломощные взрывы, возбуждающие волновые движения в околоземной
среде, и т.д.
Наблюдения возникающих эффектов осуществляются с помощью оптических, радиолокационных, радиотехнических и других средств, размещаемых на
земной поверхности, а также на самолетах, ракетах и спутниках. Регистрируются изменения характеристик ионосферной и магнитосферной плазмы, волновые
движения в нейтральной атмосфере и плазме, оптические явления, процессы
высыпания заряженных частиц в атмосферу и т.п.
Активные эксперименты дают возможность изучать в контролируемых условиях основные физические процессы, протекающие при антропогенных воздействиях на околоземное пространство, в том числе явления, возникающие при
взаимодействии КА с окружающей средой. С использованием активных методов можно исследовать механизмы антропогенных воздействий и их эффектив76
ность по отношению к различным областям ОКП. Наконец, что очень важно,
активные эксперименты позволяют производить оценки масштабов и возможных последствий техногенных воздействий на околоземную среду, необходимые для определения предельно допустимых уровней воздействий и «экологических границ» производственной деятельности в космосе.
Начало проведения активных космических экспериментов, первые из которых (инжекция пучков электронов в магнитосферную плазму с геофизических
ракет) были выполнены в 1969-1970 гг., явилось значительным шагом вперед в
исследованиях космической среды.
Действительно, от пассивной регистрации различных процессов в космическом пространстве удалось перейти к направленному и контролируемому их
инициированию с детальным исследованием возникающих явлений. Космические эксперименты, таким образом, приблизились по своей постановке к экспериментам, проводимым в лабораторных условиях, оставаясь свободными от ограничений, накладываемых лабораторными стендами (несоблюдение пространственных и временных масштабов, влияние процессов на стенках вакуумных
камер, неточность воспроизведения характеристик космической среды и т.д.).
Уже в первых экспериментах с инжекцией в магнитосферу вдоль геомагнитных линий пучков электронов с энергией ~10 кэВ удалось инициировать искусственные полярные сияния. При инжекции в ионосферу плазменных струй наблюдалось возбуждение достаточно интенсивных электрических полей. На рис.
35 в качестве примера приведены результаты одного из таких экспериментов,
во время которого с геофизической ракеты производилась инжекция литиевой
плазмы. Показано изменение во времени Т уровня сигнала (ТМ), регистрируемого аппаратурой ракеты. Через несколько секунд после начала инжекции
плазмы контейнер с литием отделялся от ракеты и постепенно удалялся от нее
на расстояние L, за счет чего исключались помехи измерительной аппаратуре.
Из рис. 35 видно, что напряженность возбуждаемого в окрестности ракеты
электрического поля достигает значения 200-300 мВ⋅м-1, существенно превосходящего величину естественного электрического поля в ионосфере.
77
Рис. 35. Изменение электрического поля в окрестности геофизической
ракеты при инжекции плазменной струи в ионосферную плазму
В некоторых экспериментах с инжекцией плазменных струй были инициированы триггерные эффекты в полярной и экваториальной областях, во время которых в ионосферной плазме генерировались интенсивные низкочастотные
электрические поля и наблюдалось высыпание электронов в верхнюю атмосферу. Рис. 36 показывает характер изменения зарегистрированного потока высыпающихся электронов в эксперименте, проведенном в авроральной области.
Частота пульсаций потока соответствует гармоникам генерируемых переменных электрических полей и может отличаться для электронов разных энергий.
Для изучения рассматривавшегося выше явления образования ионосферных
дыр были выполнены активные эксперименты с выпуском в ионосферу специальных компонентов (Н2, Н2О, CO2 и др.), вызывающих уменьшение электронной концентрации. Эти эксперименты позволили получить ценные данные для
анализа сложного комплекса газодинамических, плазменных и химических
процессов, приводящих к образованию дыр.
Помимо экспериментов, в которых на околоземную среду оказываются контролируемые воздействия, достаточные для возникновения тех или иных геофизических эффектов, к числу активных экспериментов относят также эксперименты, предусматривающие создание в околоземном пространстве искусст78
венных образований, практически не возмущающих окружающую среду, а
лишь трассирующих процессы и явления. В определенной степени здесь можно
провести аналогию с методом меченых атомов, применяемым в физических
исследованиях.
Рис. 36. Стимулированное высыпание потоков электронов
с энергией: а – 1 кэВ; б – выше 40 кэВ
Классическим примером экспериментов такого типа является исследование
процессов в околоземном пространстве с помощью искусственно создаваемых
светящихся облаков, которые образуются в результате инжекции в окружающую среду с борта ракет и спутников паров Li, Na, Ba, Cs.
Убедительной демонстрацией возможностей этого метода исследований послужили в свое время (1984-1985 гг.) международные эксперименты по программе AMPTE (Active Magnetosphere Particle Tracer Explorer), в ходе которых
производилась инжекция паров Li и Ba на значительных расстояниях от поверхности Земли (до 18 RЗ): в солнечном ветре перед магнитосферой Земли,
79
в утреннем секторе и в хвосте магнитосферы (рис. 37). В первом из выполненных экспериментов, в ходе которого отслеживалась динамика облака ионов лития, изучалось взаимодействие СВ с магнитосферой Земли, а в двух других –
образование искусственной кометы в разных областях магнитосферы.
Рис. 37. Схема активных экспериментов по программе AMPTE:
1 – Земля;
2 – литиевое облако в солнечном ветре;
3 – искусственная бариевая комета в утреннем секторе магнитосферы;
4 – литиевое облако в хвосте
магнитосферы
Эксперименты с искусственными светящимися облаками широко используются и для исследования процессов, протекающих в ионосфере. На рис. 38
представлены сделанные с интервалами в несколько десятков секунд фотографии пяти частично ионизованных искусственных светящихся облаков, которые
были созданы путем локальных выбросов паров бария с геофизической ракеты
в диапазоне высот 150-185 км.
Рис. 38. Эволюция искусственных светящихся облаков,
созданных в ионосфере на
высотах 150-185 км
80
Наблюдения эволюции облаков в течение времени их существования (верхняя фотография соответствует началу наблюдений) позволяют судить как о
специфике диффузионных процессов в верхней атмосфере, так и о влиянии локальных электрических полей на движение ионизованных частиц.
Рассмотренные эксперименты являются весьма перспективным направлением исследований, которое может быть названо экспериментальной экологией
ОКП. Это направление, безусловно, получит дальнейшее развитие в связи с его
огромным значением для изучения и прогнозирования антропогенных явлений
в ОКП и решения задач, связанных с определением предельно допустимых
уровней техногенных воздействий на околоземную среду и экологических границ производственной деятельности в ОКП.
Заключение
Освоение космического пространства открыло перед человечеством новые
огромные возможности для проведения научных исследований, развития производительных сил и решения самых разнообразных прикладных задач. Однако
распространение сферы практической деятельности человечества на ОКП сопряжено с увеличением антропогенных воздействий на околоземную среду.
Эти воздействия объективно неизбежны так же, как и воздействия на биосферу
при развитии производительных сил на Земле. Поэтому проблемы экологии
ОКП уже сейчас прочно входят в общую систему экологических знаний.
Для их решения требуются согласованные действия многих государств. В
этом мы наглядно убедились, например, при рассмотрении проблемы космического мусора, констатировав, что существенное ограничение и снижение в будущем уровня засорения ОКП может быть достигнуто лишь путем регулирования общего количества запусков космических объектов и выполнения целого
ряда технических требований при запусках и эксплуатации КА. Такое регулирование можно осуществить только при условии заключения и реализации соответствующих международных соглашений.
81
В настоящее время действуют различные международные документы, регламентирующие космическую деятельность и ограничивающие антропогенные
воздействия на околоземную среду. Некоторые из них уже упоминались выше
(Монреальский протокол 1987 г. по ограничению производства фреонов, Договор 1963 г., предусматривающий запрещение ядерных взрывов в космическом
пространстве). В 1990 г. в Лондоне, а в 1992 г. в Копенгагене были приняты дополнения к Монреальскому протоколу 1987 г., ужесточающие ограничения на
производство и применение фреонов. С 1972 г. действует принятая в НьюЙорке Конвенция по международной ответственности за ущерб, причиненный
космическими объектами, а с 1979 г. – принятая в Женеве конвенция, ограничивающая выбросы в атмосферу загрязняющих веществ при эксплуатации ракетно-космической техники.
В связи с отмечавшейся выше особой значимостью проблемы космического
мусора в 1993 г. был учрежден международный координационный комитет по
этой проблеме, в работе которого принимают активное участие российские
специалисты. Комитетом разработан документ «Руководящие принципы предупреждения образования космического мусора».
В нашей стране, осуществляющей космическую деятельность в полном соответствии с установленными международными нормами, принят Федеральный
закон «О космической деятельности», в котором содержится целый ряд положений, направленных на предотвращение техногенного загрязнения околоземной среды.
В ближайшие десятилетия международному сообществу предстоит реализовать ряд крупных космических проектов, некоторые из которых уже обсуждались выше: полет на Марс, строительство обитаемых баз на Луне, создание на
околоземных орбитах производственных и энергетических комплексов. Современные достижения науки и результаты будущих исследований, несомненно,
позволят найти наиболее рациональные пути дальнейшего развития космической деятельности в гармоничном сочетании с необходимыми природоохранными мероприятиями.
82
Литература
1. Новиков Л.С., Петров Н.Н., Романовский Ю.А. Экологические аспекты космонавтики. М.: «Знание», 1986, 64 с.
2. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шрейдер А.А. Основы экологической геофизики. Учебное пособие. М.: Физический факультет МГУ, 2000,
292 с.
3. Панасюк М.И. Странники Вселенной или эхо Большого взрыва. Фрязино:
«Век 2», 2005, 272 с.
4. Новиков Л.С. Высокоскоростные соударения в космосе. Учебное пособие.
М.: УНЦ ДО, 2003, 72 с.
5. Физическая
экология
(физические
проблемы
экологии).
Под
ред.
В.И.Трухина, Ю.А.Пирогова, К.В.Показеева, №1, №2. М.: Физический факультет МГУ, 1998, 164 с, 160 с.
83