Космическая погода - что это такое?

  1. Почему возникла необходимость в мониторинге «космической погоды»? Почему этому стали уделять столь большое внимание?
  2. На что, прежде всего, воздействуют возмущения космической погоды? Что страдает больше всего?
  3. Как космическая погода связана с привычной метеорологией?
  4. Почему необходима международная кооперация?

К зависимости своей жизни от погодных условий человечество привыкло много тысяч лет назад. Грозы и ураганы, засухи и наводнения, внезапные заморозки или длительные оттепели, туманы и град – далеко не полный перечень погодных явлений, оказывающих самое непосредственное влияние на нашу жизнь и на жизнь наших далеких предков. Все это давно известно и человечество во многом научилось справляться с подобными проблемами, минимизируя ущерб от неприятностей (хотя, разумеется, и не в состоянии полностью избавиться от жертв и разрушений). Бурный технический прогресс (особенно в последние полвека) материализовал ещё одну угрозу для современных систем (и в определенных ситуациях - здоровью человека) – это воздействие различных явлений «космической погоды». Именно эта, сравнительно молодая область знаний играет все большую роль в жизни современного высокотехнологичного общества.

Под термином «космическая погода» обычно понимается совокупность явлений на Солнце, в верхней атмосфере, околоземном космическом пространстве и межпланетной среде, оказывающих воздействие на процессы в околоземном космическом пространстве. Первичным источником возмущений являются вариации солнечного излучения, а перенос возмущений осуществляется волнами и частицами в межпланетной среде, магнитосфере и ионосфере Земли. Прежде всего, эти возмущения сказываются на тех процессах, в которых существенную роль играет установившееся равновесие электрических токов и магнитных полей. Возмущения, нарушающие это равновесие, могут привести к возникновению различных нештатных ситуаций не только в системах навигации, связи, электроэнергетики, но и таких, на первый взгляд слабо связанных отраслей, как тушение лесных пожаров, перекачка нефти по трубопроводам или здравоохранение. 
Авроральные токи могут вызывать повреждения в линиях электропередач и коррозию в нефти и газопроводах. Магнитные бури, сопровождаемые появлением ионосферных неоднородностей, мешают распространению ВЧ радио и навигационных сигналов с GPS спутников, а поглощение волн в полярной шапке (PCA) может сильно затруднить или полностью прекратить ВЧ связь на линиях трансполярных перелетов, требуя изменения маршрутов перелета на более низкие широты. Облучение космических аппаратов энергичными частицами солнечных вспышек и радиационных поясов Земли могут вызвать сбои аппаратуры, повреждение солнечных батарей и датчиков. Воздействие возмущений космической погоды на современные системы хорошо описаны в различной литературе. Чаще всего упоминается 90 - секундный коллапс северо-восточной энергосистемы Канады, вызванный геомагнитной бурей в марте 1989 г. который привел к тому, что миллионы человек оставались без электроэнергии более 9 часов. Это событие продемонстрировало возможность драматичных воздействий космической погоды на современное общество.
В октябре - ноябре 2003 на Солнце наблюдалось 17 значительных солнечных вспышек, сопровождавшихся выбросами плазмы, потоками протонов и возмущениями в солнечном ветре и магнитном поле Земли.
Сидкрафт груп в Швеции информировало о возникновении мощных индуцированных токов и, как следствие, случаях отключения энергосетей в северной Европе. Уровень радиоактивного облучения от солнечных вспышек на международной космической станции заставил принять решение о переходе космонавтов в специальный защищенный отсек. Авиакомпании вынуждены были принять беспрецедентное решение об изменении маршрутов трансполярных полетов из-за высокого риска переоблучения пассажиров и экипажа. Стоимость одного такого маневра составляла от 10 до 100 тысяч долларов. Многочисленные аномалии в работе аппаратуры регистрировались большинстве космических объектов. По данным GSFC Space Science Mission Operations Team 59% всех миссий испытало воздействие возмущений космической погоды. По-видимому, именно эти события явились причиной потери спутника ADEOS-2 стоимостью 640 млн. долларов. На борту этого спутника еще была аппаратура NASA стоимостью 150 млн. долларов. По заключению Federal Aviation Administration (USA) GPS система WAAS - система точного позиционирования - подвергалась воздействию этих событий и в течение 30 часов в октябре – ноябре 2003 г. была неработоспособна. Космическая погода воздействует на метеорологические спутники – основной источник данных для прогноза погоды и мониторинга климата. Здесь основные усилия направлены на обеспечение непрерывности данных, оперативности их получения и длительному существованию спутника на орбите. Однако это может быть нарушено при возмущениях космической погоды, оказывающих воздействие на датчики, системы передачи данных или на параметры орбиты или системы энергоснабжения. Космическая погода – основной фактор, влияющий на работоспособность спутника, проявляющийся в различных формах:

Использование сигналов глобальной системы спутниковой навигации (радиозондирование) для нужд метеорологии становится все более распространенным и потенциально станет основным источником данных для построения вертикальных профилей температуры и влажности, особенно для верхних слоев тропосферы и стратосферы. Анализ GPS сигналов в реальном времени используется при детектировании поверхностных сейсмических волн системы слежения за цунами и может быть существенно затруднен возмущениями космической погоды, что может оказать социоэкономическое влияние при критических ситуациях. Наземные приемники, измеряющие задержку сигнала от спутника до земли, могу использоваться как для измерения содержания воды в атмосфере для метеорологии, так и для измерения содержания электронов в ионосфере при расчете распространения радиоволн. Условия космической погоды могут влиять на уровень шума при измерениях на радаре и потому должны учитываться при калибровке метеорологических радаров по Солнечному излучению.
Следует отметить еще некие возможные угрозы в будущем. Например, ЛЯ ПОРТ на примере энергетической компании ЭНРОН указывает, что проекты частных компаний не предполагают эксплуатацию в экстремальных условиях.
Основной организационной структурой, осуществляющей координацию международного мониторинга космической погоды и прогноз состояния окружающей космической среды, является International Space Environment Service (ISES). ISES, ранее до 1996 г., IUWDS (International URSIgram and World Days Service), состоит из 14 стран – членов:
(Australia, Belgium, Canada, China, Czech Republic, France, India, Japan, Poland, Russian Federation, Sweden, South-Africa, Brazil, Republic of Korea, and the United States of America) и ассоциированного члена в лице Европейского Космического Агентства. 
Региональные центры (RWC), члены ISES, являются официально уполномоченными представителями своих стран и связаны с соответствующими учреждениями в своих странах. Так, например, в Канаде мониторинг космической погоды объединен с системой сейсмического контроля в рамках службы предупреждения опасных воздействий. В некоторых странах эти центры связаны с Метеорологическими Службами своих стран.

                          Региональные центры

Описание: ISES REGIONAL WARNING CENTRES

  
Космическая погода выглядит непрезентабельно по сравнению с обычной метеорологией из-за малой плотности доступных данных в области очень большого контролируемого пространства (150 млн. км.). Это требует объединения наблюдательных возможностей различных партнеров и поиск их эффективного совместного использования.
Поэтому очень важно, чтобы такие измерения были доступны в стандартизованном виде и с высоким качеством всем заинтересованным сторонам. 
Более того, самые важные измерения проводятся на спутниках и их платформы должны нести соответствующие комплекты приборов, на основе показаний которых могут функционировать оперативные службы, что требует детального долгосрочного планирования. Согласование общих технических условий для приборов космического базирования улучшит взаимосравнимость результатов измерений и улучшит их полезность. Данные, полученные службой космической погоды должны быть удобны для использования всеми странами. То есть согласование формата данных является компонентом службы. Сейчас большинство центров космической погоды пользуются форматами ISES. Так как объем и состав данных меняется, форматы также должны меняться. То есть необходимо согласование таких изменений. В свете создания новой информационной системы Всемирной Метеорологической Организации - WMO Information System (WIS)- в целях возможности взаимного использования в рамках WIS и Global Earth Observation system of Systems (GEOSS) уместно рассматривать WIS как средство обмена данными о космической погоде и гарантию того, что эти данные должным образом идентифицированы, описаны и систематизированы в соответствии со стандартами WIS, что является залогом возможности их широкого международного использования. Интеграция космической погоды с метеоданными в контексте логики WMO Integration of Global Observing Systems (WIGOS) это еще один аргумент в пользу их объединения так, как во многих случаях используется одна и та же платформа для космических и наземных наблюдений, а космическая погода оказывает влияние на метеоспутники – основной элемент метеорологических наблюдений. 
Основное свойство службы космической погоды таково, что её данные должны быть применимы для нужд любой отдельной страны, в то время как само воздействие космической погоды глобально. Глобальность эффектов космической погоды проявляется различными способами, например, трансполярные перелеты требуют согласования, что абсолютно понятно. Действия, требуемые от отдельных государств, часто взаимозависимы. ВМО обеспечивает место и возможность таких дискуссий. Отдельной проблемой является выработка и принятие стандартов процедур выпуска прогнозов и предупреждений и проверка их точности и надежности. В рамках подхода развития многоцелевых предупреждений об опасных явлениях, поддерживаемого в настоящее время в ВМО, естественно ожидать, что включение сюда информации о космической погоде может улучшить качество таких предупреждений, и гарантирует информации о космической погоде её своевременное распространение. ВМО принадлежит лидирующая роль в работе со всеми потребителями, от наиболее информированных профессионалов до средств массовой информации, что гарантирует доведение данных о космической погоде до конечного пользователя. ВМО обеспечивает фирменный знак и легитимность выходной информации.
В 2009 году было принято принципиальное решение об организации Межпрограммной Координационной Группы по Космической Погоде (ICTSW) в рамках Всемирной метеорологической Организации со следующими основными задачами:

• Консолидация требований к наблюдениям, согласование стандартов проведения 
наблюдений и спецификация датчиков измерения, в частности, для размещаемых 
в космосе приборов, с целью оптимизации проведения глобальных наблюдений и 
улучшения взаимосравнений наблюдений;

• Согласование и обслуживание структур данных, идентификация и описание 
данных для обеспечения оперативной совместимости и обмена данными в 
рамках ИСВ;

• Согласование спецификаций продукции и систем ее доведения до конечного 
потребителя, уделяя особое внимание унифицированным концепциям и 
процедурам выпуска оповещений и проверки их правильности;

• Взаимодействие с типичными представителями потребителей, например в 
технических комиссиях, и партнерство с соответствующими организациями ООН;

• Обмен опытом между сообществами, связанными с космической погодой, и 
сообществами, занимающимися ЧПП и исследованиями климата.

Официально такая структура в рамках ВМО была оформлена в 2010 году.