1. Возмущения атмосферы: воздействия на движение и функционирование спутников.
Спутник, движущийся по орбите вокруг Земли, продолжал двигаться по кругу, если бы единственной действующей на него силой была гравитация. Однако, спутники находящиеся ниже 2000 километров, фактически движутся через атмосферу Земли. Столкновения с частицами воздуха, даже на этих высотах медленно меняют орбиту и замедляют спутник, тем самым заставляя его снизить высоту.
Каким образом на это влияет космическая погода? На заданной высоте плотность частиц воздуха сильно зависит от солнечной деятельности, сезона, долготы, широты, местного времени и магнитных бурь. Солнечное излучение (включая, сильно изменчивое рентгеновское и ультрафиолетовое) заставляет верхнюю атмосферу нагреваться и расширяться. Эти энергичные солнечные излучения достигают критических значений во время периодов высокой солнечной активности. Интенсивные токи, текущие через верхнюю атмосферу, также увеличивают нагрев и расширение атмосферы в этих областях.
Срок службы спутника. Срок службы спутника зависит от высоты его орбиты. На 300-километровой высоте он может составить от 20-50 дней (в зависимости от уровня солнечной активности) прежде, чем он сгорит. Но, на высоте 180 км, эти сроки уменьшаются до часов.
Возвращение спутников. Даже самые сложные программы не способны определить время возвращения спутника лучше чем с 10%-ой точностью или в течение 2,4 часов в период 24 часов. Низковысотный спутник перемещается настолько быстро, что в течение 2 часов он полностью облетает земной шар. Местоположение возвращения спутника практически невозможно предсказать. Требуется более глубокое изучение космической погоды, климата и отклика верхней атмосферы Земли, чтобы решить эту проблему.
 Об изображении: Атмосфера сильно расширяется на высоких широтах во время космических погодных возмущений. В пределах красных областей на изображении, атмосферная плотность увеличилась до значений более чем 20% в течение относительно умеренного магнитного шторма. Во время пиков возмущения, эти значения могут легко превысить 100 %. Что еще более важно - эти изменения в атмосферной плотности непредсказуемы и нерегулярны. После космического погодного возмущения, буквально тысячи объектов в космосе изменяют орбиты и должны быть перемещены. (Burns, University of Michigan)
Система NORAD в США (и аналогичные отечественные системы) несут ответственность за контроль перемещения объектов, которые находятся на орбите вокруг Земли. После сильных магнитных возмущений, атмосфера нагревается и расширяется, оказывая большое влияние на спутники. Спутники замедляют движение и в результате меняются их орбиты. После большого магнитного возмущения необходимо заново идентифицировать сотни объектов и сделать запись их новых орбит.
2. Как радиация может повредить живую клетку?
Высокочастотные излучения или высокоэнергичные частицы проникают в живую клетку с достаточным количеством энергии, чтобы выбить электроны из молекул, которые составляют клетку. Присутствие ионов нарушает нормальное функционирование клетки. Повреждение ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) является самым серьезным повреждением клетки. ДНК - является основой клетки и содержит всю информацию для того, чтобы произвести новые клетки. ДНК - это сложная молекула, сформированная из двух длинных "берегов", которые искривлены друг вокруг друга и связаны химически. Есть два главных пути, которыми радиация повреждает ДНК в наших клетках: 1) Вода в нашем теле может поглощать большую часть радиации и становится ионизированной. Когда вода ионизирована, то формируются очень активные молекулы, называемые свободными радикалами, которые могут приводить к повреждению молекул ДНК. 2) Радиация может воздействовать на молекулу ДНК, непосредственно ионизируя и повреждая ее.
Признаки лучевой болезни: серьезные ожоги, которые медленно заживают, бесплодие, рак, и другие повреждения органов. Высокие дозы радиации полученные в течение дней или недель - фатальны. Мутации или изменения в ДНК могут привести к паталогиям.
3. Можно ли восстановить поврежденные клетки?
Может ли клетка восстановить себя, зависит от типа повреждения ДНК.
|
Тип Повреждения
|
Перспективы восстановления ДНК
|
|
Единственный разрыв «берега» в ДНК
|
обычно может восстановиться и будет нормально функционировать.
|
|
Разрывы в обеих ДНК
|
Как правило повреждение серьезно, восстановлению не подлежит. Клетка умирает.
|
|
Химическое изменение или мутация
|
Не может быть восстановлена. Возникает рак или видоизмененния у потомства, если это происходит в сперме или яйцеклетке .
|
4. Предельные лучевые дозы (milliSieverts = mSv) для астронавтов.
|
Период времени
|
Органы, формирующие кровь(BFO)
|
Глаза
|
Кожа
|
|
30 дней
|
250
|
1000
|
1500
|
|
Ежегодный
|
500
|
2000
|
3000
|
|
За весь период для мужчин
|
2000 mSv + 75 x (возраст в годах 30) mSv
|
4000
|
6000
|
|
За весь период для женщины
|
2000 mSv + 75 x (возраст в годах 38) mSv
|
4000
|
6000
|
|
*Клетки (содержащиеся в коже, глазах и органах формирующих кровь, которые воспроизводятся быстрее, являются самыми восприимчивыми к повреждениям, потому что они не могут восстановить себя. Приемлемые лучевые дозы обычно даются для этих органов.
|
Пределы, установленные Национальным Советом по Защите и радиационным измерениям NCRP.
Для всех миссий кроме исследовательских (например, миссия на Марс).
5. Каковы смертельные дозы радиации для обывателей?
Предельные лучевые дозы для обывателей
|
Период времени
|
Доза (milliSieverts)
|
|
Ежегодный (непрерывно)
|
1
|
|
Ежегодный (случайный)
|
5
|
Пределы, установленные Национальным Советом по Защите и радиационным измерениям (NCRP).
6. Какой уровень радиации получает каждый человек за год?
7. Каковы смертельные уровни радиации?
8. Насколько опасны солнечные выбросы протонов для астронавтов?
Солнце - очень мощный естественный ускоритель частиц. Оно может ускорить ионы до энергий в 100 МэВ и послать такой поток к Земле. Эти события происходят как естественное последствие происходящих на солнце вспышек и корональных выбросов масс. Ионы этих энергий чрезвычайно разрушительны для живущих клеток. Между запусками спутников Аполлон 16 и 17 произошел один из наиболее сильных солнечных протонных выбросов когда-либо зафиксированных на Земле. Компьютерные моделирования позволили представить дозы облучения, которые испытал бы астронавт в космическом корабле в этом случае. Даже в космическом корабле астронавт получил бы смертельную дозу радиации в пределах 10 часов после начала излучения - 4000 mSv.
9. Ионосферные штормы.
Представлены результаты 24-часового моделирования электронного состояния в промежутке высот между 100-и 400-километров, во время ионосферного шторма 10-11 апреля 1997. Этот шторм произошел одновременно с магнитной бурей, которая началась в околоземном пространстве в ~21час UT времени 10 апреля из-за выброса корональных масс из Солнца. Шторм пошел на спад в пределах 9 часов мирового времени 11 апреля, но изменения в ионосфере длились намного дольше.
Главные особенности возмущенной ионосферы:
- Области увеличенной плотности ионизации, которые появляются на высоких широтах во время бури, но быстро исчезают, т.к. этот спад происходит из-за высокоэнергичных частиц, которые входят в атмосферу и поглощаются нейтральным атмосферным газом, создавая свободные электроны. Эти же самые высокоэнергичные частицы приводят к полярным сияниям.
- Общее усиление электронной плотности, которые появляются вслед за бурей, возникают и сохраняются надолго после ее окончания, они называются положительными штормовыми эффектами. Сильные истощения в плотности называются отрицательными штормовыми эффектами.
- Соотношение и конфигурация положительных и отрицательных штормовых эффектов изменяется сложным образом от шторма к шторму. Динамические процессы, которые вызывают эти сложные изменения, недостаточно хорошо изучены, но являются предметом активных исследований в теоретических и наблюдательных программах.
Влияние на радиосвязь.
Понижения в ионосферной плотности вызывают проблемы коммуникаций, т.к. радиочастоты, которые ранее отражались от ионосферы, пробивают ее. Максимально подходящая частота (MUF) может уменьшаться в два раза во время ионосферных возмущений. Штормовые эффекты более явны в верхних широтах.
Как долго длятся ионосферные штормовые эффекты?
Сильные понижения в ионосфере, вызванные ионосферными штормами могут длиться в течение дня.
10. Коротковолновые затухания (SWFs) и солнечные вспышки.
Механизм: вспышки ультрафиолетового света и рентгеновского излучения при вспышках на Солнце.
Всего через 8 минут после того, как вспышка происходит на Солнце, взрывная волна ультрафиолетовых и рентгеновских излучений поражает дневную сторону Земли. Эти излучения с высокими энергиями поглощаются атмосферными частицами и сталкиваются со свободными электронами в процессе фотоионизации. В низких D-и E-областях ионосферных слоев плотность немедленно увеличивается на всей дневной стороне.
Эффекты на радиоволнах.
Короткие радиоволны (в диапазоне HF) поглощаются большим количеством частиц в низких областях ионосферы, вызывающих полное затмение радио-коммуникаций. Это называется коротковолновым затуханием (SWFs).
Как долго длится затухание коротких волн?
Коротковолновые затухания длятся от нескольких минут до нескольких часов и являются наиболее серьезными в экваториальных областях.
11. Как космическая погода затрагивает трубопроводы?
Основные факты о трубопроводах.
Изобретение электрически спаянной трубы без шва в 1920-х гг., которая была приспособлена для переноса материала под высоким давлением, позволило построить выгодные трубопроводы длиной более чем тысяча миль. Теперь Соединенные Штаты и другие части мира соединены большими сетями трубопроводов, которые несут природный газ, нефтепродукты, воду и другие материалы от источников к потребителям. Давление в трубах: от 50 до 2000 фунтов на квадратный дюйм. Каждые 30 - 150 миль компрессорные станции для добывания природного газа и насосные станции для жидких и твердых продуктов повышают давление и посылают материал дальше по трубопроводу. Утечки из трубопроводов, которые главным образом закопаны в землю, могут быть вызываны повреждениями от низких температур, тяжелых дождей, эрозии почвы и коррозии. Трубопроводы обычно покрываются смолой или другим веществом, чтобы защитить их от коррозии. Коррозия происходит из-за химических реакций между материалом трубопровода и естественной окружающей средой. В Советском Союзе были самые длинные трубопроводы в мире, один из них 3800 миль (6 120 километров) от Уральских гор до Восточной Европы и другие: 2500 миль (4 000 километров) от Сибири до Австрии, Восточной Германии, Франции, Италии и Западной Германии. Транс-Аляскинский Трубопровод, а также трубопроводы FSU, которые расположены в высоких широтах, особенно восприимчивы к космическим возмущениям.
Механизм воздействия космических бурь.
Трубопроводы сделаны из проводящих материалов. Во время космических бурь интенсивные электрические токи текут в атмосфере высоких широт. Эти неустойчивые токи создают колеблющиеся магнитные поля, которые регистрируются на поверхности Земли. Благодаря процессам электромагнитной индукции переменные магнитные поля индуцируют токи в приповерхностных слоях. В областях, с большими концентрациями скал, которые плохо проводят электричество (типа вулканических пород) токи идут по пути наименьшего сопротивления и концентрируются в искусственных проводниках, таких как трубопроводы. При этом токи также текут между Землей и трубопроводом, вызывая усиленную коррозию трубопровода.
12. Электрические токи в коре Земли и океанах вызваны электрическими токами, текущими в атмосфере.
Электромагнитная индукция действует на больших пространствах во время космических бурь, создавая токи величиной в миллионы ампер, текущие через ионосферу в верхних широтах. Эти токи переменные. Колебания тока создают переменные магнитные поля, которые регестрируются на поверхности Земли. Эти изменяющиеся магнитные поля вызывают токи большой амплитуды в длинных проводниках (как скалы в коре Земли, океанской воде и любых длинных искусственных структурах сделанных человеком: трубопроводы, трансокеанские кабеля, линии электропередачи). В течение больших магнитных бурь интенсивные токи, текущие в ионосфере, вызывают токи на поверхности Земли называемые GIC (геомагнитно индуцированные токи). Некоторые скалы проводят ток лучше чем другие. Вулканические породы не очень хорошо проводят электричество, таким образом потоки стремятся идти по пути наименьшего сопротивления и течь через искусственные проводники, которые присутствуют на поверхности (как трубопроводы или кабели). Области Северной Америки имеют много вулканической породы и таким образом особенно восприимчивы к эффектам GIC в искусственных системах. Токи, текущие в океане вносят свой вклад в GIC, выходя по береговым линиям. GIC - постоянный ток, который появится в сложной сети линий электропередач, которые доставляют электроэнергию по всему миру. При чрезвычайных космических погодных условиях, эти GIC могут вызвать серьезные проблемы для работы распределительных электрических сетей, разрушая работу трансформаторов, с которых поступает напряжение по сети.
13. Гидроквебекская катастрофа электросети
Гидроквебекское замыкание в марте 1989.
13 марта 1989, в 2:44 UT, поломка трансформатора на одной из главных линий электропередач в Гидроквебекской системе (Восточная Канада) привела к катастрофическому краху всей электросети. Вереница событий, которые вызвали крах, заняла всего 90 секунд от начала до конца. Не было ни минуты для принятия корректирующих действий. Отказ трансформатора был прямым следствием вызванным потоками космических погодных возмущений высоко в атмосфере. 6 миллионов человек не имели электроснабжения в период от 9 или более часов.
Космическое погодное возмущение, вследствие которого произошло отключение, было большой магнитной бурей. Большие магнитные бури - это возмущения в околоземной космической окружающей среде, которые происходят относительно редко. Они происходили в частности в феврале 1986, марте 1989, марте 1991, ноябре 1991 и мае 1992, частота больших и сильных бурь заметно увеличивается, когда мы входим в максимум деятельности солнечного цикла. Более качественное предупреждение космических погодных событий позволило бы энергетическим компаниям предпринимать меры по уменьшению нагрузки на чувствительные цепи, чтобы защитить их от развития больших понижений потенциалов путем установки чувствительных устройств, разработанных, чтобы автоматически защитить сеть в течение подобных случаев. Это - лучший способ предотвратить от дорогостоящих и опасных эффектов, вызванных космическими погодными событиями.
14. Сколько могут стоить последствия космической бури?
Гидроквебекский урок.
Замыкание Гидроквебекской электросети научило нас тому, сколько может стоить солнечный шторм. Потери Гидроквебека составили более 10 миллионов долларов. Отключение электроэнергии миллионам человек на огромной области относит стоимость этого бедствия к одной и той же категории как ураганы, и землетрясения.
Истинная стоимость затмения.
Стоимость крупномасштабного затмения, независимо от причины, имеет не только денежные потери. Во время таких явлений, коммунальное обслуживание нарушается, включая такие вещи как системы безопасности и общественный транспорт. Нарушения, которые происходят во время зимних внезапных похолоданий, могут быть опасны для жизни из-за перекрытий систем нагрева.
Космические погодные предсказания и электросети.
Поскольку электросети становятся больше, длинее и сложнее, растет их чувствительность к космической погоде. Поломка этих сетей не только доставляет неудобства, но и может иметь серъезные экономические последствия и может привести к человеческим жертвам.
15. Воздействие на живые организмы .
 Рассмотрим ситуацию на примере почтовых голубей. Определенные разновидности животных на Земле (такие как почтовые голуби) в состоянии чувствовать магнитное поле Земли и использовать его в навигационных целях. Почтовые голуби, как известно, возвращались домой, пролетая 1000 миль (1600 километров) через незнакомую территорию за два дня. У почтовых голубей, эта способность была развита - отборной селекцией. Почтовые голуби использовались американскими войсками во время Первой мировой войны, Второй мировой войны и корейской войны. Во время Первой мировой войны, одна удивительная птица пролетела 25 миль за 24 минуты, чтобы доставить сообщение даже с пулевым ранением. Голуби были заменены в вооруженных силах электронными устройствами в 1956г. Однако, соревнования почтовых голубей - спорт, который любят во всем мире.
Воздействия космических погодных возмущений.
В течение космических погодных возмущений, интенсивные электрические токи, текущие в околоземном пространстве производят неустойчивые магнитные поля, которые чувствуются у поверхности Земли. Почтовые голуби, по наблюдениям, сбивались с пути во время таких возмущений и могли даже потеряться.
|
Дата и тип происшествия
|
Последствия
|
| Ионосферный шторм 10-11 апреля 1997 |
Понижения в ионосферной плотности вызвали проблемы коммуникаций, т.к. радиочастоты, которые ранее отражались от ионосферы, пробивали ее. |
| Гидроквебекское замыкание 13 марта 1989, в 2:44 UT |
Поломка трансформатора на одной из главных линий электропередачи в Гидроквебекской системе привела к краху всей электросети. 6 миллионов человек не имели электроснабжения в период от 9 или более часов. |
| Большие магнитные бури: февраль 1986, март 1989, март 1991, ноябрь 1991 и май 1992. |
Увеличение нагрузки на чувствительные цепи. Поломки в электросетях. |
| Период между запусками спутников Аполлон 16 и 17, один из наиболее сильных солнечных протонных выбросов когда-либо зафиксированных на Земле. |
Компьютерные моделирования позволили представить дозы облучения, которые испытал бы астронавт в космическом корабле в этом случае. Даже в космическом корабле астронавт получил бы смертельную дозу радиации в пределах 10 часов после начала излучения - 4000 mSv. |
Источник: phys.spbu.ru.
Рейтинг публикации:
|
