1 января, 2006

Глобальная зависимость

Частоту авиационных катастроф во многом определяют магнитные бури

Август 2005 г. по количеству авиационных катастроф стал самым тяжелым и смертоносным для мировой авиации за последнюю пятилетку. Не менее тягостным по своим последствиям стал и сентябрь. Однако причинами происшествий и аварий стали не только отказ техники и ошибки летного состава. Если обратиться к гистограмме частоты авиационных катастроф в день регистрации магнитных бурь, то становится понятным, что во многом в бедах гражданской и военной авиации заметен космический след.

ПРОГНОЗЫ И ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ

В сентябре 2005 г. в очередной раз не оправдали себя традиционные методы прогноза экстремальных геофизических ситуаций. Словно для проверки бдительности, природа подбросила очередной сюрприз - 7 сентября на Солнце была зарегистрирована мощная вспышка, подобная тем, которые произошли в известных событиях в октябре-ноябре 2003 г. Заметим, гигантские солнечные вспышки 2003 и 2005 гг. пока являются абсолютными лидерами по своему размаху и мощи.

Официальный прогноз, выданный американским центром прогнозов по данным за 7 сентября, дал вероятность магнитной бури не более 10%. Это, мягко говоря, не соответствовало действительности. И подобные прогнозы являются в настоящее время далеко не единичными случаями.

Сложившуюся ситуацию с прогнозированием, основанным только лишь на основе солнечных наблюдений, на языке математики можно было бы кратко охарактеризовать так: необходимо, но: недостаточно. Хотя к настоящему времени понятно, что область между Солнцем и Землей не есть межпланетное пространство, а межпланетная среда, притом играющая определяющую роль в солнечно-земных связях. Однако корректно учесть этот фактор пока не удавалось.

Не лучше обстоит дело и с прогнозами, основанными на "перехвате" межпланетных источников мощных магнитных бурь космическими аппаратами, находящимися вблизи орбиты Земли. К сожалению, имеющиеся многолетние попытки перехвата подобных опасных "целей" успехом не увенчались.

Во-первых, слишком поздно, если речь идет о мощных событиях, а именно они и представляют практический интерес. А во-вторых, космические аппараты сами выходят из строя под воздействием перехватываемых ими излучений, т.е. обладают недостатками, присущими зондовым методам вообще.

Существует и третий путь, альтернативный существующим. По нашему мнению, суть дела заключается в выборе оптического диапазона как идеального средства для заблаговременного обнаружения любых целей и объектов. Взрывные ударные волны от солнечных вспышек заметны в "свете" космических лучей, движущихся с околосветовой скоростью. В этой, возможно, единственной ситуации, термин космические лучи оправдывает свое название.

Космические лучи представляют собой частицы. Но в отличие от фотонов (квантов света) они обладают массой и зарядом. В частности, речь идет о протонах, из которых преимущественно и состоят космические лучи. Очевидно, что космические лучи, как и все заряженные частицы, подвержены воздействию магнитного поля, в данном случае, межпланетного.

Искажения магнитного поля, вызванные взрывами на Солнце, практически мгновенно передаются космическим лучам. Если вовремя зарегистрировать эти изменения мировой сетью наземных полярных станций космических лучей, то можно предсказать экстремальное радиационное и электромагнитное возмущение на орбите Земли с заблаговременностью приблизительно в одни сутки.

Достигнутая предложенным способом величина заблаговременности на два порядка выше таковой, достигаемой на базе американских космических аппаратов, подвешенных в точке либрации системы Солнце-Земля. Это подтвердил наш прогноз по данным за 7 сентября 2005 г., причем, на уровне значимости не менее 95%.

Результаты мониторинга и прогноза экстремальных событий в текущем XXIII цикле были представлены на всероссийскую конференцию, которая проходила в подмосковном г. Троицке (ИЗМИРАН) с 10 по 15 октября 2005 г. и была посвящена проблеме прогнозирования солнечной активности. Прозвучавший на конференции вывод о перспективности использования космических лучей в задаче прогноза космической погоды вселяет надежду на успех в наших начинаниях.

КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА

Термин космическая погода означает состояние околоземного космического пространства в данное время или за определенный временной интервал. Так же, как в случае обычной погоды, представляет интерес возможное воздействие космической погоды на самого человека и среду его обитания.

В период максимальной активности на Солнце наблюдаются гигантские взрывы, сопровождающиеся выбросами больших масс вещества, движущихся с огромной скоростью (до 2000-3000 км/с). Межпланетная среда сильно разрежена, но при этом вся она пронизана магнитным полем Солнца. Искажения межпланетного магнитного поля под воздействием подобных взрывов проявляются в виде так называемых "магнитных пробок".

Частицы, движущиеся под небольшими углами к межпланетному магнитному полю, беспрепятственно проникают через нее. Другая же часть космических лучей, которая движется под большими углами к магнитному полю - отражается от пробки. Вытесненные и отраженные магнитной пробкой частицы фокусируются в пучки, которые и являются индикатором приближающегося к Земле возмущения межпланетной среды. На Земле подобные пучки космических лучей и проявятся как предвестники магнитных бурь.

Существующие (зондовые) способы раннего обнаружения возмущений межпланетной среды на космических аппаратах позволяют достичь заблаговременности прогноза (причем лишь слабых возмущений) не более десятков минут, что недостаточно для практического использования.

С другой стороны, сами КА выходят из строя под воздействием, в первую очередь, радиационного облучения в активный период. Иными словами, имеет место проблема надежности, причем дорогостоящего комплекса на основе нескольких КА.

Предложенный способ выгодно отличается простотой реализации а, следовательно, и экономической эффективностью (т. к. используется уже существующая мировая сеть наземных станций космических лучей - нейтронных мониторов) и оперативностью.

Оперативность способа заключается в том, что скорость обнаружения ударных волн почти мгновенна, т. к. космические лучи, регистрируемые наземными станциями движутся, практически, со световой скоростью. И, самое важное, расстояние ("длина пробега") с которого нейтронные мониторы регистрируют быстропеременные вариации космических лучей от приближающегося фронта межпланетного возмущения, по меньшей мере, в 10 раз (на порядок) больше расстояния от Земли до местонахождения американского космического аппарата (SOHO) в "точке либрации".

По этой причине заблаговременность раннего обнаружения магнитных "пробок" по регистрации мерцаний космических лучей более чем в 10 раз (приблизительно одни сутки) больше заблаговременности, достигаемой на КА (около 1 часа).

О надежности и эффективности "телевидения" космических целей на базе наземного мониторинга фонового космического излучения говорилось выше. Экономическая же эффективность предложенного способа говорит сама за себя. Стоимость и эксплуатация американской спутниковой группировки прогноза - около 1 млрд. долл. Ущерб от всевозможных потерь, связанных с пропуском подобных космических цунами, представляет собой не менее значительную сумму.

ОТ НЕВЕРОЯТНОГО К ОЧЕВИДНОМУ

В период с октября на ноябрь 2003 г. была зарегистрирована мощная вспышка на Солнце. Многими исследователями солнечно-земной физики она отнесена к явлениям уникального порядка. В это же время были зарегистрированы вспышки на Солнце, сопровождавшиеся гигантскими выбросами солнечного вещества, потоками частиц космических лучей, необычайно мощными магнитными бурями.

Эти явления привели к отказам в работе систем телеметрии космических аппаратов, длительным и глубоким нарушениям радиосвязи и редким по красоте полярным сияниям.

Ряд специалистов склоняется к мнению, что прогнозировать подобные явления невозможно, по крайней мере, более чем за сутки. Вопреки этим утверждениям, недавние результаты, полученные в Арктическом центре космофизического прогноза ИКФИА, вселяют надежду, что подобные прогнозы могут стать реальностью.

В отличие от московских специалистов из Института земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), о прогнозах которых время от времени сообщается в средствах массовой информации, в Арктическом центре задались целью перевести прогноз из сферы искусства и интуиции исследователя в точный расчет. Иными словами, в Арктическом центре космофизического прогноза ИКФИА создается прогностическая экспертная система "FORSHOCK".

Это возможно, если нам повезло с выявлением предвестника, о чем уже говорилось выше. Пока невероятным кажется вывод о возможности среднесрочного прогноза геоэффективных периодов солнечной активности с заблаговременностью в три-четыре оборота Солнца.

Тем не менее, в период с августа на сентябрь 2003 г. специалистами Арктического центра был зарегистрирован предвестник со среднесрочным прогнозом на октябрь-ноябрь 2003 г.

Среднесрочный прогноз на три оборота Солнца вперед позволяет планировать те или иные мероприятия (запуск космических аппаратов, выход космонавтов в открытый космос, проведение испытаний новой авиационной техники и т.д.) на три месяца вперед. Оперативный же прогноз с заблаговременностью до одних суток дает возможность уточнить время принятия решения.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Проведение мониторинга и прогноза космической погоды в режиме реального времени существенно расширяет состав потенциальных пользователей. Предлагаемый способ может быть использован для прогнозирования выхода из строя систем жизнеобеспечения и телеметрии космических аппаратов, сбоев в работе систем глобального позиционирования GPS, нарушений бортовой связи и систем управления самолетов, нарушений работы систем мобильной связи, сбоев в работе высоковольтных линий ЛЭП и т. д. Словом, всего того, без чего немыслимо ведение современной войны.

В качестве примера рассмотрим результаты длительного совместного эксперимента по прогнозу нарушений радиосвязи, проводимого в период пробных полетов по кроссполярной трассе в ноябре 2001 г. В рамках этого эксперимента прогноз космической погоды заблаговременно передавался в лабораторию ионосферных исследований ИКФИА, где кроме традиционного зондирования ионосферы проводился электромагнитный мониторинг на фиксированных радиочастотах.

Обратим внимание: значимые, т.е. превышающие 95% и 99% уровни значимости, положительные значения индекса мерцаний космических лучей являются предвестниками или предикторами. Отрицательные значения индекса соответствуют диагностике события.

Первый предвестник или предиктор (отмечен стрелкой) зарегистрирован с 3 на 4 ноября 2001 г. на 99% уровне значимости, а второй предвестник - 5 ноября на 95% уровне значимости. Возмущение достигло орбиты Земли 6 ноября. В интенсивности фонового галактического космического излучения это проявилось в резком и глубоком понижении его интенсивности (приблизительно 10%).

Подобное понижение в интенсивности ГКЛ называется эффектом Форбуша, который обычно сопровождается геомагнитной бурей. День 4 ноября характеризуется резким повышением вспышечной активности, сопровождавшейся возрастанием потока высокоэнергичных протонов.

5 ноября началось возрастание и низкоэнергичных протонов, достигшее максимума непосредственно перед регистрацией фронта межпланетного возмущения на Земле и начала большой геомагнитной бури.

Экстремальное радиационное возмущение 4 и 5 ноября и последующая магнитная буря 6 ноября явились основными поражающими факторами систем жизнеобеспечения и телеметрии космических аппаратов, систем навигации и мобильной связи, радиосвязи с воздушными судами и т. д.

В это время в ионосфере Земли происходило следующее. В период, примерно с 11.00 до 16.00 часов местного времени LT (02.00-07.00 мирового времени UT), на радиотрассе Магадан-Якутск на частотах 07.320 и 09.530 МГц, полностью отсутствовал прием радиосигналов из-за их поглощения во время геомагнитной бури.

Ионосферные наблюдения на станциях Якутск и Жиганск в этот период регистрировали на ионограммах вертикального зондирования "условие В" - полное поглощение радиоволн КВ-диапазона. Аналогичная картина наблюдалась и во втором экстремальном событии 24-25 ноября 2001 г. Второму экстремальному событию также предшествовали прогнозные сигналы (21 и 23 ноября).

Не удивительно, что в обоих экстремальных по мощности ноябрьских событиях длительные и глубокие нарушения радиосвязи проявились в потере в это время связи с воздушными судами.

Но как показали результаты наземного радиационного мониторинга, подобные экстремальные и катастрофические ситуации, выводящие из строя системы телеметрии и управления космических аппаратов и самолетов, можно прогнозировать, причем, достаточно надежно и с необходимой заблаговременностью.

В последнее время установлено, что роль космических лучей в формировании и традиционной погоды является определяющей. Вариации фона космических лучей, обусловленные усилением активности Солнца и есть тот "спусковой крючок" который запускает тайфуны в морях и океанах, в том числе, и на южное побережье США. Связь серийных событий экстремальной солнечной активности и серией тайфунов 2005 г. - очевидна.

Сам факт воздействия экстремальной радиационной и электромагнитной обстановки в период повышенной солнечной активности на радиотехнические средства Системы контроля космического пространства (СККП) можно считать доказанным. Слабым же звеном в этой цепи является задача достижения достоверности прогноза подобных периодов на базе количественных критериев и с достаточной заблаговременностью. Причем, даже успешный прогноз геомагнитной бури не является решением проблемы. Наиболее опасным для систем телеметрии и управления как гражданского, так и военного назначения, являются жесткие излучения на стадии развития активных областей на Солнце. В настоящее время нами установлено, что регистрация пучков космических лучей является достаточным условием ранней диагностики геоэффективности источника на Солнце, т.е. достаточным условием прогноза жестких, корпускулярных излучений (низкоэнергичных и высокоэнергичных протонов и электронов) - основного поражающего фактора. Надежный и точный прогноз космической обстановки позволит максимально учесть влияние фактора солнечной активности при планировании полетов авиации, космической деятельности, ведении военных действий на земле, море и воздухе.