АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 5, с. 453-457
УДК 523.94; 523.98; 550.388.02
ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ОРБИТЫ ИСЗ КОРОНАС-Ф НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ СВОЕГО ПОЛЕТА
© 2007 г. С. И. Болдырев, Г. С. Иванов-Холодный, О. П. Коломийцев, А. И. Осин
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,
Троицк, Московская область Поступила в редакцию 10.02.2007 г.
В настоящей работе приведены результаты анализа изменений орбиты ИСЗ КОРОНАС-Ф (31.08.2001 г.-06.12.2005 г.) в режиме "низкоорбитального" полета. Показано, что на продолжительность полета ИСЗ КОРОНАС-Ф в режиме "низкоорбитального" полета существенным образом повлияли экстремальные солнечные события и сопутствующие им явления в околоземном космическом пространстве и в верхней атмосфере Земли в период 2004-2005 гг. (фаза спада 23-го цикла солнечной активности).
РАС8: 96.60.Q-
ВВЕДЕНИЕ
В результате естественной эволюции орбиты каждый ИСЗ в отсутствие двигательной установки рано или поздно проходит стадию "низкоорбитального" полета. Эта стадия предопределяет режим схождения ИСЗ с орбиты. Высоты, на которых проходил "низкоорбитальный" полет ИСЗ КОРОНАС-Ф, составляли ~300-350 км.
Прогноз режима "низкоорбитального" полета ИСЗ и схода его с орбиты является одним из параметров контроля состояния космического "мусора" в околоземном космическом пространстве (ОКП), так называемого экологического мониторинга ОКП. Этот же прогноз необходим и для контроля эволюции орбиты Международной космической станции (МКС), высота круговой орбиты которой составляет -350 км, и других находящихся на околоземной орбите (или осуществляющих мягкую посадку) космических аппаратов с целью принятия превентивных мер по коррекции их орбит или уточнения места их посадки (или падения).
"Низкоорбитальный" полет ИСЗ определяется, кроме конструктивных характеристик и массы ИСЗ, состоянием верхней атмосферы Земли, в свою очередь зависящим от уровня солнечной активности.
Высоты уровня "критической" плотности верхней атмосферы с точки зрения активного торможения ИСЗ уменьшаются на 100-150 км при переходе от максимума к минимуму солнечной активности. Активное торможение ИСЗ с последующим сходом с орбиты приходится на высоты -400-450 км в максимуме и -300-350 км в минимуме солнечной активности (Болдырев и др., 2005; 2006.)
Воздействие солнечной активности на верхнюю атмосферу Земли характеризуется двумя составляющими, а именно: фоновой интегральной составляющей, определяемой цикличностью солнечной активности, в частности 11 летним циклом, и спорадической составляющей, определяемой мощными нестационарными геоэффективными событиями в солнечной атмосфере. Верхняя атмосфера Земли ионизируется и нагревается солнечным излучением как электромагнитным, так и корпускулярным. Соответствующие пространственно-временные вариации плотности атмосферы Земли, как и вариации геомагнитной активности, в значительной степени обусловлены геоэффективной солнечной активностью. И являются одним из основных внешних факторов, определяющих орбитальные характеристики ИСЗ на завершающей стадии полета.
В работе (Болдырев и др., 2005) были проведены оценки времени существования ИСЗ КОРОНАС-Ф для периода с апреля 2004 г. по вариациям плотности атмосферы на высотах перигея орбиты ИСЗ и по скорости изменения орбитального периода. Получено, что оба метода при "низкой" солнечной активности и спокойном геомагнитном поле дали близкие друг другу значения - с августа 2004 г. ИСЗ КОРОНАС-Ф должен существовать на орбите еще два года. Последующие события солнечной и геомагнитной активности показали, что используемые в расчетах гелиогеофизические параметры не соответствовали наблюдаемой солнечной активности, хотя предположение "низкой" солнечной активности в этот период было оправдано предшествующими наблюдательными данными. Настоящая работа посвящена анализу событий на Солнце и в геомагнитном поле с августа 2004 г. по декабрь 2005 г.
Высота, км 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100
2001/01 2002/01 2003/01 2004/01 2005/01 2006/01 2001/07 2002/07 2003/07 2004/07 2005/07
Дата
Рис. 1. Динамика орбиты ИСЗ КОРОНАС-Ф по данным Годдардского центра NASA за период 2001-2005 гг. Верхняя кривая - снижение апогея орбиты ИСЗ, нижняя кривая - снижение перигея орбиты ИСЗ.
Скорость снижения, км/сут 1
оооооооооооооо оооооооооооооо
<N(N<N(N<N(N<N(N<N(N<N(N<N(N
оо о ■
н <N ОО н ОО О
н <N »O ОО н ОО О
н <N »O ОО нООО
^тп^тп О О ОО О О ОО <N (N <N <N I<N in ОО ^н
^О О О-н
cncncnmcnmcnmcnmmmcnmcnmmm
День, месяц, год
Рис. 2. Вариации скорости снижения высоты перигея ИСЗ КОРОНАС-Ф по 5-дневным интервалам орбитальных данных Годдардского центра NASA за период ноябрь 2001 г.-декабрь 2005 г.
hp, км
450 400 350 300 250 200
50 100150200250 300 350 Аргумент перигея, град
Рис. 3. Вариации высоты и аргумента перигея ИСЗ КОРОНАС-Ф: треугольниками отмечены последовательно годы 2002, 2003, 2004, 2005.
hp, км
500 450 400 350 300 250 200 150
50 100 150200250300 350 Аргумент перигея, град
Рис. 4. То же, что и на рис. 3, ИСЗ КОРОНАС-И: овалами отмечены последовательно 1994-2001 гг.
На рис. 1 и рис. 2 приведены данные по снижению траектории и вариации скорости снижения высоты перигея ИСЗ КОРОНАС-Ф. Необходимо отметить, что существенное торможение ИСЗ стал испытывать по достижении слоя верхней атмосферы с плотностью ~10-14 г/см3, как и было определено в работе (Болдырев и др., 2005). Также и на графике вариаций скорости снижения ИСЗ КОРОНАС-Ф хорошо выделен момент достижения ИСЗ слоя с "критической" плотностью (13.08.2005 г.)
На рис. 3 и рис. 4 показаны изменения высоты и аргумента перигея ИСЗ КОРОНАС-Ф и ИСЗ КОРОНАС-И на заключительной стадии полета. В первых числах декабря 2005 г. ИСЗ КОРОНАС-Ф вошел в плотные слои атмосферы и прекратил свое существование. Обращает на себя внимание инверсия аргумента перигея ИСЗ КОРОНАС-Ф,
начиная с высоты ~250 км. Обсуждение этой проблемы находится вне рамок данной статьи.
Для построения орбитальных характеристик ИСЗ КОРОНАС-Ф (и ИСЗ КОРОНАС-И) использовались данные Годдардского центра NASA с вебсайта группы орбитальной информации (Orbital Information Group - OIG) (http://www.space-track.org).
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ В 2004-2005 гг.
При осуществлении прогноза состояния верхней атмосферы Земли для периода "низкоорбитального" полета ИСЗ КОРОНАС-Ф авторы использовали характеристики предыдущего нечетного (21-го) цикла солнечной активности. Вспышки, произошедшие на Солнце в течение аналогичного рассматриваемому срока относительно минимума активности, были немногочисленны и невысоких баллов. Естественно, что количество и мощность
геомагнитных бурь, индикаторов возмущения верхней атмосферы Земли, также были невелики. Больших солнечных вспышек за 1984-1985 гг. произошло 18, экстремальных - 1. За 2004-2005 гг. произошли 62 большие вспышки и два экстремальных события (в январе 2005 г. - вспышка X7.5, характеризовавшаяся самым большим потоком протонов с энергией >100 МэВ в данном цикле, и в сентябре 2005 г. - экстремальная вспышка X17.1).
По своим основным характеристикам текущий (23-й) цикл солнечной активности относится к циклам средней величины (Ишков, 2005). Самые мощные вспышечные события 23-го солнечного цикла произошли в 2003 г. (Ишков, 2006). Поэтому временной интервал с апреля 2004 г. по май 2006 г. представлялся авторам периодом с достаточно "спокойным" Солнцем. Слой "спокойной" верхней атмосферы с "критической" для торможения ИСЗ КОРОНАС-Ф плотностью в начале этого периода находился на высотах -300 км (Болдырев и др., 2005). Однако Солнце преподнесло сюрприз, дав в 2004 и 2005 гг. период аномальной активности, а в первой половине сентября 2005 г. - экстремально мощную рентгеновскую вспышку (Х17.1/3В). Первое число характеризует рентгеновский балл вспышки, а второе - мощность вспышки в оптическом диапазоне.
Рассматриваемый период 23-го цикла солнечной активности оказался аномально активным и совершенно непохожим на аналогичный период предшествующего 21-го цикла солнечной активности. Солнечные события были богаты на солнечные вспышки (более 200 вспышек) достаточно высоких рентгеновских баллов, сопровождавшиеся выбросами корональной плазмы, которые вызвали в ОКП мощные геомагнитные (значимые) возмущения. Это события августа и ноября 2004 г., января, мая, августа и сентября 2005 г.
Для анализа использовались данные о гелио-геофизической обстановке, опубликованные на веб-сайтах мировых центров данных:
http://www.sec.noaa.gov/today.html - Центр космической погоды (SEC), Боулдер, США;
http://swdcdb.kugi.kyoto-u.ac.jp - Мировой центр данных (WDC), Киото, Япония.
Последняя группа экстремально мощных солнечных событий произошла в период 7-16 сентября 2005 г. и была инициирована активностью группы солнечных пятен AR 10808 (Sp max ~ 1430 м.д.п.), одной из самых вспышечно-активных областей не только в текущем цикле солнечной активности, но и за всю историю солнечных наблюдений. Выход на видимую полусферу Солнца данной группы пятен ознаменовался осуществлением в ней четвертой по величине рентгеновского балла вспышкой
Состояние геомагнитного поля в 2005 г. по изменениям Ц,(-вариаций и индекса планетарной геомагнитной активности Ар
Дата Dst , нТл Ар, нТл
18.01.05 121 70
21.01.05 105 60
08.05.05 127 64
15.05.05 263 105
30.05.05 138 67
12.06.05 106 35
23.06.05 97 48
12.07.05 90 48
24.08.05 216 110
11.11.05 147 105
(Х17.1/3В) за текущий солнечный цикл. В этой группе за рассматриваемый период произошло 117 вспышек: Х/11, М/26 и С/80 рентгеновских вспышек (в знаменателе указано количество вспышек). Все эти вспышки сопровождались выбросами корональной плазмы.
ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ И ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА
Состояние геомагнитного поля в период с августа 2004 г. по декабрь 2005 г. было крайне возмущенным. На рис. 5 приведены характерные ^-вариации. Сентябрьские вариации являются типичными для "квазиспокойных" условий. Отклонения составляли <-40 нТл. В ноябре 2004 г., мае и августе 2005 г. наблюдались пять бурь с внезапным началом разной интенсивности от -200 до -370 нТл. Общим дл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.