Космические исследования, 2022, T. 60, № 2, стр. 125-133

Оптические эффекты полета ракеты-носителя “Протон-М” со спутником Ямал-601 в дальней от места старта зоне

А. В. Михалев 1*, А. Б. Белецкий 1, В. П. Лебедев 1, Т. Е. Сыренова 1, В. В. Хахинов 1

1 Институт солнечно-земной физики СО РАН
Иркутск, Россия

* E-mail: mikhalev@mail.iszf.irk.ru

Поступила в редакцию 12.02.2021
После доработки 29.06.2021
Принята к публикации 25.08.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе рассматриваются возмущения в собственном излучении верхней атмосферы Земли во время запуска спутника Ямал-601 30.V.2019 на основе данных оптического комплекса ИСЗФ СО РАН. Измерения проводились в Геофизической обсерватории (ГФО) ИСЗФ СО РАН (~52° N, ~103° Е) с помощью комплекса оптических инструментов, включающего в себя камеру всего неба, спектрограф и интерферометр Фабри–Перо. По данным камеры КЕО Sentinel регистрировалась протяженная область свечения вдоль траектории пролета, которая сформировалась через ~2–4 мин после пролета космического аппарата над ГФО и сохранялась в течение ~20 мин. Пространственные масштабы поперек траектории пролета КА оцениваются ~95–110 км в предположении высоты высвечивания ~150 км (~190–220 км для высоты высвечивания ~300 км). В работе обсуждаются возможные механизмы образования наблюдаемой области свечения, в том числе связанные с физико-химическим взаимодействием продуктов топлива с атмосферными составляющими и влияния распространения ударной волны или короткопериодических внутренних гравитационных волн. Рассмотрены возможные причины наблюдаемой задержки появления свечения после пролета КА.

ВВЕДЕНИЕ

Техногенная деятельность, осуществляемая на высотах ионосферы и термосферы, ставит необходимость ее мониторинга и определения влияния на характеристики верхней атмосферы. Среди наиболее ярких проявлений такой деятельности можно отметить активные эксперименты по нагреву ионосферы [15], инжекции “плазмогасящих” смесей при помощи геофизических ракет [1], запуски КА и работа их двигателей при маневрировании на орбите [5, 2025]. Одним из проявлений техногенной деятельности являются возмущения в собственном излучении верхней атмосферы, которые накладываются на естественные вариации эмиссий верхней атмосферы, при запусках КА и активных экспериментов на орбитальных высотах [9, 23]. Это ставит необходимость исследования и понимания морфологии и механизмов эффектов возмущений в собственном излучении верхней атмосферы, обусловленных техногенной деятельностью, на фоне естественных вариаций.

В работах [2, 9] были представлены результаты оптических наблюдений в космическом эксперименте “Радар–Прогресс”. Во время работы корректирующих двигателей на высотах термосферы были зарегистрированы области свечения повышенной интенсивности, предположительно связанные с рассеянием фонового излучения на продуктах работы корректирующих двигателей и/или с появлением дополнительного свечения в эмиссии атомарного кислорода [OI] 630 нм.

В настоящей работе представлены результаты оптических наблюдений полета ракеты-носителя “Протон-М” со спутником Ямал-601 в дальней зоне от места старта КА.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЯ

Наблюдения излучения верхней атмосферы проводятся в Геофизической обсерватории (ГФО) ИСЗФ СО РАН (~52° N, ~103° Е), расположенной в Тункинской долине (с. Торы) на юге Восточной Сибири. Комплекс оптических и радиофизических инструментов ГФО включает спектрографы, интерферометр Фабри–Перо, широкоугольные цветные и монохроматические камеры и ионозонд. В настоящей работе использованы данные наблюдений с помощью камеры всего неба KEO Sentinel, интерферометра Фабри–Перо и спектрографа САТИ-1M.

Камера всего неба KEO Sentinel предназначена для регистрации пространственно-временной динамики интенсивности эмиссии 630 нм (высота высвечивания 180–300 км). Полуширина пропускания интерференционного фильтра ~2 нм. Направление визирования – зенит, поле зрения 145°, время экспозиции 60 с (http://atmos.iszf.irk. ru/ru/data/keo).

Спектрограф САТИ-1M предназначен для регистрации интенсивностей доминирующих эмиссий в спектре свечения ночной атмосферы — атомарного кислорода [OI] 557.7, 630.0 нм и дуплета натрия Na [OI] 589.0–589.6 нм при исследованиях процессов в верхней атмосфере во время гелиогеофизических возмущений различной природы (http://atmos.iszf.irk.ru/ru/data/spectr).

Интерферометр Фабри–Перо предназначен для измерения интенсивностей атмосферных эмиссий, температуры атмосферы и скорости ветра на высотах высвечивания эмиссий. Методика измерений основана на регистрации величины доплеровского смещения и доплеровского уширения линий свечения ночного неба. Наблюдения ведутся на фиксированных длинах волн, относящихся к эмиссиям атомарного кислорода [OI] 630 и 557.7 нм, натрия Na 589.3 нм, первой отрицательной полосы иона молекулярного азота ${\text{N}}_{2}^{ + }$ 1NG (0-1) 427.8 нм, иона кислорода [OII] 732.0 нм и полосы гидроксила OH (6-2) 843.0 нм. Описание устройства приведено на (http://atmos.iszf. irk.ru/ru/data/fpi).

ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ “ПРОТОН-М” И РАЗГОННОГО БЛОКА “БРИЗ-М”. СТАНДАРТНАЯ ЦИКЛОГРАММА ПОЛЕТА

Запуск ракеты-носителя “Протон-М” с разгонным блоком “Бриз-М” и космическим аппаратом Ямал-601 состоялся 30.V.2019 в 17.42 UT (https://www.roscosmos.ru/26339/). “Протон-М” – ракета-носитель тяжелого класса. Стартовая масса ~705 т, количество ступеней – 3, компоненты топлива – НДМГ + АТ, масса полезной нагрузки с разгонным блоком “Бриз-М” – 6.3 т (https:// www.roscosmos.ru/465/).

Разгонный блок “Бриз-М” применяется в составе ракет-носителей “Протон-М” и “Ангара-А5” и обеспечивает выведение космических аппаратов на околоземные орбиты различных высот и наклонений. Стартовая масса – до 22.5 т, заправляемый запас топлива – до 20 т, компоненты топлива – НДМГ + АТ, максимальное число включений маршевого двигателя – 8 (https://www.roscosmos.ru/ 450/).

На табл. 1 приводится стандартная схема полета РН “Протон-М” с разгонным блоком “Бриз-М” (https://aboutspacejornal.net/космические-аппараты/ ракета-носитель/протон/):

Таблица 1.  

Стандартная циклограмма полета РН “Протон-М”

  Время, с Скорость, м/с Высота, км
Команда “Ключ подъема” 0.0    
Достижение максимального скоростного напора 65.5 465 11
Включение двигателей второй ступени 119.0    
Отделение первой ступени 123.4 1724 42
Включение рулевых двигателей третьей ступени 332.1    
Выключение двигателей второй ступени 334.5    
Разделение второй и третьей ступеней 335.2 4453 120
Включение двигателей третьей ступени 337.6    
Сброс головного обтекателя 348.2 4497 123
  576.4    
Выключение рулевых двигателей третьей ступени 588.3    
Разделение третьей ступени и орбитального блока 588.4 7182 151

Начальный участок работы разгонного блока (РБ) “Бриз-М”. Сразу после отделения третьей ступени РН “Протон-М” включаются двигатели стабилизации РБ, которые обеспечивают ориентацию и стабилизацию орбитального блока на участке пассивного полёта по суборбитальной траектории до первого включения двигателя РБ. Примерно через полторы минуты после отделения от РН “Протон-М” выполняется первое включение маршевого двигателя длительностью 4.5 мин, в результате которого формируется опорная орбита высотой 170–230 км и наклонением 51.5° (https://aboutspacejornal.net/космические-аппараты/ракета-носитель/протон/). В момент начала самостоятельного полета РБ “Бриз-М” высота его полета, согласно приведенной выше циклограмме, составляет величину ~150 км.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Камера КЕО Sentinel. На рис. 1 показаны фрагменты оригинальных изображений с камеры КЕО Sentinel в интервале времени 17.52–18.11 UT. На рис. 2 представлены полные изображения в интервале времени 17.51–18.17, обработанные методом, описанном в работе [4]. Обработка изображений заключалась в вычитании опорных кадров с весовыми коэффициентами, зависящими от интервала времени между опорным кадром и анализируемым изображением, и дальнейшем контрастировании изображений. Опорные кадры выбирались во временные промежутки до пролета космического объекта (КО) и после, то есть без видимых эффектов воздействия КО. На кадрах, соответствующих времени ~17.53, отмечается пролет КО, который можно связать с полетом РН “Протон-М” над ГФО. В этом случае задержка между стартом РН с космодрома “Байконур” и временем регистрации РН над ГФО составляет ~660 с. Это значение задержки, вероятно, является типичным для РН тяжелого класса для расстояния “Байконур” – ГФО [8].

Рис. 1.

Фрагменты оригинальных изображений с камеры КЕО Sentinel в интервале времени 17.52–18.11 UT.

Рис. 2.

Полные изображения с камеры КЕО Sentinel в интервале времени 17.51–18.17 UT.

Согласно стандартной циклограмме полета РН “Протон-М” к этому времени произошло выключение двигателей третьей ступени и разделение третьей ступени и орбитального блока (~588 с). Сразу после отделения третьей ступени РН включаются двигатели стабилизации разгонного блока (РБ) “БРИЗ-М”. Примерно через полторы минуты (~90 с) после отделения от РН выполняется первое включение маршевого двигателя (МД) РБ длительностью 4.5 мин, в результате которого формируется опорная орбита орбитального блока (ОБ). Таким образом, ориентировочное время включения маршевых РБ двигателей “БРИЗ-М” может составлять 17.42 UT (время старта) + (588 + + 90 с = ~11 мин) = 17.53 UT, что соответствует времени с изображением трека на рис. 1. С учетом этого можно предположить, что в 17.53 UT в ГФО регистрировался пролет спутника Ямал-601 с включенными двигателями разгонного блока “БРИЗ-М”. Начиная со времени ~17.56 UT (с задержкой около 2–4 мин после пролета КО) вдоль траектории полета КО сформировалась светящаяся протяженная область, которая фиксировалась в течение времени более 20 мин (до ≥18.17 UT).

На изображениях цветной камеры, установленной в Саянской солнечной обсерватории и расположенной в 150 км западнее ГФО [10], эффектов, представленных на рис. 1, не обнаружено. При этом следует отметить, что на двух кадрах этой камеры в ~18.01–18.03 UT отмечается точечный след КО, перемещающийся в восточном направлении.

Спектрограф САТИ-1. На рис. 3 представлены вариации атмосферных эмиссий [OI] 557.7 и 630.0 нм (высоты высвечивания ~85–115 и ~180–300 км соответственно) в течение ночи 30–31.V.2019. Согласно стандартной циклограмме полета РН “Протон-М” в период работы 3-й ступени РН (~335–588 с) траектория РН находилась на высотах ~120–150 км, а орбитальная скорость составляла ~4.5–7.2 км/с. Сверхзвуковой полет космического тела на указанных высотах может приводить к образованию ударных и акустико-гравитационных и внутренних гравитационных волн (ВГВ), приводящих к вариациям атмосферных и ионосферных характеристик верхней атмосферы [Карпов и др., 1980]. На рис. 3 обращает на себя внимание поведение интенсивности эмиссии 557.7 нм в интервале времени ~18–19 UT, указывающее на возможное проявление волны типа ВГВ. При этом следует отметить, что проявление ВГВ в излучении верхней атмосферы связывают с различными источниками и наблюдается достаточно часто [14].

Рис. 3.

Вариации интенсивности атмосферных эмиссий [OI] 557.7 и 630.0 нм в течение ночи 30–31.V.2019. Вертикальной штриховой линией указан момент старта РН “Протон-М”.

Интерферометр Фабри–Перо (ИФП). Интерферометр Фабри–Перо 30.V.2019 осуществлял измерения в эмиссиях атомарного кислорода [OI] 557.7 и 630.0 нм с высотами высвечивания ~85–115 и ~180–270 км, соответственно. Согласно стандартной циклограмме полета РН “Протон-М” во время его пролета над ГФО высота составляла ~120–150 км. Это не позволяет непосредственно использовать данные ИФП о температуре и ветровом режиме в атмосфере на высотах полета РН “Протон-М”, но данные могут быть привлечены для оценок возможных вертикальных и горизонтальных движений или их отсутствии. В частности, в интервале времени 17.52–18.11 UT меридиональные и вертикальные скорости составляли на высотах ~85–115 км ≤25 и 10 м/с соответственно, на высотах ~180–270 км ≤120 и 15 м/с, соответственно.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

В работе [13] выполнена классификация оптических явлений в верхней атмосфере, связанных с выбросами продуктов сгорания ракетных двигателей. В результате анализа было выделено несколько основных типов, связанных с различными геофизическими условиями и механизмами их образования. Естественно, что одним из основных критериев разделения оптических явлений были определены высоты инжекции продуктов сгорания и наблюдаемых оптических образований, т. к. достаточно сильно изменяющиеся с высотой физические условия определяют различные пространственно-временные и спектральные характеристики оптических образований. Так, для типа оптических явлений, развивающихся в области стратосферы на высотах 40–50 км характерны относительно большие времена жизни и яркости, достаточно небольшие характерные размеры, определяющая роль диффузии и стратосферных ветров. Начиная с высот турбопаузы ~100–120 км и выше, могут развиваться оптические явления, физическими механизмами свечения которых являются рассеяние света на дисперсной фазе продуктов сгорания, взаимодействие продуктов сгорания двигателей КА с компонентами верхней атмосферы, с возможностью образования “ионосферных дыр” (модификация ионосферы), и резонансное рассеяние солнечного излучения.

При этом хорошо известно, что процесс образования “ионосферных дыр” сопровождается усилением запрещенной эмиссии атомарного кислорода [OI] 630.0 нм [23, 24].

Характерные времена жизни и пространственные размеры наблюдаемых и обсуждаемых в настоящей работе оптических образований позволяют предварительно рассматривать два основных механизма, приводящие к наблюдаемым оптическим эффектам. Наиболее часто обсуждаемый механизм, связанный с полетом КА на начальных участках траекторий, обусловлен рассеянием света на продуктах работы двигательных установок КА [1, 13]. Второй механизм связан с увеличением собственного излучения верхней атмосферы при модификации ионосферы, вызванного взаимодействием продуктов сгорания с атмосферными составляющими (см., например, [12, 22]). Указание на возможность реализации второго механизма указывает то обстоятельство, что область свечения регистрировалась камерой всего неба КЕО Sentinel в относительно узкой спектральной полосе пропускания (~2 нм), центрированной на длину волны 630.0 нм. В связи с этим в настоящей работе было уделено определенное внимание рассмотрению возможного механизма возбуждения атмосферной эмиссии атомарного кислорода [OI] 630.0 нм.

Пространственно-временная динамика возмущений. По данным камеры КЕО Sentinel светящаяся область стала формироваться через ~2–4 мин после пролета КА над ГФО и сохранялась в течение времени ≥20 мин. Пространственные масштабы поперек траектории пролета КА оцениваются ~95–110 км в предположении высоты высвечивания ~150 км (~190–220 км для высоты высвечивания ~300 км).

То обстоятельство, что светящаяся область возникла с задержкой ~2–4 мин после пролета КА над ГФО, может указывать на отсутствие эффекта рассеяния солнечного света (угловое погружение Солнца ~11°, навигационные сумерки) на продуктах сгорания, по крайней мере, в первые минуты после пролета КА. О задержке образования светящихся образований отмечается в ряде работ по активным экспериментам [17, 18]. Так, согласно [18], после выброса на высоте ~323 км в ионосферу ~2.7 · 1026 молекул СО2 и 7.4 · 1026 молекул Н2О образовалась светящаяся возмущенная зона. Через 2 мин после выброса увеличение эмиссии 630 нм достигло 400 Рл, а через 3 мин зона повышенной эмиссии достигла 250 км в диаметре. В то же время, в космическом эксперименте “Радар-Прогресс” на термосферных высотах аналогичной временной задержки не было отмечено [2, 9]. К сожалению, в опубликованных работах по активным экспериментам начальной фазе развития оптических эффектов практически не уделяется внимания. Среди возможных причин такой задержки можно указать время, необходимое для термализации “горячих” продуктов топлива с атмосферными составляющими и, соответственно, изменение скоростей физико-химических реакций, распространение продуктов инжекции на другие высоты, например, в результате диффузии, возможного поперечного относительно траектории полета КА разлета продуктов сгорания [9, 13], высотного смещения продуктов сгорания в результате вертикальных ветров и др.

Диффузия. Диффузия в ее классическом варианте происходит в атмосфере на молекулярном уровне и становится существенной как процесс переноса только в термосфере. На меньших высотах основной процесс переноса связывают с движением некоторых объемов воздуха и, соответственно, с турбулентной диффузией. Согласно [7] на нижней границе термосферы величина коэффициента диффузии KD ~ 103 м2/с и линейно уменьшается с высотой. Порядок максимального коэффициента турбулентной диффузии КTD ~ ~ 102–103 м2/с [3, 16]. Для оценки возможных размеров, обусловленных диффузией, примем максимальное значение коэффициентов диффузии KD и KTD ~ 103 м2/с. Характерная зависимость диффузионного расширения от времени описывается обычно выражением (см, например, [6]):

(1)
$R = {{\left( {4{{K}_{D}}*t} \right)}^{{1/2}}}.$

Для рассматриваемого события для времени ~360 с (когда сформировалась основная область свечения) выражение (1) со значением KD ~ 103 м2/с дает характерный размер диффузионного расширения ~1.2 км, что существенно меньше наблюдаемых горизонтальных размеров области свечения, оцененных по данным наблюдений камеры всего неба KEO Sentinel.

Разлет продуктов сгорания топлива со сверхтепловыми скоростями. Известно, что поперечные (в частности, вертикальные) скорости разлета продуктов сгорания относительно траектории полета КА могут достигать величин ≥1–3 км/с [9, 13]. Такие скорости разлета продуктов сгорания могут обеспечивать их достаточно быстрое перемещение в F-область ионосферы, в большей степени благоприятной для формирования свечения эмиссии [OI] 630.0 нм в реакциях диссоциативной рекомбинации. Так, при скорости ~1 км/с c высоты ~150 км до высот ~270 км соответствующее время разлета составляет ~120 с, которое оказывается сопоставимым с наблюдаемой задержкой появления области свечений 2–4 мин. В этом случае распространение продуктов сгорания вверх будет наиболее преимущественным за счет большей длины пробега (в результате снижения плотности атмосферы с увеличением высоты). При этом в механизме образования свечения не следует исключать и рассеяния света на продуктах инжекции топлива при их перемещении на большие высоты.

Ветровой снос продуктов сгорания топлива. Динамика развития оптических эффектов при учете ветрового сноса определяется текущим ветровым режимом. Ветровой режим для анализируемого случая можно оценить по данным наблюдений интерферометра Фабри–Перо (см. выше). В интервале времени 17.52–18.11 UT интегрированные по высотам высвечивания эмиссионных линий 557.7 и 630.0 нм меридиональные и вертикальные скорости составляли на высотах ~85–115 км ≤25 и 10 м/с соответственно, на высотах ~180–270 км ≤120 и 15 м/с, соответственно. В табл. 2 приведены возможные характерные смещения продуктов сгорания топлива для времени ~360 с после пролета КА.

Таблица 2.  

Характерные размеры смещения продуктов сгорания топлива для времени ~360 с

Высоты, км Вертикальные смещения, км Меридиональные смещения, км
85–115
180–270
~3.6
~5.4
~9
~43

Из табл. 2 видно, что значимые смещения (~43 км) могут быть обеспечены меридиональными ветрами на высотах ~180–270 км. По данным камеры КЕО Sentinel пространственные масштабы области свечения поперек траектории пролета КА оцениваются величиной ~200 км для этих высот. Но необходимо понимать, что однонаправленные меридиональные ветра не могут участвовать в формировании меридиональных размеров светящегося образования, обеспечивая лишь его снос как целого. Наблюдаемые незначительные вертикальные смещения, обусловленные вертикальными ветрами, вероятно, также не могут быть причиной образования светящегося образования за счет существенного высотного изменения физико-химических параметров в области инжекции продуктов сгорания топлива.

Термализация. Частота газокинетических столкновений на высотах 180–270–350 км составляет ~0.8, 0.08 и 0.02 с–1, соответственно [14]. В связи с этим порядок времени термализации и физико-химического взаимодействия продуктов сгорания топлива с атмосферными составляющими (1–3 столкновения) на указанных высотах может составлять ~1.25–3.75, 12.5–37.5 и 50–150 с. Это позволяет допустить, что эффекты термализации и физико-химического взаимодействия продуктов сгорания топлива на высотах ≥270 км могут вносить определенный вклад в наблюдаемую задержку между моментом инжекции топлива и моментом появления свечения, сопоставимой с наблюдаемой задержкой ~2–4 мин.

Возможные механизмы образования наблюдаемой области свечения. В настоящее время в литературе обсуждаются несколько механизмов образования светящихся образований в верхней атмосфере, связанных с полетом КА с работающими двигателями. Среди которых можно отметить модификацию ионосферы в результате взаимодействия продуктов сгорания ракетных двигателей с компонентами верхней атмосферы, генерацию ударных волн и ВГВ, возникающих при полете КА в нейтральной атмосфере со сверхзвуковой скоростью, возбуждение факелом ракеты волн и неустойчивостей в ионосферной плазме, рассеяние света на дисперсной фазе продуктов сгорания и другие (см., например, [5, 23, 24]). Вероятно, во многих случаях имеет место одновременное участие отмеченных выше механизмов в образовании свечения атмосферы, вклад которых в общий эффект может быть различный и зависит от высоты, типа инжектируемых продуктов и других геофизических условий [13]. Широкий спектр вопросов, связанных с взаимодействием инжектируемого вещества с верхней атмосферой, не всегда позволяет их детально рассматривать в рамках одной работы. Ниже рассмотрен возможный механизм наблюдаемой области свечения, связанный с физико-химическим взаимодействием продуктов топлива с атмосферными составляющими.

Компоненты топлива разгонного блока “Бриз” состоят из азотного тетраоксида N2O4 (окислитель) и горючего НДМГ (несимметри́чный диметилгидрази́н, C2H8N2) (https://www.roscosmos.ru/450/).

В случае окисления горючего НДМГ азотным тетраоксидом по возможной реакции

(2)
${{{\text{C}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{H}}}_{{\text{8}}}}{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}} + 2{{{\text{N}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{O}}}_{{\text{4}}}} \to 3{{{\text{N}}}_{2}} + 2{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}} + 4{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}$
образуются молекулы углекислого газа CO2 и воды H2O, которые на высотах ионосферы в реакциях перезарядки могут участвовать в образовании ионов ${\text{O}}_{2}^{ + }$ и H2O+ по реакциям [19, 24]:
(3)
${\text{С}}{{{\text{О}}}_{2}} + {{{\text{O}}}^{ + }} \to {\text{О}}_{2}^{ + } + {\text{СО}},$
(4)
${\text{О}}_{2}^{ + } + е \to {\text{O}} + {\text{O}}\left( {^{1}{\text{D}}} \right),$
(5)
${{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}} + {{{\text{O}}}^{ + }} \to {{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{O}}}^{ + }} + {\text{O}},$
(6)
${{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}} + {{{\text{O}}}^{ + }} \to {{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{O}}}^{ + }} + {\text{O}}\left( {^{1}{\text{D}}} \right),$
  • с образованием атомарного кислорода в состоянии 1D с последующим излучением фотона 630.0 нм в соответствии с реакцией:

    (7)
    ${\text{О}}\left( {^{{\text{1}}}{\text{D}}} \right) \to {\text{О}}\left( {^{3}{\text{P}}} \right) + h\nu \left( {{\text{630 нм}}} \right).$

Хорошо известно, что ионы ${\text{CO}}_{2}^{ + }$ и H2O+ быстро рекомбинируют со свободными электронами в ионосфере, причем скорости диссоциативной рекомбинации в реакциях с участием этих ионов (“реакции замещения”) на порядки выше скоростей диссоциативной рекомбинации в реакциях на ионах ${\text{O}}_{2}^{ + }$ и NO+ в естественных условиях. Эти процессы сопровождаются дополнительным заселением уровня O(1D) атомарного кислорода и усилению интенсивности [OI] 630.0 нм [11, 23, 24]. Так, согласно оценкам работы [11] эффективность заселения атомарного кислорода в состояние 1D на высотах ионосферы в реакциях с участием молекул CO2 может более чем в 300 раз превышать естественные условия.Несмотря на высокие скорости диссоциативной рекомбинации в реакциях замещения, необходимо учитывать эффективность реакции (7) на различных высотах. Дело в том, что радиационное время жизни возбужденного состояния 1D атомарного кислорода составляет ~110 с. В реальных условиях нижней термосферы возбужденные атомы O(1D) могут дезактивироваться до излучения фотона 630.0 нм в столкновениях с молекулами атмосферы, в основном с О2 и N2 по реакциям [14]:

(8)
${\text{O}}\left( {^{{\text{1}}}{\text{D}}} \right) + {{{\text{N}}}_{2}} \to {\text{N}}_{2}^{*} + {\text{O}}\left( {^{3}{\text{Р}}} \right),$
(9)
${\text{O}}\left( {^{1}{\text{D}}} \right) + {{{\text{О}}}_{2}} \to {\text{О}}_{2}^{*} + {\text{O}}\left( {^{3}{\text{Р}}} \right).$

В виду того, что скорости этих процессов дезактивации достаточно велики, то потери возбужденных атомов O(1D) до излучения с уменьшением высоты резко растут. Этим и обусловлено, что естественный эмиссионный слой атомарного кислорода в эмиссии 630.0 нм имеет нижнюю границу около ~180–200 км (при высоте верхней границы этого слоя ~300–350 км). Выше, при рассмотрении возможной термализации высокоскоростных потоков продуктов сгорания, были приведены характерные значения частот газокинетических столкновений ~0.8, 0.08 и 0.02 с–1 для различных высот (соответственно ~180, 270, 350 км). Эти значения могут быть использованы для оценки эффективности реакции (7) с изменением высоты путем отношения обратных величин частот газокинетических столкновений к величине радиационного времени жизни возбужденного состояния 1D. Эти значения для рассматриваемых высот ~180, 270, 350 км имеют значения ~0.01, 0.1 и 0.45, соответственно. Значение этого отношения ~1 указывает, что реакция (7) реализуется с вероятностью ~100%. Приведенные выше оценки позволяют допустить, что рассматриваемый механизм свечения эмиссии 630.0 нм в реакциях (2)–(7) наиболее эффективно реализуется на высотах ≥270 км. Здесь следует отметить, что аналогичные высоты были получены выше и для оценки времени задержки возникновения свечения после инжекции продуктов сгорания.

Относительно возможного влияния распространения ударной волны или короткопериодических ВГВ в наблюдаемых эффектах в интервале времени ~17.56–18.17 UT. Пространственно-временная динамика регистрируемого оптического возмущения, являющегося относительно стабильным образованием без локальных быстрых перемещений светящихся локальных зон, типичных для фронта ударной волны или гребней короткопериодических ВГВ, также на предварительном этапе затрудняет привлечения указанных волновых механизмов для интерпретации наблюдаемого оптического эффекта. И, вероятно, может потребовать проведение дополнительных исследований с привлечением новых данных наблюдений или модельных расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Представленные выше данные оптических наблюдений в период пролета ракеты-носителя “Протон-М” с разгонным блоком “Бриз-М” 30.V.2019 над Геофизической обсерваторией ИСЗ-Ф СО РАН позволяют сделать следующие предварительные выводы:

По данным наблюдения камерой КЕО Sentinel в интервале времени ~17.56–18.17 UT регистрировалась протяженная область свечения вдоль траектории пролета разгонного блока “Бриз” ракеты-носителя “Протон-М” над ГФО. Наиболее вероятная высота образования протяженной области свечения может располагаться на высотах движения разгонного блока “Бриз” ракеты-носителя над ГФО и выше (высоты в нижней части F2 слоя ионосферы).

Учитывая, что область свечения была зарегистрирована в спектральной полосе пропускания камеры, центрированной на длину волны 630.0 нм, был рассмотрен один из возможных механизмов образования свечения, связанный с возбуждением атмосферной эмиссии 630.0 нм при взаимодействии продуктов сгорания ракетного топлива с атмосферными составляющими применительно к топливному составу разгонного блока “Бриз”. Реакция сгорания основных компонент разгонного блока “Бриз” сопровождается образованием молекул углекислого газа СО2 и воды H2O, которые на высотах ионосферы могут участвовать в образовании ионов ${\text{O}}_{2}^{ + }$ и H2O+. Образующие молекулы и молекулярные ионы в реакциях перезарядки и диссоциативной рекомбинации сопровождаются образованием атомов кислорода в состоянии 1D, переход с которого в основное состояние сопровождается излучением с длиной волны 630.0 нм. В этом случае, вероятно, можно говорить о некоторой модификации состава атмосферы и ионосферы в относительно протяженной области около траектории полета разгонного блока “Бриз” с оптической индикацией этого процесса в излучении атомарного кислорода [OI] в эмиссии 630.0 нм.

Рассмотрены возможные причины наблюдаемой задержки (~2–4 мин) появления свечения после пролета разгонного блока “Бриз”. Поведение интенсивности эмиссии 557.7 нм в интервале времени ~18.19 UT может указывать на возможный приход волны типа ВГВ от полета РН “Протон-М” в дальней зоне от ГФО или разгонного блока “Бриз” непосредственно над ГФО.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России и РФФИ (грант № 20-05-00580). В работе использовались данные оптического комплекса, входящего в состав ЦКП “Ангара” (http://ckp-rf.ru/ckp/3056).

Список литературы

  1. Адушкин В.В., Козлов С.И., Петров А.В. Экологические проблемы и риски воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду. М.: Анкил, 2000.

  2. Белецкий А.Б., Михалев А.В., Хахинов В.В., Лебедев В.П. Оптическое проявление работы бортовых двигателей низкоорбитальных космических аппаратов // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2. № 4. С. 85–91. https://doi.org/10.12737/21169

  3. Гайгеров С.С. Исследование средней атмосферы (метеорология области высот 20–120 км) // Итоги науки и техники. Геомагнетизм и высокие слои атмосферы. 1986. Т. 8.

  4. Грач С.М., Клименко В.В., Шиндин А.В. и др. Оптическое свечение при воздействии на ионосферу радиоизлучением стенда “Сура”: Результаты экспериментов 2010 г. // Известия вузов. Радиофизика. 2012. Т. 55. № 1–2. С. 36–56.

  5. Карлов В.Д., Козлов С.И., Ткачев Г.Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие при полете ракеты с работающим двигателем (обзор) // Космич. исслед. 1980. Т. 18. № 2. С. 266–277.

  6. Кащеев Б.Л., Лебединец В.Н., Лагутин М.Ф. Метеорные явления в атмосфере Земли. М.: Наука, 1967.

  7. Кулямин Д.В., Галин В.Я., Погорельцев А.И. Моделирование общей циркуляции термосферы с включением параметризации радиационных процессов // Метеорология и гидрология. 2015. № 6. С. 48–57.

  8. Михалев А.В., Ермилов С.Ю. Наблюдение возмущений эмиссионных ионосферных слоев, возникающих при полете космических систем // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1997. Вып. 107. С. 206–217.

  9. Михалев А.В., Хахинов В.В., Белецкий А.Б., Лебедев В.П. Оптические эффекты работы бортового двигателя космического аппарата “Прогресс М-17M” на высотах термосферы // Космич. исслед. 2016. Т. 54. № 2. С. 113–118.

  10. Михалев А.В., Белецкий А.Б., Васильев Р.В. и др. Долгоживущие метеорные следы // Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5. № 3. С. 130–139. https://doi.org/10.12737/szf-53201913

  11. Михалёв А.В., Васильев Р.В., Белецкий А.Б. Эффекты кратковременного увеличения интенсивности излучения атомарного кислорода [OI] 630.0 нм на высотах нижней термосферы, обусловленные техногенной деятельностью // Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60. № 1. С. 116–125.

  12. Платов Ю.В., Семенов А.И., Шефов Н.Н. Увеличение интенсивности эмиссии гидроксила в мезопаузе, обусловленное выбросом продуктов сгорания ракетных двигателей // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 41. № 4. С. 522–528.

  13. Платов Ю.В., Куликова Г.Н., Черноус С.А. Классификация газопылевых образований в верхней атмосфере, связанных с выбросами продуктов сгорания ракетных двигателей // Космич. исслед. 2003. Т. 41. № 2. С. 168–173.

  14. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы – индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006.

  15. Шиндин А.В., Клименко В.В., Когогин Д.А. и др. Пространственные характеристики области генерации искусственного свечения ионосферы в линии 630 нм. при воздействии радиоизлучением стенда “Сура” // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2017. Т. 60. № 11. С. 949–966.

  16. Banks P.M., Kockarts G. Aeronomy. Part B. N.Y.: Academic Press, 1973.

  17. Bernhadt P.A., Weber E.J., Moorc J.G. et al. Excitation of oxygen permitted line emissions by SF injection into the F region // J. Geophys. Res. 1986. V. A91. № 8. P. 8937–8946.

  18. Biondi M.A., Simpler D.P. Studies of equatorial 630 nm airglow enhancements produced by a chemical release in F region // Planet and Space Sci. 1984. V. 32. № 12. P. 1605–1610.

  19. Dressler R.A., Gardner J.A., Cooke D.L., Mirad E. Analysis of ion densities in the vicinity of space vehicles' non-neutral chemical kinetics // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. № A8. P. 13795–13806.

  20. Khakhinov V., Potekhin A., Shpynev B. et al. Results of Complex Radiosounding of Ionospheric Disturbances Generated by the Transport Spacecraft “PROGRESS” Onboard Thrusters. XXX URSI Proc., Turkey. 2011. P. 6 051 169.

  21. Lebedev V., Khakhinov V., Potekhin A. et al. Variations of the Transport Spacecraft “Progress” Radar Characteristics Connected with the Orbital Maneuvering Subsystem Run. XXX URSI Proc., Turkey, 2011. P. 6 051 170.

  22. Mendillo M., Baumgardner J. Optical signature of an ionospheric hole // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9. Is. 3. P. 215–218. https://doi.org/10.1029/GL009i003p00215

  23. Mendillo M. Ionospheric holes: a review of theory and recent experiment // Adv. Spase Res. 1988. V. 8. № 1. P. 51–62.

  24. Mendillo M., Semeter J., Noto J. Finite element simulation (FES): A computer modeling technique for studies of chemical modification of the ionosphere // Adv. Space Res. 1993. V. 13. № 10. P. 55–64.

  25. Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V. et al. Active Space Experiments with the Use of the Transport Spacecraft “Progress” and Irkutsk IS Radar. PIERS, Moscow, 2009. P. 223–227.

Дополнительные материалы отсутствуют.