Орбита МКС - индикатор состояния атмосферы
Опубликовано ВИ0540 в пн, 24/11/2014 - 08:40
Из анализа данных сайта НАСА с двустрочными элементами орбиты МКС (TLE) мы получаем величину уменьшения орбитального периода от торможения в атмосфере. Интересно сопоставить её с влиянием конкретных вспышек на Солнце и выбросов при этом его вещества.
Вот выборка из сообщений о них на сайте ЛКИ.
Январь 2014 г.
.PNG)
По графику видно, что даты увеличения сопротивления атмосферы в основном совпадают с ожидаемыми. Однако небольшой рост торможения 4-5 января прошёл "солнечниками" незамеченным.
Сентябрь 2014 г.
В этом месяце последствия вспышек 9 и 11 сентября ожидались 12-13 числа в виде полярных сияний. Хотя плотность атмосферы начала постепенно увеличиваться ещё с 6-го, её резкий подъём с 12-го на 13-е (голубая линия) можно бы отнести к последствиям вспышки. Но после успешной отстыковки и посадки космонавтов на "Союзе ТМА-12М" 11 и 12 сентября последовали хаотичные манипуляции с ускорениями явно активного характера. (Я подозреваю, что это была неудачная попытка подъёма высоты орбиты МКС.) И думать, что рост торможения после этого происходил только из-за вспышки, - уже сомнительно. Да и не было ожидаемых полярных сияний.
14-15-го происходил нигде не объявленный (я не нашёл) подъём орбиты (кратковременный) и последующее её формирование несколькими торможениями (Это моя попытка понять, почему при всех замерах, а они не всегда частые, - здесь отмечено только отрицательное ускорение). После подъёма МКС её двигатели оставались явно пассивными. Но средняя высота 16...21 числа снижалась быстрее, чем 22...24-го - пропорционально скорости уменьшения периода станции или величине "отрицательного ускорения". Т.е. плотность атмосферы заметно менялась в течение всего месяца и в дни спокойного Солнца. Конечно, по двум месяцам нельзя делать обобщений. Но и последствия "выброса очередной вспышки наивысшего класса 26 октября 2014 г, направленного в сторону нашей планеты", как и "мощной вспышка на Солнце 7 ноября 2014 года", не выделялись на фоне обычных колебаний величины торможения движения МКС на представленных графиках. А причины их, видимо, более интегрированные, чем последствия короткой вспышки на Солнце.
Колебания такого параметра, как величина уменьшения периода обращения станции, хорошо выявляются по данным TLE. Однако, т.к. не всегда удаётся узнать точные моменты активной работы двигателей МКС, по этим данным трудно определить, когда причиной торможения и его колебаний является только плотность атмосферы.
- Войдите на сайт для отправки комментариев
- 6484 просмотра
Да, фактов проанализировано слишком мало, но закономерность прослеживается. Добавлю свои замечания:
19 по 27 октября 2014 года произошло пять вспышек Х-класса, самых сильных по интенсивности, но не было выбросов коронарной массы (!), характерных для всплесков столь высокой мощности. Поэтому это укладывается в Вашу предложенную схему.
Уважаемый Всеволод Иванович, надеюсь, Вам будет приятно узнать. В данный момент на большом экране в аудитории СГАУ имени С. П. Королёва демонстрируется Ваш материал "Орбита МКС - индикатор состояния атмосферы", и Виктор Михайлович рассказывает магистрантам аэрокосмического университета о Вас и проделанной Вами работе. В доказательсто сделана фотография, она будет выставлена на сайте после возвращения в Ульяновск. Исследования сотрудников Лаборатории космических исследований Виктор Михайлович достаточно часто показывает на своих занятиях.
Руководитель Лаборатории космических исследований проводит в Самарском аэрокосмическом университете занятие "Вариации плотности атсмосферы на орбите спутника". Это одна из лабораторных работ Космофизического практикума.
В этой исследовательской работе как раз показывается, как изменяются с течением времени орбиты спутников. Когда впервые были проделаны расчёты, даже специалисты удивились сначала, что это связано с изменением плотности атмосферы, которая в свою очередь зависит от активности Солнца.
25 ноября 2014 года. Самарский государственный аэрокосмический университет имени С.П. Королёва, 1 корпус, Межвузовская кафедра космических исследований. С магистрантами СГАУ проводит занятие профессор УлГУ Виктор Михайлович Журавлев.
На экране для магистрантов демонстрируется научно-исследовательская работа Всеволода Ивановича Шуплецова Орбита МКС - индикатор состояния атмосферы.
Приношу извинения за некачественный снимок, он истинный.
Конечно мне приятно, что моя заметка послужила иллюстрацией Виктору Михайловичу на его занятиях в СГАУ. Жаль только, что в ней рассмотрено лишь несколько случаев возможного влияния вспышек на Солнце, выбросы которых могут доходить до Земли, на движение Международой космической станции в атмосфере. Но на графиках по данным TLE хорошо видно "дыхание" атмосферы, где есть длительные периоды или с малым торможением МКС (например, в июле-августе этого года), или, наоборот,- с повышенным и часто меняющимся (как во второй половине ноября).
.PNG)
Я представляю, что причина этих колебаний - не только выбросы энергии Солнца, но и вероятностные сочетания сезонных климатических явлений: зон нагрева, облачности, зарождения циклонов и антициклонов, океанских течений, ветров и т.д. (Но источником энергии всех этих процессов, как и вообще жизни, является, конечно, Солнце.)
Не удержусь ещё раз показать график параметров торможения МКС в июле-августе этого года с одним необъяснимым феноменом.
На основном графике цифры на серой полосе - усреднённая (на интервале между зелёными кружками шкалы времени) величина суточного уменьшения периода станции, например: (Период) - 0.0012 мин/сут. Зелёная кривая построена (в произвольном масштабе) по объективным измерениям элементов орбиты МКС (в моменты, отмеченние пунктирными линиями) из "двустрочных" данных элементов (TLE). Параметр называется "Первая производная от среднего движения (ускорение)"
Итак, после повышения орбиты 11-12 июля двигатели станции "замолкли". В последующие дни чёрная кривая средней высоты МКС продолжала снижаться. Но цифры сокращения периода (P`= -...12, 09, 05 ) и зелёная кривая измерений ускорения, очевидно, отражают уменьшение плотности самой атмосферы. Прекрасно! Потери высоты станции сокращаются. Но 20 - 22 июля на неё стала действовать уже какая-то "подъёмная сила" и, несмотря на наличие небольшого остаточного торможения, высота орбиты МКС стала расти ! Это показано и на укрупнении этого отрезка в красном овале (учитывающем более далёкие от запятой цифры значения периода) и на вырезке из сайта НАСА (график слева). Наличие аэродинамической подъёмной силы, как у планера, трудно заподозрить у такой растопыренной конструкции, как наша станция. Очевидно её противоположное качество - большая парусность, которая, скорее, увеличивает торможение, чем создаёт такое ускорение. За 3 года моих записей зто отмечается впервые.
Жаль, что я не мог слышать лекции Виктора Михайловича в СГАУ. Интересно, рассматривались в ней вариации орбит, подобные приведённому феномену спутника с названием "МКС" ?
Но 23 июля баллистики прекратили "это безобразие", заставив МКС поднырнуть (редчайший, если не единственный, случай!) под обломок космического мусора. И далее, после успокоения орбиты, график иллюстрирует большой отрезок времени спокойной атмосферы, не потревоженной резкими колебаниями её плотности. Кстати, это, скорее, - типичное её состояние. (Было бы интересно сравнить этот график за 2-3 года с активностью Солнца.)
Пример более высокой плотности атмосферы и её колебаний мы видим в ноябре 2014 г.
Наиболее наглядно её характеризуют цифры под чёрным графиком средней высоты орбиты. Они означают, на сколько метров снижается станция за сутки. И если в июле-августе эта величина не превышала 60 м, то в ноябре она достигала 150 - 180 м/сут. Помню давнишнее сообщение радио, что после проявления активности Солнца, орбита станции Мир стала терять высоту по 160 метров в сут. В последние годы торможения такого порядка продолжительностью около суток МКС испытывает по 3-4 раза в год. К сожалению, на моих графиках трудно различить участки с естественными или техногенными причинами ускорений станции. В апреле 2014 года были 2 двухдневных случая торможения в среднем по -304 и -265 м/сут, достаточно удалённые от дней с манёврами станции по высоте. И вот - похожая ситуация в ноябре: 18-го (-163 м/сут) и 22-го (-178 м/сут), - между 2-мя подъёмами высоты. (Сообщений в СМИ об этих корректировках мне не встречались.)
Ну, и последний парадокс орбиты МКС. Назову его условно "парадокс эксцентриситета".
На левом рисунке даны графики высоты и эксцентриситета орбиты МКС в ноябре 2014 г, построенные по данным TLE. А на правом - как описывают в книжках эволюцию орбиты спутника при торможении в атмосфере. Добавлю, что с 2010 по 2013 годы орбита МКС была в основном правильной: между подъёмами высоты станция двигалась с уменьшением эксцентриситета. И лишь в одном каком-либо месяце в году он слабо возрастал. "Переломным" стал 2014-й. До августа слабый рост эксцентриситета был уже в 3-х случаях. В августе - октябре орбиту поднимали 5 раз. Высота потом снижалась, но эксцентриситет не менялся! И вот после подъёма 28 октября он снова круто нарушает правила. Что же происходит в нашей атмосфере, заставляющее двигаться МКС "неправильно"?
Я уверен, что те, кому надо, понимают это и знают, где истина. Вот я и прошу профессионалов помочь докопаться до истины и дилетантам, и любителям. Или указать на их заблуждения или ошибки.
Уважаемый Всеволод Иванович!
Ваши наблюдения действительно интересны. В нашем практикуме мы не используем МКС для вычисления эволюции плотности атмосферы на высоте орбиты спутника. Для надёжной оценки усреднённой плотности необходимо, чтобы достаточно длительное время космический аппарат не изменял своей орбиты за счет двигательной установки. Поэтому мы берем в основном метеорологические спутники на высотах не более 1000 км с почти круговыми орбитами. Выше плотность атмосферы уже настолько мала, что не оказывает существенного влияния на движение спутников. Впрочем, в диапазоне высот от 1000 км и до высоты спутников систем навигации типа GPS и ГЛОНАСС очень мало спутников. Но на высотах порядка 1000 км влияние атмосферы еще заметно, но как изменение высоты, усредненное за десятки оборотов спутника. На более низких орбитах спутники чувствуют даже отдельные вспышки на Солнце, которые разгоняют солнечный ветер в течение нескольких суток.
Теперь то, как влияет Солнце на плотность атмосферы. Из оценок, которые делаются в практикуме студентами, выявляются два эффекта. Это изменение плотности в 12-летнем солнечном цикле и вытянутость атмосферы в сторону Солнца. С 12-летним циклом все более или менее понятно. А то, что атмосфера не сферична и выше со стороны, которую греет Солнце, мы как-то не сразу разобрались. Это обнаруживается, как изменение скорости снижения высоты орбиты с периодом от 4 до 6 месяцев. Этот период обусловлен периодом вращения плоскости орбиты спутника за счет сплюснутости Земли. Это 1-3 градуса в сутки.
Впервые мы такое поведение увидели как раз на спутнике Татьяна-1, под который практикум и создавался. У него высота порядка 900 км. Однако очень странным было то, что на некоторых отрезках времени высота спутника немного увеличивалась, хотя за счет трения должна была бы только падать. Объяснение этому эффекту можно найти, по всей видимости, в том, что на спутник оказывают влияние и Луна, и Солнце. На больших высотах, выше 350-400 км, трение в атмосфере очень мало и сравнимо с силами, действующими со стороны Луны и Солнца. Действие последних зависит от взаимного расположения плоскости орбиты спутника, Солнца и Луны. Поэтому при определенных условиях орбита может слегка подниматься, как я понимаю, за счет влияния Луны и Солнца, особенно, если они действуют в одну сторону. Примерно так я себе это представляю. По всей видимости, этот же эффект и Вы наблюдаете на МКС. Надо просто понять то, как располагались Луна и Солнце на тех отрезках времени, когда высота МКС слегка увеличивалась.