Исследование влияния космической погоды на полеты воздушных судов
|
СОКРАЩЕНИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 6
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ 9
Солнечные пятна 9
Солнечная активность 11
Число Вольфа 13
Солнечные вспышки 15
Корональные выбросы масс 22
Солнечный ветер 25
Космические лучи 28
Магнитосфера и радиационный пояс Земли 31
Геомагнитные бури и суббури 36
Индексы геомагнитной активности 38
Ионосфера 47
ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА ПОЛЕТЫ 54
ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Магнитные бури в истории человечества 54
Нормативные документы о космической погоде 60
Глобальные консультативные центры космической 62
погоды
Мониторинг космической погоды 70
Влияние явлений космической погоды на радиосвязь 78
Влияние явлений космической погоды на спутниковую 81
навигацию
Влияние явлений космической погоды на радиацию 85
Информация о космической погоде для авиационных 93
пользователей
Примеры консультативных сообщений 97
3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА 101
ПОЛЕТЫ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
3.1. Исследование 25 солнечного цикла на основе архива 101
сообщений о космической погоде за сентябрь 2020 -
январь 2023 гг.
3.2. Исследование влияния космической погоды на 112
высокочастотную связь на основе консультативных сообщений за 04 ноября 2021 г.
3.3. Исследование влияния космической погоды на 122
спутниковое позиционирование на основе консультативных сообщений за 11-12 октября 2021 г.
3.4. Исследование влияния космической погоды на 131
радиационную обстановку на основе архива сообщений о космической погоде за сентябрь 2020 - январь 2023 гг. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 144
ВВЕДЕНИЕ 6
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ 9
Солнечные пятна 9
Солнечная активность 11
Число Вольфа 13
Солнечные вспышки 15
Корональные выбросы масс 22
Солнечный ветер 25
Космические лучи 28
Магнитосфера и радиационный пояс Земли 31
Геомагнитные бури и суббури 36
Индексы геомагнитной активности 38
Ионосфера 47
ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА ПОЛЕТЫ 54
ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Магнитные бури в истории человечества 54
Нормативные документы о космической погоде 60
Глобальные консультативные центры космической 62
погоды
Мониторинг космической погоды 70
Влияние явлений космической погоды на радиосвязь 78
Влияние явлений космической погоды на спутниковую 81
навигацию
Влияние явлений космической погоды на радиацию 85
Информация о космической погоде для авиационных 93
пользователей
Примеры консультативных сообщений 97
3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА 101
ПОЛЕТЫ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
3.1. Исследование 25 солнечного цикла на основе архива 101
сообщений о космической погоде за сентябрь 2020 -
январь 2023 гг.
3.2. Исследование влияния космической погоды на 112
высокочастотную связь на основе консультативных сообщений за 04 ноября 2021 г.
3.3. Исследование влияния космической погоды на 122
спутниковое позиционирование на основе консультативных сообщений за 11-12 октября 2021 г.
3.4. Исследование влияния космической погоды на 131
радиационную обстановку на основе архива сообщений о космической погоде за сентябрь 2020 - январь 2023 гг. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 144
Космическая погода — это совокупность различных физических процессов и явлений, которые возникают на поверхности Солнца, в межпланетном и околоземном космическом пространстве, а также в магнитосфере, ионосфере и верхних слоях атмосферы Земли. Термин «космическая погода» относительно новый и используется в широком употреблении в научно-исследовательской литературе начиная с 1990-х годов. Космическая погода оказывает колоссальное влияние на функционирование всевозможных технических устройств и систем, привычных в повседневной жизни человека: это и системы навигации и связи, электроэнергетика, радиационная безопасность экипажа и пассажиров воздушных судов и прочее.
Опасные гелиогеофизические явления (ОГЯ), которые и являются основным источником угрозы для полетов воздушных судов, появляются из- за солнечных вспышек, корональных выбросов масс и солнечного ветра. Взаимодействуя с магнитосферой Земли, перечисленные явления вызывают возмущения, более знакомые нам как суббури и магнитные бури. Чаще всего влияние солнечной активности на нашу планету не видно невооруженным глазом, однако есть исключение — это полярные сияния.
Возмущения космической погоды опасны не только для спутниковых аппаратов в околоземном пространстве, но и для полетов воздушных судов в тропосфере. Геомагнитные бури и суббури нарушают спутниковую навигацию и мешают корректному определению местоположения самолета в пространстве, способны привести к частичному или даже полному отсутствию высокочастотной связи, что особенно важно при трансполярных и трансокеанических перелетах. Помимо вышеперечисленного, непрерывные потоки плазмы, исходящие от Солнца, а также солнечные и галактические космические лучи несут вред для здоровья экипажа и пассажиров воздушных судов из-за повышения допустимого уровня радиации на высотах.
Целью работы является исследование элементов космической погоды как опасного для полетов авиации явления, ее влияние на воздушное судно, способны прогнозирования и предупреждения опасных гелиогеофизических событий.
Поставленная цель решалась с помощью следующих задач:
1. собрать базу данных консультативных сообщений о космической погоде за период сентябрь 2020 - январь 2023 гг;
2. определить повторяемость опасных гелиогеофизических явлений по случаям и зонам их возникновения;
3. провести анализ взаимосвязи и целесообразности выпуска консультативных сообщений и активности Солнца за двадцать пятый солнечный цикл;
4. проанализировать влияние солнечной активности на ионосферу и высокочастотную связь на примере геомагнитной бури и консультативных сообщений за 3-4 ноября 2021 года;
5. проанализировать влияние солнечной активности на спутниковое позиционирование систем GPS и ГЛОНАСС на примере геомагнитных возмущений и консультативных сообщений за 11-12 октября 2021 года;
6. проанализировать влияние солнечной активности на радиационную обстановку 12 октября 2021 года на основании метода расчета от ИНГ им. Фёдорова;
7. сравнить изменения уровня дозы радиации в зависимости от высоты полета, широты маршрута и солнечной активности.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, заключения и трех глав.
В первой главе рассматриваются теоретические основы солнечной активности: причины ее возникновения, опасные гелиогеофизические
явления, влияние солнечной активности на магнитосферу и ионосферу, геомагнитные бури и суббури как явления, возникающие в околоземном пространстве и в верхней атмосфере, а также методы их прогнозирования и индексы геомагнитного возмущения.
Во второй главе рассматриваются способы донесения информации о возмущениях космической погоды для авиационных пользователей, консультативные центры космической погоды, влияние солнечной активности на высокочастотную связь, спутниковую навигацию и радиационную обстановку, а также приводятся примеры консультативных сообщений с их дальнейшей расшифровкой.
В третьей главе проводится анализ полученных консультативных сообщений за период сентябрь 2020 - январь 2023 гг. и влияние возмущений космической погоды на высокочастотную связь, спутниковую навигацию и уровень радиации в атмосфере.
Опасные гелиогеофизические явления (ОГЯ), которые и являются основным источником угрозы для полетов воздушных судов, появляются из- за солнечных вспышек, корональных выбросов масс и солнечного ветра. Взаимодействуя с магнитосферой Земли, перечисленные явления вызывают возмущения, более знакомые нам как суббури и магнитные бури. Чаще всего влияние солнечной активности на нашу планету не видно невооруженным глазом, однако есть исключение — это полярные сияния.
Возмущения космической погоды опасны не только для спутниковых аппаратов в околоземном пространстве, но и для полетов воздушных судов в тропосфере. Геомагнитные бури и суббури нарушают спутниковую навигацию и мешают корректному определению местоположения самолета в пространстве, способны привести к частичному или даже полному отсутствию высокочастотной связи, что особенно важно при трансполярных и трансокеанических перелетах. Помимо вышеперечисленного, непрерывные потоки плазмы, исходящие от Солнца, а также солнечные и галактические космические лучи несут вред для здоровья экипажа и пассажиров воздушных судов из-за повышения допустимого уровня радиации на высотах.
Целью работы является исследование элементов космической погоды как опасного для полетов авиации явления, ее влияние на воздушное судно, способны прогнозирования и предупреждения опасных гелиогеофизических событий.
Поставленная цель решалась с помощью следующих задач:
1. собрать базу данных консультативных сообщений о космической погоде за период сентябрь 2020 - январь 2023 гг;
2. определить повторяемость опасных гелиогеофизических явлений по случаям и зонам их возникновения;
3. провести анализ взаимосвязи и целесообразности выпуска консультативных сообщений и активности Солнца за двадцать пятый солнечный цикл;
4. проанализировать влияние солнечной активности на ионосферу и высокочастотную связь на примере геомагнитной бури и консультативных сообщений за 3-4 ноября 2021 года;
5. проанализировать влияние солнечной активности на спутниковое позиционирование систем GPS и ГЛОНАСС на примере геомагнитных возмущений и консультативных сообщений за 11-12 октября 2021 года;
6. проанализировать влияние солнечной активности на радиационную обстановку 12 октября 2021 года на основании метода расчета от ИНГ им. Фёдорова;
7. сравнить изменения уровня дозы радиации в зависимости от высоты полета, широты маршрута и солнечной активности.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, заключения и трех глав.
В первой главе рассматриваются теоретические основы солнечной активности: причины ее возникновения, опасные гелиогеофизические
явления, влияние солнечной активности на магнитосферу и ионосферу, геомагнитные бури и суббури как явления, возникающие в околоземном пространстве и в верхней атмосфере, а также методы их прогнозирования и индексы геомагнитного возмущения.
Во второй главе рассматриваются способы донесения информации о возмущениях космической погоды для авиационных пользователей, консультативные центры космической погоды, влияние солнечной активности на высокочастотную связь, спутниковую навигацию и радиационную обстановку, а также приводятся примеры консультативных сообщений с их дальнейшей расшифровкой.
В третьей главе проводится анализ полученных консультативных сообщений за период сентябрь 2020 - январь 2023 гг. и влияние возмущений космической погоды на высокочастотную связь, спутниковую навигацию и уровень радиации в атмосфере.
В начале выпускной квалификационной работы была поставлена цель: исследовать элементы космической погоды как опасного для полетов авиации явления, ее влияние на воздушное судно, способны прогнозирования и предупреждения опасных гелиогеофизических событий.
Были сделаны следующие выводы:
1) За период сентябрь 2020 - январь 2023 гг. зафиксировалось 92 консультативных сообщения. Архив сообщений является не полным из-за труднодоступности SWX;
2) Чаще всего консультативные сообщения выпускались с сентября по январь, реже всего — с февраля по август;
3) Чаще всего консультативные сообщения выпускались на умеренное ухудшение высокочастотной связи (34%). Сообщения о разной степени ухудшении спутниковой навигации занимают практически равные проценты (умеренное 27%; сильное 26%). Реже всего выпускались сообщения на сильные ухудшения высокочастотной связи. За период сентябрь 2020 - январь 2023 не было выпущено ни одного сообщения о повышенной радиационной опасности;
4) Чаще всего консультативные сообщения выпускались по северному полушарию (62%), по южному полушарию 38%;
5) Чаще всего консультативные сообщения выпускались по высоким широтам (40%), с незначительной разницей в процентах сообщения выпускались по экваториальным (30%) и средним (28%) широтам;
6) Текущий двадцать пятый солнечный цикл начался в 2020 году, его активность будет возрастать вплоть до конца 2025 года;
7) В двадцать пятом солнечном цикле наблюдалось 2074 солнечных пятна, 657 солнечных бурь класса C, 36 солнечных бурь класса M, 2 солнечных бури X-класса. В текущем 2023 году прогнозируется 136 солнечных пятна, 224 бури класса C, 39 бурь класса M, 3 бури класса X;
8) В двадцать пятом солнечном цикле наблюдалось 77 геомагнитных бурь Gl-класса, 13 бурь О2-класса, 3 бури О3-класса, 1 буря О4-класса (в 2021 году). Бурь класса G5 не наблюдалось;
9) Было доказано, что в дни, когда планетарные индексы Kp и Ap были больше 4 и 50 соответственно, были обосновано выпущены консультативные сообщения;
10) 3-4 ноября 2021 года были обоснованно выпущены консультативные сообщения на ухудшение высокочастотной связи в полярных шапках, затем по всему северному полушарию, что было связано с мощными солнечными вспышками и сильной геомагнитной бурей, что подтвердилось моделью ионосферы GAMBIT;
11) 11-12 октября 2021 года были обосновано выпущены консультативные сообщения на ухудшение спутниковой навигации в некоторых регионах северного полушария, что было подтверждено данными с приемника Septentrio PolaRx5, установленного в Апатитах;
12) На основании метода расчета от ИНГ им. Фёдорова было доказано, что уровень радиации возрастает с высотой, а также по мере движения с экватора к полярным шапках. Кроме того, чем сильнее солнечная активность, тем выше опасность уровня радиации.
Были сделаны следующие выводы:
1) За период сентябрь 2020 - январь 2023 гг. зафиксировалось 92 консультативных сообщения. Архив сообщений является не полным из-за труднодоступности SWX;
2) Чаще всего консультативные сообщения выпускались с сентября по январь, реже всего — с февраля по август;
3) Чаще всего консультативные сообщения выпускались на умеренное ухудшение высокочастотной связи (34%). Сообщения о разной степени ухудшении спутниковой навигации занимают практически равные проценты (умеренное 27%; сильное 26%). Реже всего выпускались сообщения на сильные ухудшения высокочастотной связи. За период сентябрь 2020 - январь 2023 не было выпущено ни одного сообщения о повышенной радиационной опасности;
4) Чаще всего консультативные сообщения выпускались по северному полушарию (62%), по южному полушарию 38%;
5) Чаще всего консультативные сообщения выпускались по высоким широтам (40%), с незначительной разницей в процентах сообщения выпускались по экваториальным (30%) и средним (28%) широтам;
6) Текущий двадцать пятый солнечный цикл начался в 2020 году, его активность будет возрастать вплоть до конца 2025 года;
7) В двадцать пятом солнечном цикле наблюдалось 2074 солнечных пятна, 657 солнечных бурь класса C, 36 солнечных бурь класса M, 2 солнечных бури X-класса. В текущем 2023 году прогнозируется 136 солнечных пятна, 224 бури класса C, 39 бурь класса M, 3 бури класса X;
8) В двадцать пятом солнечном цикле наблюдалось 77 геомагнитных бурь Gl-класса, 13 бурь О2-класса, 3 бури О3-класса, 1 буря О4-класса (в 2021 году). Бурь класса G5 не наблюдалось;
9) Было доказано, что в дни, когда планетарные индексы Kp и Ap были больше 4 и 50 соответственно, были обосновано выпущены консультативные сообщения;
10) 3-4 ноября 2021 года были обоснованно выпущены консультативные сообщения на ухудшение высокочастотной связи в полярных шапках, затем по всему северному полушарию, что было связано с мощными солнечными вспышками и сильной геомагнитной бурей, что подтвердилось моделью ионосферы GAMBIT;
11) 11-12 октября 2021 года были обосновано выпущены консультативные сообщения на ухудшение спутниковой навигации в некоторых регионах северного полушария, что было подтверждено данными с приемника Septentrio PolaRx5, установленного в Апатитах;
12) На основании метода расчета от ИНГ им. Фёдорова было доказано, что уровень радиации возрастает с высотой, а также по мере движения с экватора к полярным шапках. Кроме того, чем сильнее солнечная активность, тем выше опасность уровня радиации.