- A szoláris kozmikus sugarak (SCR) protonok, elektronok, atommagok, amelyek napkitörésekben keletkeznek, és a bolygóközi közeggel való kölcsönhatás után érik el a Föld pályáját.
- Magnetoszférikus viharok és szubviharok, amelyeket egy bolygóközi lökéshullám a Földre ér, mind a CME-khez, mind a COE-ekhez, valamint a nagy sebességű napszél-áramokhoz;
- A napkitörésekből származó ionizáló elektromágneses sugárzás (IER), amely a felső légkör felmelegedését és további ionizációját okozza;
- A relativisztikus elektronok áramlásának növekedése a Föld külső sugárzási övezetében a nagy sebességű napszéláramok Földre érkezésével összefüggésben.
Kozmikus napsugárzás (SCR)
A fáklyákban keletkező energetikai részecskék - protonok, elektronok, atommagok - a bolygóközi közeggel való kölcsönhatás után eljuthatnak a Föld pályájára. Általánosan elfogadott, hogy a teljes dózishoz a legnagyobb mértékben a 20-500 MeV energiájú napprotonok járulnak hozzá. Az 1956. február 23-i erőteljes fáklyából származó, 100 MeV-ot meghaladó energiájú protonok maximális fluxusa 5000 részecske per cm -2 s -1 volt.
(További részletekért lásd a „Szoláris kozmikus sugarak” témakör anyagait).
Az SCR fő forrása– napkitörések, ritka esetekben – egy kiemelkedés (szál) bomlása.
Az SCR mint a fő sugárveszélyforrás az OKP-ban
A nap kozmikus sugarainak áramlása jelentősen megnöveli az űrhajósok, valamint a sarki útvonalakon magas tengerszint feletti magasságban közlekedő repülőgépek személyzetének és utasainak sugárzási kockázatát; műholdak elvesztéséhez és az űrobjektumokon használt berendezések meghibásodásához vezethet. A sugárzás által az élőlényekben okozott károk közismertek (további részletekért lásd a „Hogyan befolyásolja életünket az űridőjárás?” témakör anyagait), de emellett egy nagy dózisú sugárzás károsíthatja a telepített elektronikus berendezéseket is. űrrepülőgépeken (lásd . Bővebben a 4. előadásról és a külső környezet űrhajókra, elemeikre és anyagaikra gyakorolt hatásával foglalkozó témakörök anyagairól).
Minél összetettebb és modernebb a mikroáramkör, az kisebb méretek minden elemet, és annál nagyobb a meghibásodások valószínűsége, ami annak helytelen működéséhez, sőt a processzor leállításához vezethet.
Mutassunk egy világos példát arra, hogy a nagyenergiájú SCR fluxusok hogyan befolyásolják az űrhajókra telepített tudományos berendezések állapotát.
Összehasonlításképpen az ábrán az EIT (SOHO) műszerrel készült fényképek láthatók a Napról, amelyeket egy erőteljes napkitörés előtt (2003.10.28. 07:06 UT) és egy 2003.10.28. , ami után a 40-80 MeV energiájú protonok NCP fluxusa csaknem 4 nagyságrenddel nőtt. A jobb oldali ábrán látható „hó” mennyisége azt mutatja, hogy a készülék rögzítési mátrixát mennyire károsítják a fáklyás részecskék áramlása.
Az SCR fluxusok növekedésének hatása a Föld ózonrétegére
Mivel a középső légkör ózontartalmát meghatározó nitrogén- és hidrogén-oxid-források az SCR-ek nagy energiájú részecskéi (protonok és elektronok) is lehetnek, ezek hatását a fotokémiai modellezés és értelmezés során figyelembe kell venni. megfigyelési adatok szoláris protonesemények vagy erős geomágneses zavarok pillanatában.
Napi proton események
A 11 éves GCR variációk szerepe a hosszú távú űrrepülések sugárbiztonságának megítélésében
A hosszú távú űrrepülések (például a tervezett Mars-expedíció) sugárbiztonságának értékelésekor szükségessé válik figyelembe venni a galaktikus kozmikus sugarak (GCR) hozzájárulását a sugárdózishoz (további részletekért lásd 4. előadás). Ezenkívül az 1000 MeV feletti energiájú protonok esetében a GCR és az SCR fluxusok nagysága összehasonlíthatóvá válik. Ha a Napon és a helioszférában több évtizedes vagy hosszabb időintervallumon keresztül zajló különféle jelenségeket vizsgáljuk, a meghatározó tényező a napfolyamat 11 és 22 éves ciklikussága. Amint az ábrán látható, a GCR intenzitása az antifázisban változik a Wolf-számmal. Ez nagyon fontos, mivel SA minimumon a bolygóközi közeg gyengén zavart és a GCR fluxusok maximálisak. Magas ionizációs fokú és mindent átható, minimális SA időszakokban a GCR-ek meghatározzák az emberre nehezedő dózisterhelést az űrrepülések és a légi repülések során. A napmodulációs folyamatok azonban meglehetősen összetettnek bizonyulnak, és nem redukálhatók csak a Wolf-számmal való antikorrelációra.
.
Az ábra a CR intenzitás modulációját mutatja a 11 éves napciklusban.
A nagy energiájú napelektronok térfogationizációt okozhatnak az űrjárművekben, és „gyilkos elektronokként” is működhetnek az űrjárművekre telepített mikroáramkörökben. Az SCR fluxusok miatt a sarki régiókban megszakad a rövidhullámú kommunikáció, és meghibásodások lépnek fel a navigációs rendszerekben.
Magnetoszférikus viharok és viharok
A naptevékenység egyéb fontos következményei, amelyek befolyásolják az állapotot földközeli tér, vannak mágneses viharok– a geomágneses tér vízszintes komponensének erős (tíz és száz nT) változása a Föld felszínén alacsony szélességeken. Magnetoszférikus vihar a Föld magnetoszférájában mágneses vihar során lezajló folyamatok összessége, amikor a magnetoszféra határának nappal erős összenyomódása, a magnetoszféra szerkezetének egyéb jelentős deformációi, valamint az energetikai részecskék gyűrűárama képződik a mágneses viharban. a belső magnetoszféra.
Az „alvihar” kifejezést 1961-ben vezették be. S-I. Akasofu az auroral zóna körülbelül egy óráig tartó zavarainak kijelölésére. A mágneses adatokban öböl alakú zavarokat már korábban is azonosítottak, amelyek időben egybeestek az aurorákban egy alviharral. Magnetoszférikus vihar a magnetoszférában és ionoszférában zajló folyamatok összessége, amely a legáltalánosabb esetben a magnetoszférában zajló energiafelhalmozódás és annak robbanásszerű felszabadulása folyamatainak sorozataként jellemezhető. Mágneses viharok forrása− a nagy sebességű napplazma (napszél), valamint a COW és a kapcsolódó lökéshullám érkezése a Földre. A nagy sebességű szoláris plazmaáramlás viszont szórványos, napkitörésekkel és CME-vel kapcsolatos, valamint kvázi-stacionárius, a koronalyukak felett keletkező mágneses viharokra, forrásuk szerint, szórványosra és visszatérőre oszlik. (További részletekért lásd a 2. előadást).
Geomágneses indexek – Dst, AL, AU, AE
A geomágneses zavarokat tükröző numerikus jellemzők különböző geomágneses mutatók - Dst, Kp, Ap, AA és mások.
A Föld mágneses mezejének változásainak amplitúdóját gyakran használják a mágneses viharok erejének legáltalánosabb jellemzőjeként. Geomágneses index Dst információkat tartalmaz a geomágneses viharok során fellépő bolygózavarokról.
A háromórás index nem alkalmas a viharfolyamatok tanulmányozására, ezalatt a vihar kezdődhet és végződhet. A mágneses tér fluktuációinak részletes felépítése az aurális zónaáramok hatására ( auroral elektromos sugárhajtású) jellemzi auroral elektromos sugár index AE. Az AE index kiszámításához használjuk H-komponensek magnetogramjai megfigyelőállomások, amelyek az aurális vagy szubauroralis szélességi fokon helyezkednek el, és a hosszúságban egyenletesen oszlanak el. Jelenleg az AE-indexeket az északi féltekén, a 60 és 70° geomágneses szélesség között különböző hosszúságokon elhelyezkedő 12 obszervatórium adataiból számítják ki. A szubvihar aktivitásának numerikus leírására az AL (a mágneses tér legnagyobb negatív változása), az AU (a mágneses tér legnagyobb pozitív változása) és az AE (az AL és az AU közötti különbség) geomágneses indexeket is használják.
Dst index 2005 májusára
Kr, Ar, AA indexek
A Kp geomágneses aktivitási indexet háromóránként számítják ki a Föld különböző pontjain található több állomáson végzett mágneses térmérésekből. 0-tól 9-ig terjedő szintjei vannak, a skála minden következő szintje az előzőnél 1,6-2-szer nagyobb eltéréseknek felel meg. Az erős mágneses viharok 4-nél nagyobb Kp-szinteknek felelnek meg. A Kp = 9-es úgynevezett szuperviharok meglehetősen ritkán fordulnak elő. A Kp mellett az Ap indexet is használják, amely megegyezik a geomágneses tér változásainak átlagos amplitúdójával a Földön naponta. Nanoteszlákban mérik (a Föld mezője kb
50 000 nT). A Kp = 4 szint megközelítőleg a 30-nak megfelelő Ap-nak, a Kp = 9 szint pedig a 400-nál nagyobb Ap-nak felel meg. Az ilyen indexek várható értékei alkotják a geomágneses előrejelzés fő tartalmát. Az AR indexet 1932-ben kezdték el számolni, tehát többet korai időszakok Az AA indexet használják - a variációk átlagos napi amplitúdóját, amelyet két antipodális obszervatóriumból (Greenwich és Melbourne) számítanak ki 1867 óta.
Az SCR-ek és a viharok összetett hatása az űridőjárásra az SCR-ek behatolása miatt a Föld magnetoszférájába mágneses viharok során
Az SCR fluxusok által az űrhajók, például az ISS pályájának nagy szélességi szegmensei számára jelentett sugárzási veszély szempontjából nemcsak az SCR-események intenzitását kell figyelembe venni, hanem a Föld magnetoszférájába való behatolásuk határait(További részletekért lásd a 4. előadást.) Sőt, amint az a fenti ábrán látható, az SCR-ek meglehetősen mélyen behatolnak még kis amplitúdójú (-100 nT vagy kisebb) mágneses viharok esetén is.
A sugárzás veszélyének értékelése az ISS pályája magas szélességi körzeteiben az alacsony pályán lévő sarki műholdak adatai alapján
Összehasonlították az ISS röppályájának magas szélességi körzeteiben a sugárzási dózisok becsléseit, amelyeket az Universitetsky-Tatyana műhold adatai alapján a Föld magnetoszférájába való behatolás spektrumára és határértékeire vonatkozó adatok alapján kaptak a 2005. szeptemberi napkitörések és mágneses viharok során. nagy szélességi körökben az ISS-en kísérletileg mért dózisokkal. A megadott ábrákból jól látható, hogy a számított és a kísérleti értékek konzisztensek, ami arra utal, hogy alacsony magasságú poláris műholdak adatai alapján lehet megbecsülni a sugárzási dózisokat különböző pályákon.
A dózisok térképe az ISS-en (IBS), valamint a számított és kísérleti dózisok összehasonlítása.
Mágneses viharok, mint rádiókommunikációs zavarok okai
A mágneses viharok erős zavarokhoz vezetnek az ionoszférában, ami viszont negatívan befolyásolja az állapotot rádióadás. A szubpoláris régiókban és az aurális ovális zónákban az ionoszféra a magnetoszféra legdinamikusabb régióihoz kapcsolódik, ezért a legérzékenyebb az ilyen hatásokra. A nagy szélességi körökben a mágneses viharok szinte teljesen blokkolhatják a rádióadásokat több napra. Ugyanakkor más tevékenységi területek, például a légi közlekedés is szenved. A geomágneses viharokhoz kapcsolódó másik negatív hatás a műholdak tájékozódási elvesztése, amelyek navigációja a geomágneses tér mentén történik, amely vihar során erős zavarokat tapasztal. Természetesen a geomágneses zavarok során problémák merülnek fel a radarral.
A mágneses viharok hatása a távíró- és villanyvezetékek, csővezetékek, vasutak működésére
A mágneses viharok során fellépő geomágneses tér változásai a sarki és az aurális szélességi körökben (az elektromágneses indukció jól ismert törvénye szerint) másodlagos hatást generálnak. elektromos áramok a Föld litoszférájának vezető rétegeiben, sós vízben és mesterséges vezetőkben. Az indukált potenciálkülönbség kicsi és megközelítőleg néhány voltot tesz ki kilométerenként, de hosszú, alacsony ellenállású vezetékekben - kommunikációs és távvezetékek (távvezetékek), csővezetékek, vasúti sínek− az indukált áramok összerőssége elérheti a tíz és száz ampert.
Az ilyen hatásoktól a legkevésbé védettek a kisfeszültségű felsővezetékek. Így a 19. század első felében már a legelső Európában épített távíróvonalakon is megfigyelhető volt a mágneses viharok során fellépő jelentős interferencia. A geomágneses aktivitás jelentős problémákat okozhat a vasúti automatizálásban is, különösen a sarkvidékeken. A sok ezer kilométeren át húzódó olaj- és gázvezetékekben pedig az indukált áramok jelentősen felgyorsíthatják a fémkorrózió folyamatát, amit a csővezetékek tervezésénél és üzemeltetésénél is figyelembe kell venni.
Példák a mágneses viharok elektromos vezetékek működésére gyakorolt hatására
Egy súlyos baleset, amely az 1989-es heves mágneses vihar során történt Kanada elektromos hálózatában, egyértelműen megmutatta a mágneses viharok veszélyét a távvezetékekre. A vizsgálatok kimutatták, hogy transzformátorok okozták a balesetet. Az a tény, hogy az állandó áramú komponens a transzformátort nem optimális üzemmódba vezeti a mag túlzott mágneses telítettségével. Ez túlzott energiaelnyeléshez, a tekercsek túlmelegedéséhez és végső soron az egész rendszer meghibásodásához vezet. A későbbi elemzés a teljesítményét minden erőművekÉszak-Amerika statisztikai összefüggést mutatott ki a zónákban előforduló meghibásodások száma között fokozott kockázatés a geomágneses aktivitás szintje.
A mágneses viharok hatása az emberi egészségre
Jelenleg vannak olyan orvosi vizsgálatok eredményei, amelyek bizonyítják a geomágneses zavarokra adott emberi reakció létezését. Ezek a tanulmányok azt mutatják, hogy az embereknek meglehetősen nagy kategóriája van, akikre a mágneses viharok negatív hatással vannak: az emberi tevékenység gátolt, a figyelem eltompul, és a krónikus betegségek súlyosbodnak. Megjegyzendő, hogy a geomágneses zavarok emberi egészségre gyakorolt hatását vizsgáló tanulmányok még csak most kezdődnek, és eredményeik meglehetősen ellentmondásosak és ellentmondásosak (további részletekért lásd a „Hogyan befolyásolja életünket az űridőjárás?” témakör anyagait).
Abban azonban a legtöbb kutató egyetért, hogy ebben az esetben az emberek három kategóriáját különböztetjük meg: egyeseknél a geomágneses zavarok nyomasztó hatásúak, másoknak éppen ellenkezőleg, izgató hatásúak, másoknál pedig semmilyen reakciót nem figyelnek meg.
Az ionoszférikus szubviharok mint űridőjárási tényező
Az alviharok erős források elektronok a külső magnetoszférában. Az alacsony energiájú elektronok fluxusa nagymértékben megnő, ami jelentős növekedéshez vezet űrhajók villamosítása(további részletekért lásd az "Űrhajók villamosítása" témakör anyagait). Erős szubvihartevékenység során a Föld külső sugárzónájában (ERB) több nagyságrenddel megnövekszik az elektronfluxusok, ami komoly veszélyt jelent azokra a műholdakra, amelyek pályája ezt a tartományt keresztezi, hiszen az űreszköz belsejében kellően nagy mennyiségű elektron halmozódik fel. térfogati töltés, ami a fedélzeti elektronika meghibásodásához vezet. Példaként említhetjük az Equator-S, Polag és Calaxy-4 műholdakon az elektronikus műszerek működésével kapcsolatos problémákat, amelyek az elhúzódó szubvihartevékenység és ennek következtében a relativisztikus elektronok nagyon nagy fluxusa miatt merültek fel a Földön. a külső magnetoszféra 1998 májusában.
Az alviharok a geomágneses viharok szerves kísérői, azonban a vihar tevékenységének intenzitása és időtartama kétértelmű összefüggésben van a mágneses vihar erejével. A „vihar-alvihar” kapcsolat egyik fontos megnyilvánulása a geomágneses vihar erejének közvetlen hatása arra a minimális geomágneses szélességre, amelyen a vihar kialakul. Erős geomágneses viharok során az alviharok tevékenysége leszállhat a magas geomágneses szélességekről, elérve a középső szélességi fokokat. Ebben az esetben a középső szélességi körökön a rádiókommunikáció megszakad, ami az ionoszférára kifejtett zavaró hatást okozza a vihar alatt keletkező energikusan töltött részecskéknek.
A nap- és a geomágneses aktivitás kapcsolata - aktuális trendek
Néhányban kortárs alkotások Az űridőjárás és az űrklíma problémájának szentelve a nap- és a geomágneses tevékenység szétválasztásának szükségességét fejezi ki. Az ábra a hagyományosan az SA mutatójának tekintett havi átlagos napfoltértékek (piros) és a geomágneses aktivitás szintjét mutató AA index (kék) közötti különbséget mutatja. Az ábráról látható, hogy nem minden SA ciklusnál figyelhető meg az egybeesés.
Az a tény, hogy az SA maximumok nagy részét szórványos viharok teszik ki, amelyekért a fáklyák és a CME-k a felelősek, vagyis a Nap zárt térvonalú régióiban előforduló jelenségek. Az SA minimumokon azonban a legtöbb vihar ismétlődő, amit a koronális lyukakból – nyílt mezővonalakkal rendelkező régiókból – áramló nagy sebességű napszél a Földre érkezése okoz. Így a geomágneses aktivitás forrásai, legalábbis az SA minimumok esetében, lényegesen eltérő jellegűek.
A napkitörésekből származó ionizáló elektromágneses sugárzás
Az űridőjárás másik fontos tényezőjeként külön meg kell említeni a napkitörésekből származó ionizáló elektromágneses sugárzást (IER). Csendes időkben az EI szinte teljesen elnyelődik nagy magasságban, ami a levegő atomjainak ionizációját okozza. A napkitörések során a Napból érkező EI fluxusok több nagyságrenddel megnövekednek, ami bemelegítésÉs a felső légkör további ionizációja.
Ennek eredményeként fűtés elektromos energia hatására, a légkör „felfújt”, azaz. sűrűsége rögzített magasságban erősen megnő. Ez komoly veszélyt jelent a kis magasságú műholdakra és az emberes űrrepülőgépekre, hiszen a légkör sűrű rétegeibe kerülve az űreszköz gyorsan magasságot veszíthet. Ez a sors jutott a Skylab amerikai űrállomásra 1972-ben egy erőteljes napkitörés során – az állomásnak nem volt elég üzemanyaga ahhoz, hogy visszatérjen korábbi pályájára.
Rövidhullámú rádióhullámok elnyelése
Rövidhullámú rádióhullámok elnyelése annak az eredménye, hogy az ionizáló elektromágneses sugárzás érkezése - a napkitörésekből származó UV- és röntgensugárzás további ionizációt okoz a felső légkörben (további részletekért lásd a „Tranziens fényjelenségek a légkör felső légkörében” témában. a Föld”). Ez a rádiókommunikáció romlásához vagy akár teljes megszűnéséhez vezet a Föld megvilágított oldalán több órára.)