Ретроспективный анализ соотношения ПЭС и нейтральной плотности термосферы при запусках спутников Starlink в 2019-2023 гг. и прогноз на солнечный цикл

Около 200 событий запусков Starlink с 2019 г. формируют обширную базу данных для исследования эволюции параметров термосферно-ионосферной (T-И) системы и оценки влияния геофизических условий на запуски спутников. При геомагнитно возмущенных условиях расширение термосферы сопровождается подъемом ионосферной плазмы к области более слабой рекомбинации. Это обусловливает тенденцию к уменьшению плотности плазмы и обеспечивает определенную связь между поведением нейтральных и заряженных компонентов в системе T-И, хотя на изменение концентраций ионов и нейтралов влияет ряд дополнительных факторов.
Влияние возмущений в околоземном пространстве необходимо учитывать при запуске космических аппаратов во избежание внештатных ситуаций. В течение рассмотренного периода произошло 75 геомагнитных бурь категорий NOAA G1-G4 при Kp ≥ 5.0. Во время 19 из них проводились запуски Starlink. Только в одном случае произошла аварийная ситуация при запуске S-36 3 февраля 2022 г., когда 38 из 49 спутников сошли с орбиты во время малой двухфазной геомагнитной бури уровня G1 (Kp = 5.3). Предыдущие исследования показывают, что катастрофа с S-36 была вызвана последствиями увеличения нейтральной плотности термосферы (ρ) на ~50% вследствие магнитной бури, что привело к усилению торможения спутников на первом этапе полета на низкой орбите (350 км в апогее и 210 км в перигее. Широко используемые эмпирические модели предсказывали гораздо меньшие плотности нейтралов.
В данной работе представлены результаты сравнения геофизических условий во время всех запусков Starlink и изменения параметров T-И в зависимости от сезона и уровней солнечной и геомагнитной активности. Величина ρ оценивается по данным спутников SWARM, а величина глобального ПЭС (GEC) - по картам JPL GIM-TEC. Исходя из сравнения этих двух параметров, рассматривается возможность использования GEC для прогнозирования возмущений плотности термосферных нейтралов, поскольку первый параметр определяется на регулярной основе, а измерения второго фрагментарны. Хотя орбита Swarm располагается выше уровня, на котором были потеряны спутники Starlink, изменения ρ вдоль орбиты позволяют определить соответствующие колебания в термосфере. Выделены и проанализированы вариации ρ и GEC за 24-часовой период, центрированный на момент запуска. Показано, что статистическое соотношение GEC и ρ можно аппроксимировать линейной функцией. Модель прогноза изменения GEC и ρ в зависимости от фазы солнечного цикла приводит к ожидаемому увеличению их значений соответственно в 2.1 в 3.5 раза в максимуме цикла (ожидается в апреле 2024 г.) по сравнению с моментом запуска S-36.
Во время аварийного запуска S-36 3 февраля 2022 г., который совпал с бурей G1, ионосферные и термосферные условия отличались от условий во время всех других, предыдущих и последующих, запусков Starlink. Для детального сравнения было выбрано конкретное событие, S-77 23 марта 2023 г., совпавшее с сильной магнитной бурей категории G3. Для обоих событий интегральное значение ρ изменяется в соответствии с эволюцией индекса Dst, но пространственные распределения ρ существенно различаются. Для S-36, ρ достигает максимума вблизи экватора в освещенной термосфере и частично в северных высоких широтах. Для S-77 имеются значительная внутриполушарная асимметрия в ρ с доминированием северных высоких широт. Эти пространственные различия отражаются и в GEC. В событии S-36 во время второй интенсификации бури развивается положительное возмущение GEC, а в случае S-77 наблюдается устойчивая отрицательная аномалия GEC.
Таким образом, важны как глобальные величины, так и пространственно-временные распределения нейтральной и ионизированной компонент. Мощность геомагнитной бури не является единственным критерием для оценки риска нештатного торможения при запуске. Эволюция других характеристик космической среды должна учитываться в системе эксплуатации низкоорбитальных КА.