Пик солнечных пятен ускоряет падение космического мусора. Что произойдет с орбитой, если Солнце снизит активность?

Проблема переполненности низких околоземных орбит перестала быть теоретической. На высотах от 600 до 800 километров сегодня находится огромное количество нефункционирующих спутников, отработанных ступеней ракет и фрагментов разрушенных аппаратов. Эти объекты двигаются на скоростях около семи километров в секунду, и любое их столкновение порождает облака новых осколков. Самый известный пример — инцидент 2009 года, когда столкновение неработающего спутника «Космос-2251» и американского аппарата Iridium 33 породило более полутора тысяч крупных фрагментов, которые до сих пор угрожают другим космическим миссиям.

Единственный естественный механизм очистки этого пространства — аэродинамическое торможение. Несмотря на то, что на высоте 600 километров плотность атмосферы крайне мала, она не равна нулю. Сталкиваясь с редкими молекулами газа, объекты теряют кинетическую энергию, постепенно снижаются и в итоге сгорают в плотных слоях атмосферы. Однако скорость этого процесса не постоянна.

Группа исследователей из Космического центра Викрама Сарабхаи и Индийского института космических наук провела анализ исторической базы данных, чтобы выяснить, как именно 11-летние циклы солнечной активности управляют плотностью атмосферы Земли и, следовательно, продолжительностью жизни объектов на орбите. Их работа детально описывает физику орбитального торможения и указывает на серьезные пробелы в современных алгоритмах предсказания траекторий космических аппаратов.

Почему для исследований нужен космический мусор

Для изучения долгосрочных изменений в верхних слоях атмосферы (термосфере) нельзя использовать данные работающих спутников. Современные аппараты оснащены двигателями. Компьютеры регулярно включают их, чтобы поднять орбиту и компенсировать потерю высоты. Эти маневры полностью стирают следы естественного аэродинамического сопротивления.

Чтобы получить чистые данные, ученые отобрали 17 объектов крупного космического мусора. Это аппараты и детали ракет, которые были запущены в 1960-х годах и не имеют систем управления. Они не могут корректировать свою высоту. Их движение подчиняется исключительно законам небесной механики и сопротивлению среды.

Исследователи использовали формат данных TLE (Two-Line Element) — стандартный метод записи параметров орбиты, который ведется с прошлого века. Анализ охватил период в 36 лет (с 1986 по 2024 год), что позволило изучить поведение объектов на протяжении трех полных солнечных циклов: 22-го, 23-го и 24-го. Выбор высоты от 600 до 800 километров также не был случайным: ниже 600 км объекты падают слишком быстро, а выше 800 км на них начинает сильнее влиять давление самого солнечного света, а не сопротивление атмосферы.

Физика процесса: как излучение уплотняет атмосферу

Главный фактор, влияющий на изменение высоты спутников, — это количество экстремального ультрафиолетового излучения (EUV), которое Солнце испускает в сторону Земли. Уровень этого излучения меняется в зависимости от фазы 11-летнего цикла.

Физический механизм заключается в том, что в годы активного Солнца поток ультрафиолетового излучения резко возрастает. Термосфера Земли (слой атмосферы на высоте примерно от 90 до 800 километров) интенсивно поглощает это излучение. Газ нагревается. Согласно законам термодинамики, при нагревании газ расширяется. Из-за этого нижние, более плотные слои атмосферы поднимаются выше.

В результате на тех орбитах, где несколько лет назад был практически полный вакуум, концентрация частиц внезапно увеличивается. Космический мусор начинает испытывать гораздо большее лобовое сопротивление. Уравнение сопротивления показывает, что сила торможения прямо пропорциональна плотности среды. Потеряв часть скорости, объект под действием гравитации переходит на более низкую орбиту, где атмосфера еще плотнее, что дополнительно ускоряет его падение.

Выявление точного порога торможения

Главным достижением исследования стало определение точной границы, при которой начинается ускоренный сход мусора с орбиты. Сопоставив графики потери высоты с показателями солнечной активности (для этого использовались данные о количестве солнечных пятен и индексе радиоизлучения F10.7), ученые выявили математическую закономерность.

Орбитальный распад не нарастает плавно. Он резко ускоряется только тогда, когда солнечная активность достигает отметки в 67-75% от пикового значения текущего 11-летнего цикла. До этого момента плотности поднявшейся атмосферы не хватает, чтобы существенно изменить траекторию тяжелых объектов. Но как только активность пересекает этот порог, процесс потери высоты становится лавинообразным. Это открытие дает операторам космических миссий конкретный индикатор: зная текущую фазу солнечного цикла, они могут с высокой точностью предсказывать периоды, когда спутникам потребуется больше топлива для поддержания высоты, а риск падения неуправляемых объектов сильно возрастет.

Ограничения атмосферных моделей на полюсах

В ходе работы ученые также проверили, насколько хорошо современные компьютерные модели могут предсказывать падение объектов. Они использовали популярную эмпирическую модель плотности атмосферы NRLMSIS 2.0. На основе данных о массе объектов, их площади и исторической скорости снижения инженеры рассчитали баллистические коэффициенты, а затем попытались смоделировать их падение в период 24-го солнечного цикла.

Для 15 из 17 объектов математическая модель показала результаты, очень близкие к реальности (после применения небольших корректирующих коэффициентов). Эти объекты двигались на низких и средних широтах. Однако для двух фрагментов мусора модель выдала совершенно неверные данные, которые сильно расходились с фактическими наблюдениями.

Оба этих объекта находились на полярных орбитах (с наклонением около 99 градусов). Это свидетельствует о серьезной системной проблеме: существующие атмосферные модели плохо справляются с расчетом плотности газов над северным и южным полюсами Земли. В полярных областях на нагрев атмосферы влияют другие факторы — в частности, выпадение заряженных частиц из магнитосферы и джоулев нагрев. Модель NRLMSIS 2.0 не учитывает эти локальные флуктуации с достаточной точностью. Сегодня, когда компании создают мегагруппировки спутников, работающие именно на высокоширотных полярных орбитах, невозможность точно рассчитать сопротивление атмосферы в этих зонах становится серьезной проблемой для планирования миссий и обеспечения безопасности.

Влияние слабых солнечных циклов

Особое внимание в исследовании уделено сравнению разных периодов. Наблюдения подтвердили, что 22-й солнечный цикл (конец 1980-х — начало 1990-х) был очень активным. В это время скорость падения космического мусора была максимальной. Однако 24-й цикл, пик которого пришелся на 2014 год, оказался аномально слабым. Уровень ультрафиолетового излучения был существенно ниже нормы.

Из-за недостаточного нагрева термосфера Земли оставалась сжатой. Плотность газов на высоте 600-800 километров упала. В результате скорость орбитального распада объектов в 2010-е годы снизилась в несколько раз по сравнению с 1990-ми.

Снижение солнечной активности означает частичную остановку естественного механизма уборки низких орбит. Неработающие спутники и ступени ракет задерживаются в космосе на десятки лет дольше ожидаемого срока. С учетом того, что количество запусков растет экспоненциально, периоды «спокойного» Солнца превращаются в самые опасные интервалы для околоземной навигации: мусор накапливается быстрее, чем атмосфера успевает его утилизировать. И если тенденция к ослаблению солнечных циклов сохранится, человечеству придется полностью пересматривать стандарты вывода аппаратов из эксплуатации и внедрять технологии принудительного свода объектов с орбиты.

Источник:Frontiers in Astronomy and Space Sciences