Тысячи спутников Starlink и других низкоорбитальных группировок можно использовать не только для связи и наблюдения за Землёй. Их движение позволяет следить за состоянием верхней атмосферы и даже косвенно оценивать изменения солнечной активности. Астроном и популяризатор науки Тони Филлипс предложил превратить постоянно снижающиеся орбиты аппаратов в своеобразный планетарный барометр.

Идея основана на простом физическом эффекте: даже на высоте нескольких сотен километров атмосфера Земли не заканчивается полностью. Разреженный газ постепенно тормозит спутники, причём сила сопротивления зависит от его плотности. Когда солнечная активность нагревает и расширяет верхние слои атмосферы, торможение усиливается, а орбиты аппаратов начинают снижаться быстрее. Благодаря огромному количеству современных спутников эти изменения можно отслеживать практически в глобальном масштабе.

Атмосфера есть даже там, где летают спутники

На низкой околоземной орбите плотность газа чрезвычайно мала, однако для космических аппаратов его влияние вполне ощутимо.

Каждая встреча спутника с частицами атмосферы отнимает у него небольшую часть энергии. Постепенно аппарат замедляется и начинает терять высоту.

Скорость этого процесса зависит от множества факторов: высоты полёта, плотности окружающего газа, формы и ориентации аппарата, его массы и площади поверхности.

Именно зависимость между плотностью верхней атмосферы и изменением орбиты позволяет использовать спутник в качестве своеобразного датчика.

Нужные данные уже находятся в открытом доступе

Для наблюдений не требуется устанавливать на спутники дополнительное научное оборудование.

В основе метода лежат TLE — Two-Line Element, стандартные наборы параметров, описывающие орбиту космического объекта. Подобные данные регулярно обновляются и позволяют рассчитывать положение спутников.

Особый интерес представляет параметр B*. Он используется в орбитальных моделях и связан с воздействием атмосферного сопротивления на движение аппарата.

Если реальная атмосфера оказывается плотнее, чем предполагает используемая модель, спутник начинает тормозить сильнее ожидаемого. При последующем уточнении параметров орбиты значение B* изменяется, компенсируя возникшее расхождение.

Поэтому динамику этого параметра можно использовать как косвенный показатель происходящих в верхней атмосфере изменений.

Солнце способно буквально «раздувать» атмосферу

Главным источником заметных изменений становится солнечная активность.

Термосфера Земли располагается примерно на высотах от 90 до нескольких сотен километров и крайне чувствительна к поступающей от Солнца энергии.

При усилении ультрафиолетового и экстремального ультрафиолетового излучения верхние слои атмосферы нагреваются. Газ расширяется, а его плотность на высотах движения низкоорбитальных спутников увеличивается.

В результате аппараты сталкиваются с большим количеством частиц и начинают быстрее терять орбитальную энергию.

Получается любопытная цепочка:

активность Солнца → нагрев верхней атмосферы → увеличение её плотности → усиление сопротивления → более быстрое снижение спутников.

Таким образом, изменения орбит могут рассказать о процессах, происходящих одновременно и на Солнце, и в атмосфере нашей планеты.

Атмосфера реагирует на Солнце с задержкой

Филлипс обнаружил связь между изменениями спутниковых орбит и солнечным радиоизлучением на длине волны 10,7 см.

Этот показатель давно используется специалистами для оценки уровня солнечной активности и состояния ионосферы и термосферы.

При этом реакция атмосферы происходит не мгновенно. По наблюдениям исследователя, характерные изменения могут проявляться примерно через два дня после изменения солнечной активности.

Причина заключается в том, что верхним слоям атмосферы требуется время, чтобы нагреться и расшириться.

Получается своеобразная система с задержкой: сначала изменяется активность Солнца, затем перестраивается атмосфера, а уже после этого последствия становятся хорошо заметны по движению спутников.

Геомагнитные бури действуют гораздо резче

Совсем иначе ведёт себя атмосфера во время сильных геомагнитных возмущений.

Потоки энергии, связанные с солнечными выбросами и взаимодействием солнечного ветра с магнитным полем Земли, способны быстро нагревать верхние слои атмосферы.

Плотность газа на высотах спутников при этом может существенно увеличиваться за относительно короткое время. Атмосферное сопротивление возрастает, а низкоорбитальные аппараты начинают быстрее терять высоту.

Подобные процессы имеют вполне практические последствия. В феврале 2022 года геомагнитная буря привела к повышению плотности атмосферы на высоте недавно запущенной группы Starlink. SpaceX тогда сообщила о потере большей части из 49 аппаратов, отправленных одним запуском: повышенное сопротивление не позволило многим из них выйти на рабочие орбиты.

Поэтому понимание поведения термосферы важно не только для фундаментальной науки, но и для эксплуатации огромных спутниковых группировок.

Starlink — далеко не единственный источник информации

Чтобы уменьшить влияние особенностей отдельных аппаратов, исследователь использует данные сразу нескольких крупных спутниковых систем.

В анализ включено около 1000 аппаратов Starlink, а также 107 спутников Planet Labs SuperDove, 391 аппарат Amazon Project Kuiper и 651 спутник Eutelsat OneWeb.

Это особенно полезно из-за различий между их рабочими орбитами.

Аппараты находятся на разных высотах и обладают различными характеристиками, поэтому их реакцию на изменения атмосферы можно сопоставлять. Фактически получается огромная распределённая система наблюдений, охватывающая значительную часть планеты.

И для её создания не пришлось выводить на орбиту ни одного специализированного научного аппарата.

Тысячи спутников превращаются в распределённую метеостанцию

Чем больше объектов участвует в наблюдениях, тем интереснее становится метод.

Один спутник является довольно ненадёжным «датчиком». Он может изменить ориентацию, выполнить коррекцию орбиты или включить двигатель. Любое такое событие способно исказить картину.

Когда же анализируются сотни или тысячи аппаратов одновременно, индивидуальные особенности отдельных спутников начинают играть меньшую роль.

Если схожее изменение скорости снижения наблюдается сразу у большого количества аппаратов, находящихся на сопоставимых высотах, вероятность того, что причиной стала сама атмосфера, значительно возрастает.

Получается своего рода виртуальная метеорологическая сеть в космосе, где роль измерительных приборов выполняют сами спутники.

У метода есть серьёзные ограничения

Полностью заменить специализированные научные инструменты такой подход не сможет.

TLE создавались прежде всего для описания и прогнозирования орбит, а не для непосредственного измерения плотности атмосферы. Параметр B* тоже нельзя рассматривать как обычный датчик плотности воздуха.

Кроме того, необходимо учитывать характеристики каждого космического аппарата.

Спутники регулярно корректируют орбиты двигателями, меняют ориентацию относительно набегающего потока частиц и переходят между различными режимами работы. Всё это влияет на сопротивление атмосферы и способно выглядеть как изменение её плотности.

Поэтому наиболее ценным становится не отдельно взятое измерение, а статистика большого количества аппаратов.

Спутников становится больше — и данных тоже

Массовое развёртывание низкоорбитальных группировок обычно обсуждается с точки зрения спутникового интернета, связи, засорения околоземного пространства и влияния на астрономические наблюдения. Однако огромное количество аппаратов создаёт и совершенно новый источник научных данных.

Их орбиты постоянно реагируют на состояние окружающей среды. Если научиться достаточно точно отделять манёвры и особенности конкретных спутников от атмосферных эффектов, мегасозвездия действительно можно превратить в масштабную систему наблюдения за термосферой.

Такие данные потенциально способны улучшить модели верхней атмосферы, помочь в прогнозировании космической погоды и точнее оценивать, насколько быстро низкоорбитальные аппараты будут терять высоту во время сильных солнечных и геомагнитных событий.

Получается довольно необычный побочный эффект современной космонавтики: тысячи коммерческих спутников, созданных совсем не для научных исследований атмосферы, постепенно превращаются в огромный планетарный измерительный инструмент.