Космические исследования, 2020, T. 58, № 2, стр. 111-116

ВВЕДЕНИЕ

Орбитальная геофизическая обсерватория (OGO4), запущенная NASA в 1967 г., обнаружила аномальное свечение в верхней атмосфере в линии Лайман-альфа 121.6 нм, которое было связано с запуском ракеты-носителя Atlas [1]. Всего в данных этой космической обсерватории было обнаружено два десятка сигнала на высотах более 100 км от взлетающих советских и американских ракет (регистрация происходила после старта в интервале от 6 мин до 10 ч, когда облако водорода еще не рассеялось) [1]. Кроме следов стартующих ракет, исследователи нашли признаки сброса горючего в космическом пространстве – в течение первых трех витков беспилотного корабля Аполлон-6, который был запущен 4.IV.1968 и испытывал проблемы с работой двигателей и с утечкой топлива [1].

Взлетающие шаттлы выбрасывают 300–350 т водяного пара на высотах 100–115 км, что приводит к образованию следа длиной около тысячи километров. Такой вброс оказывает на атмосферу заметное влияние. После запуска шаттла Endeavour (экспедиция SST-118), 8.VIII.2007 ученые зафиксировали слои ионов железа и водяного пара в приполярной области, а несколько позже наблюдались необычно сильные полярные мезосферные облака [2]. Измерения проводились тремя лидарами, двумя радарами и оптической камерой на высотах от 80 до 120 км [2]. Исследователи отметили необычно быстрое распространение облаков пара в приполярную область [2]. Этот же феномен наблюдался при стартах шаттлов с 2002 по 2007 г. по спектральным данным космических сенсоров на спутнике TIMED [3, 4]. Исследователи, изучая перенос газов, образовавшихся при стартах шаттлов, пришли к выводу, что в термосфере существуют аномальные ветра свыше 100 м/c, и отметили необходимость дальнейшего изучения этого феномена [3, 4]. Отметим, что след взлетевшей ракеты с Байконура был зарегистрирован с самолета над калифорнийским побережьем [5]. Достаточно свежий обзор данных о регистрации космическими и авиационными сенсорами следов ракетных запусков в атмосфере до 2013 г. можно найти в работе [6].

Лимбовый сенсор спутника Suomi, запущенного в конце 2011 г. и двигающегося по солнечно-синхронной орбите, ведет наблюдение на дневной стороне планеты одновременно тремя каналами, точки наблюдения которых разнесены по земной поверхности на 250 км. Каждый канал получает спектр свечения атмосферы по высоте от 0 до 80 км с шагом в 1 км и в 180 точках с интервалом по широте примерно в градус, начиная с южной полярной области до северных высоких широт (рис. 1). Рис. 1 показывает аэрозольный индекс рассеяния как функцию широты (или номера точки съемки) и высоты. Этот индекс равен натуральному логарифму отношения между наблюдаемым свечением атмосферы на длине волны 674 нм и теоретическим значением этого свечения, вычисленным без учета аэрозоля. Аэрозольные облака из субмикронных частиц хорошо рассеивают солнечный свет и усиливают наблюдаемое свечение по сравнению с теоретически ожидаемым. Рис. 1 представляет собой черно-белый вариант цветного оригинала (примеры цветного распределения аэрозольного индекса – см. [7]), поэтому часть информации утрачивается. Но следы взлета ракет видны отчетливо и на черно-белой картинке.

Рис. 1.

Аэрозольный индекс для 674 нм из данных LP/OMPS Suomi для орбиты 10582 от 12.XI.2013. Сверху вниз: данные левого, центрального и правого каналов наблюдения. Штрихованными белыми стрелками показаны самые плотные части стратосферного аэрозольного слоя Юнге, соответствующие правой части шкалы плотности; штрихованными черными стрелками показаны тропосферные облака. Сплошные стрелки указывают на аэрозольное облако, оставшееся после взлета ракеты Протон с космодрома Байконур. Данные NASA/NOAA/SSAI.

Из-за разных фазовых углов рассеяния, лимбовый сенсор чувствительнее к аэрозолю в северном полушарии, поэтому на рис. 1 атмосфера южного полушария выглядит более прозрачной. Для более адекватной картины нужно вводить поправку на фазовую функцию атмосферного аэрозоля, которая плохо известна. Аркообразная форма локальных облаков на рис. 1 связана с особенностями лимбовых наблюдений, которые регистрируют облако в течение нескольких минут на разном видимом расстоянии от земной поверхности. Широта и высота облака слабо меняются за эти минуты, но сенсор приписывает облаку разные широты и высоты, что и приводит к появлению арки. Истинные высота и широта облака соответствуют точке максимальной высоты арки.

На рис. 1 можно увидеть аэрозольный слой Юнге и более низкие тропосферные облака (заметный слой чистой атмосферы между ними – это граница между тропосферой и стратосферой). За исключением стратосферных и мезосферных полярных облаков, в зоне над слоем Юнге, то есть на высотах более 30–35 км не должно быть никаких облаков. На средних широтах здесь можно встретить только следы болидов и ракет. Челябинский суперболид от 15.II.2013, весом более десяти тысяч тонн, стал самым значительным болидом после Тунгусского [8, 9]. Лимбовый сенсор Suomi наблюдал аэрозольное облако, оставленное этим болидом в течение трех месяцев [7, 10]. Как выяснилось при детальном изучении данных лимбового сенсора, он регистрирует каждый год несколько аэрозольных облаков, оставленных меньшими болидами [11].

1. НАБЛЮДЕНИЯ РАКЕТНЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБЛАКОВ

Ракета-носитель Протон-М стартовала 11.XI.2013 в 23.46 (здесь и далее мы указываем время по Гринвичу) с Байконура. Через шесть часов после взлета Протона, лимбовый сенсор спутника Suomi одновременно всеми тремя каналами наблюдения зафиксировал вытянутое с запада на восток более чем на 500 км облако аэрозоля (см. рис. 1). Левый канал обнаружил облако на высоте 40–45 км в точке с координатами 54.9° с.ш. и 104.9° в.д.; центральный канал сделал срез облака в точке с координатами 54.3° с.ш. и 101.2° в.д. и измерил его высоту как 35–40 км; правый (самый западный канал) нашел самую яркую и низкую часть облака на высоте 30–35 км в точке с координатами 53.7° с.ш. и 97.6° в.д. (см. рис. 1, где аэрозольные облака от ракетных двигателей отмечены стрелками). Значительный снос и растяжение аэрозольного облака связаны с сильными ветрами в стратосфере. Например, снос пылевого облака от Челябинского суперболида происходил со скоростью 85 м в секунду [10]. Скорость сноса облака от старта Протона близка к 100 м/c, что в пределах ожидаемых значений для данных высот, но нельзя исключить влияние быстрого баллистического переноса, который будет обсуждаться ниже.

Сразу два стратосферных аэрозольных облака – ракетное и болидное – зафиксировал лимбовый сенсор Suomi на орбите 7319 от 27.III.2013 в 5.15 всеми тремя сенсорами. На рис. 2а приведен фрагмент данных правого сенсора, где слева отмечено облако в точке 49.2° с.ш. и 97.0° в.д., появившееся в результате старта Протон-М с Байконура 26.III.2013 г. в 19.07, а справа (в точке 63.8° с.ш. и 86.3° в.д.) – уже значительно рассеявшееся пылевое кольцо, оставленное в атмосфере Земли Челябинским болидом 15.II.2013.

Рис. 2.

Аэрозольный индекс для 674 нм из данных LP/OMPS Suomi для орбит 7319 (а), 2879 (б), 10 696 (в) и 19 243 (г). Сплошные стрелки указывают на аэрозольные облака, оставшееся после взлета ракет (за исключением части (а), где облако на 64° с.ш. оставлено Челябинским суперболидом).

На орбите 2879 (правый канал лимбового сенсора) спутник Suomi 5.V.2012 в 6.30 тоже зафиксировал сразу два облака в точках 51.6° с.ш. и 78.3° в.д. и 74.2° с.ш. и 48.5° в.д., на типичных высотах 40–45 км – см. рис. 2б. Эти облака, вероятнее всего, были оставлены при запусках накануне: Протона с Байконура, в 19.12 и Союза в 14.05 из Плесецка. Для уверенности, что данное облако оставлено ракетой, а не болидом, мы проверяем данные болидного каталога NASA (https://cneos.jpl.nasa.gov/ fireballs/) – нет ли в это время в данном полушарии заметных болидов.

На рис. 2в, который представляет собой фрагмент данных лимбового сенсора с орбиты 10 696 (левый канал) от 20.XI.2013, полученных в 5.49, показано облако, оставленное на высотах 42–48 км в точке 10.2° с.ш. и 104.7° в.д.) китайской ракетой Long March 4C, стартовавшей в 3.31 с космодрома с координатами 38.9° с.ш. и 111.6° в.д. Отметим, что высота 45 км является нормировочной высотой для аэрозольного индекса, что вызывает исчезновение любых облаков на этой высоте – см. рис. 2в. 15.VII.2015 в 15.36 с мыса Канаверал (28.5° с.ш. и 80.5° з.д.) стартовала ракета Atlas. Через полтора часа, лимбовый сенсор при пролете на орбите 19243 (левый канал) зафиксировал мощное аэрозольное облако в точке 43.1° с.ш. и 58.9° з.д. на высоте 30–35 км – см. рис. 2г.

2. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ РАКЕТНЫХ ОБЛАКОВ

Обычно аэрозольное облако после старта ракеты наблюдается однажды, в течение нескольких часов после старта, но в некоторых случаях облако удается отследить в течение нескольких дней. Так, 23.VI.2015 в 16.44 ракета Союз стартовала из Плесецка. 24.VI в 3.12 спутник Suomi на орбите 18937 (правый канал) зафиксировал облако в точке с координатами 74.8° с.ш. и 11.7° в.д. на высоте 40 км (см. рис. 3a). Приведем некоторые данные о диапазоне коэффициента экстинкции (оптической толща на километр вдоль луча зрения), регистрируемого лимбовым сенсором спутника Suomi для ракетных аэрозольных облаков. Для яркого облака, оставленного ракетой Atlas на орбите 19 243 (см. рис. 2г), измеренный коэффициент экстинкции достигал значения в 0.4 км^–1. Слабое облако, зарегистрированное на орбите 18 937, имело коэффициент экстинкции 1.5 · 10^–6 км^–1, что все равно было значительно больше фонового значения. Это облако оказалось долгоживущим и двигающимся в западном направлении. Оно фиксировалось в течение пяти дней, на орбитах 18 941, 18 952, 18 967 (двумя каналами), 18 968, 18 998 (двумя каналами). В последний раз слабый след этого облака был обнаружен двумя каналами в 10.55 28.VI.2015 над канадским островом Виктория в точках с координатами 71.6° с.ш. и 105.9° з.д., а также 72.0° с.ш. и 113.6° з.д. Таким образом, за 114 часов наблюдений облако от ракетного выхлопа преодолело Атлантику, Гренландию и северную часть Канады, пролетев около 4.5 тыс. км с примерной скоростью около 10 м/c. Эта скорость ветра очень умеренна для стратосферы, что, возможно, и послужило причиной долгого сохранения облака.

Рис. 3.

Аэрозольные индексы для 674 нм (а, б, в) и 353 нм (г) из данных LP/OMPS Suomi для орбит 18937 (а), 23336 (б), 16093 (в) и 14602 (г). Сплошные стрелки указывают на аэрозольные облака, оставшиеся после взлета ракет.

28.IV.2016 в 02.01 стартовала ракета-носитель Союз из космодрома “Восточный” (координаты 52° с.ш. и 128° в.д.). 29.IV в 4.58 спутник Suomi на орбите 23336 (правый канал) зафиксировал облако в точке с координатами 63.8° с.ш. и 109.0° в.д. на характерной высоте 40 км (см. рис. 3б). Облако отслеживалось в течение 6 дней, на орбитах 23 365 (два канала), 23 380, 23 409. В последний раз облако было зарегистрировано 4.V.2016 в 8.29 в точке с координатами 71.3° с.ш. и 47.3° в.д. над Баренцовым морем. Таким образом, за 150 ч наблюдения облако, двигаясь на северо-запад, пересекло Дальний Восток и Сибирь, преодолев расстояние примерно 3.5 тыс. км со скоростью 6–7 м/c. Это тоже весьма небольшая скорость для стратосферного ветра, что замедлило скорость расплывания облака.

3. НАБЛЮДЕНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ПЕРЕНОСА АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБЛАКОВ

Как минимум, в двух случаях наблюдался феномен баллистического переноса аэрозольных облаков в космическом пространстве.

5.XII.2014 в 12.05 был осуществлен запуск ракеты Delta с мыса Канаверал. Спустя 4 часа 20 мин спутник Suomi на орбите 16093 центральным и правым каналом зафиксировал облако на высоте 40–43 км в двух точках с координатами около 20° с.ш. и западными долготами в 46° (см. рис. 3в для центрального канала) и 49°. Расстояние между местом старта и точками обнаружения облаков составило 3600 км. Ветер, который мог осуществить такой перенос облака, должен был обладать скоростью свыше 800 км/ч или более 200 м/с, что не представляется реалистичным.

22.VIII.2014 в 12.27 был запущен Союз с космодрома Куру (5.3° с.ш. и 52.8° з.д) для вывода двух навигационных европейских спутников Galileo на орбиту с наклонением 56 градусов, то есть, ракета взлетела на северо-восток. Через 1 ч и 50 мин., в 14.17 спутник Suomi на орбите 14602 центральным каналом зафиксировал облако на высоте 64–67 км в точке с координатами 45° с.ш. и 20° з.д. (см. рис. 3г и рис. 4). Расстояние между космодромом и точкой обнаружения облака составило свыше 5200 км (гипотетический ветер для такого переноса должен иметь скорость в 2800 км/час или около 800 м/с, что значительно превышает скорость звука). Отметим, что, согласно каталогу [12], в земной атмосфере не было зарегистрировано никаких болидов в течение месяца до старта Союза (в северном полушарии – в течение двух месяцев).

Рис. 4.

Расположение точки старта ракеты Союз 22.VIII.2014 из космодрома Куру и аэрозольного облака, обнаруженного спустя 110 мин на расстоянии свыше пяти тыс. км. Карта и измерение расстояния (в милях) – Google Maps.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лимбовый сенсор LP/OMPS спутника Suomi способен фиксировать аэрозольные следы от старта крупных космических ракет. Обнаружен новый, ранее неизвестный феномен баллистического переноса облаков аэрозоля, возникающих при работе двигателей ракеты-носителя. Это полезно для изучения ветрового переноса аэрозоля и анализа эффективности работы космических двигателей в реальных условиях. Учитывая опыт работы с лимбовым сенсором Suomi, можно предложить лимбовый сенсор, который, благодаря большему количеству наблюдательных каналов и их расположению, способен эффективнее регистрировать аэрозольные облака [12]. Такой сенсор, работающий в 2–3 длинах волн, можно изготовить для спутника-“кубсата” весом в несколько килограмм. Поддержание флотилии из нескольких таких спутников обеспечит оптимальные условия сканирования атмосферы и наблюдения естественных и искусственных аэрозольных облаков.

Автор выражает благодарность группе спутника Suomi за данные, использованные в этой статье.