Учёные превратили спутники Starlink в гигантский сканер верхних слоёв атмосферы

Исследователи из Киотского университета разработали новый способ наблюдения за труднодоступными верхними слоями атмосферы Земли. Используя сведения об орбитах приблизительно 1200 спутников Starlink, учёные составили двухмерную карту плотности атмосферы на высоте около 500 километров. В будущем эта технология может повысить точность прогнозирования движения космических аппаратов и уменьшить риск столкновений на всё более загруженной околоземной орбите.

Пространство вокруг нашей планеты быстро заполняется действующими спутниками, отработавшими аппаратами и фрагментами космического мусора. Все эти объекты перемещаются с огромной скоростью, поэтому даже небольшая ошибка при расчёте траектории может иметь серьёзные последствия. Хотя на высоте нескольких сотен километров атмосфера чрезвычайно разрежена, она не исчезает полностью. Частицы газа создают сопротивление и постепенно замедляют спутники, из-за чего высота их орбит снижается. Сила этого воздействия зависит от плотности атмосферы, которая постоянно меняется под влиянием солнечной активности, геомагнитных возмущений, времени суток и других факторов. Для точного определения будущего положения спутника необходимо знать, через какую среду он движется. Однако непосредственно измерять плотность газа на таких высотах сложно. Решить эту проблему учёные предложили с помощью самих спутников Starlink.

Почему термосферу трудно наблюдать

Более 99% вещества в верхней атмосфере представлено электрически нейтральным газом, образующим термосферу. Она простирается приблизительно от 100 до 1000 километров над поверхностью Земли. На этих высотах также находится ионосфера, состоящая из заряженных частиц, однако её доля составляет менее 1%. Наблюдать за ионосферой сравнительно легко, поскольку заряженные частицы воздействуют на радиоволны. Такие изменения можно регистрировать с Земли и со спутников.

Нейтральный газ термосферы не создаёт столь заметного радиосигнала, поэтому получить подробную картину распределения его плотности значительно труднее. Исследователи из Киотского университета объединили методы космической науки и инженерные данные об эксплуатации спутников. Они использовали общедоступную информацию об орбитах аппаратов Starlink и проанализировали, как атмосферное сопротивление влияет на постепенное изменение их траекторий. Каждый спутник в этом случае фактически выполнял роль отдельного датчика. Чем сильнее аппарат замедлялся на определённом участке орбиты, тем большей могла быть плотность окружающего его газа.

Томография атмосферы на высоте 500 километров

Для обработки данных учёные применили принцип томографии — метода, наиболее известного благодаря медицинской визуализации. При компьютерной томографии множество отдельных измерений объединяется для создания изображения внутренней структуры организма. В новом исследовании вместо рентгеновских лучей использовались изменения орбит спутников, а объектом изучения стала земная термосфера. Проанализировав атмосферное сопротивление вокруг примерно 1200 аппаратов, находившихся на высоте 482 километра, исследователи реконструировали распределение плотности нейтрального газа.

В результате они получили двухмерную карту, показывающую изменения плотности термосферы по широте и долготе на высоте около 500 километров. По утверждению авторов, это первый томографический анализ верхней атмосферы такого типа. Результаты сравнили с наблюдениями спутниковой миссии SWARM Европейского космического агентства. Эти аппараты, в частности, регистрируют изменения плотности атмосферы вдоль своих орбит. Обнаруженные закономерности хорошо согласовались с данными SWARM, что подтвердило перспективность нового метода. Ранее эта же группа изучала изменения плотности термосферы во времени и на разных высотах, используя общедоступные двухстрочные наборы орбитальных элементов, известные как TLE. Теперь учёные добавили горизонтальное измерение и смогли показать, как плотность меняется в зависимости от географического положения.

Точное картирование поможет избежать столкновений

Новая технология может иметь большое практическое значение. Неточности в оценке атмосферного сопротивления затрудняют расчёт орбит, особенно во время периодов высокой солнечной активности. Если фактическая плотность термосферы оказывается выше ожидаемой, спутник замедляется быстрее и отклоняется от прогнозируемой траектории. Более подробные карты верхней атмосферы позволят точнее предсказывать положение космических аппаратов и заранее оценивать вероятность их опасного сближения друг с другом или с фрагментами мусора. Это особенно важно на низкой околоземной орбите, где уже находятся тысячи объектов, а количество новых спутников продолжает увеличиваться. В перспективе предложенный подход может обеспечить наблюдение за плотностью термосферы почти в реальном времени.

Большие спутниковые группировки способны превратиться в глобальную измерительную сеть, непрерывно собирающую данные над различными участками планеты. Такой мониторинг также поможет изучать последствия космической погоды. Солнечные вспышки и геомагнитные бури могут нагревать и расширять верхнюю атмосферу, резко увеличивая сопротивление движению спутников. Своевременное обнаружение подобных изменений сделает управление аппаратами более надёжным. Таким образом, спутники Starlink могут оказаться полезны не только для связи. Наблюдая за небольшими изменениями их орбит, учёные получают возможность «увидеть» практически невидимую часть атмосферы и одновременно повысить безопасность околоземного космического пространства.

• Новый катализатор позволит сократить расход платины в водородных топливных элементах на 75%
• Управляемые микротрещины помогли создать сверхмалые пиксели из квантовых точек
• Сверхбыстрые рентгеновские импульсы позволили увидеть химические реакции на уровне отдельных атомов
• Квантовый сенсор поможет искать темную материю
• Смартфоны родителей могут тревожить подростков
• Смартфон сможет измерять пульс при разблокировке: новая технология открывает путь к массовому мониторингу здоровья
• Искривлённый графен показал скрытый «переключатель» сверхпроводимости
• Роботы-гуманоиды идут в школу: в Китае готовят машины к реальной жизни