Nowe badanie ujawnia rosnące zagrożenie ze strony „zabójczych elektronów” podczas burz geomagnetycznych, co wzywa do wzmocnienia infrastruktury satelitarnej w celu złagodzenia potencjalnych szkód spowodowanych przez pogodę kosmiczną. Badania te służą jako punkt odniesienia w przygotowaniu i zabezpieczeniu rozwijającego się sektora kosmicznego, który znacząco wpływa na niezliczone gałęzie przemysłu i globalną komunikację.
Wysokoenergetyczne elektrony, często nazywane „zabójczymi”, są głównym źródłem radiacyjnych uszkodzeń satelitów, dlatego zrozumienie wzorców ich aktywności ma kluczowe znaczenie. Emisje naładowanych cząstek i pól magnetycznych przez Słońce mogą zakłócać tarczę magnetyczną Ziemi, prowadząc do zaburzeń geomagnetycznych. Podczas takich zdarzeń liczba wysokoenergetycznych elektronów w zewnętrznym pasie radiacyjnym może gwałtownie wzrosnąć, stwarzając poważne zagrożenie dla satelitów.
Dr Nigel Meredith z British Antarctic Survey kierował międzynarodowym zespołem, który przeanalizował 20 lat obserwacji zebranych przez amerykańskiego satelitę GPS, aby określić poziomy energetyczne zdarzeń typu 1 na 10, 1 na 50 i 1 na 100 lat. Zdarzenie 1 na 100 lat to wydarzenie o skali, która będzie równa lub przekraczana średnio raz na 100 lat.
Operatorzy satelitów, producenci, ubezpieczyciele i instytucje rządowe muszą przygotować się na ryzyko stwarzane przez te elektrony, a następnie je złagodzić. Społeczeństwo jest w coraz większym stopniu zależne od satelitów w różnych zastosowaniach, w tym w komunikacji, nawigacji, obserwacji Ziemi i obronności. W kwietniu 2022 r. na orbicie Ziemi znajdowało się 5465 działających satelitów, a większość z nich przynajmniej przez część swojej orbity jest wystawiona na działanie energetycznych elektronów. W 2021 r. cała światowa gospodarka kosmiczna wygenerowała przychody w wysokości 386 miliardów dolarów, co stanowi wzrost o cztery procent w porównaniu z rokiem poprzednim.
Podany w tym badaniu poziom zdarzeń 1 na 100 lat jest ważny dla przemysłu i rządu. Służą jako punkty odniesienia, względem których można porównywać inne ekstremalne zjawiska pogodowe w przestrzeni kosmicznej i oceniać potencjalny wpływ ekstremalnego zdarzenia - mówi dr Meredith, naukowiec zajmujący się pogodą kosmiczną i główny autor badania.
Na ilustracji: Ilustracja artystyczna pokazująca, jak cząstki i pole magnetyczne wyrzucane przez Słońce oddziałują z magnetosferą Ziemi. Źródło: ESA
Wyniki te są niezwykle ważne dla przemysłu kosmicznego, ponieważ inżynierowie i operatorzy wymagają realistycznych szacunków największych strumieni elektronów napotykanych na orbicie GPS, aby przygotować się na skutki tych ekstremalnych zdarzeń i poprawić odporność przyszłych satelitów.
Różnica między zdarzeniem 1 na 10 lat i 1 na 100 lat różni się w zależności od energii elektronów i odległości od Ziemi. Różnice te są największe przy najwyższych energiach w miejscach najbardziej oddalonych od planety i wahają się od 3 do 10 razy w przypadku niektórych najwyższych energii elektronów w odległości ponad 35 000 km od powierzchni Ziemi. Tak znaczny wzrost może stanowić istotne dodatkowe ryzyko dla satelitów działających w tym regionie.
Podobnie jak pogoda na naszej planecie, pogoda kosmiczna może się znacznie zmieniać w ciągu minut, dni, pór roku i 11-letniego cyklu słonecznego. Naukowcy odkryli, że większość tych zabójczych zdarzeń elektronowych miała miejsce podczas schyłkowych faz cyklu słonecznego – zaobserwowano je dwukrotnie w ciągu 20 lat, które badali – ale najbardziej energetyczne zdarzenie miało miejsce w innym czasie cyklu słonecznego, co pokazuje, że ekstremalne zdarzenia mogą wystąpić w dowolnym momencie.
W 2011 r. do brytyjskiego Krajowego Rejestru Ryzyka Cywilnego Sytuacji Kryzysowych dodano ekstremalną pogodę kosmiczną. Wpływ pogody kosmicznej na satelity może wahać się od chwilowych przerw w świadczeniu usług aż po całkowitą utratę możliwości. Warto pamiętać, że w 2003 r. potężna burza kosmiczna spowodowała anomalie w 47 satelitach, ponad 10 przestało działać na dłużej niż jeden dzień, a jeden został utracony.
Więcej informacji: publikacja „Extreme Relativistic Electron Fluxes in GPS Orbit: Analysis of NS41 BDD-IIR Data”, Nigel P. Meredith i in., Space Weather (2023). DOI: 10.1029/2023SW003436
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Satelita na tle atmosfery ziemskiej. Źródło: NASA
