Основы космофизики

Jan 27, 1967
Jan 28, 1986
Feb 1, 2003
Apollo 1
Challenger
Columbia
SPACE TRAGEDIES

LOCV
Loss Of Vehicle and Crew
January 28, 1986
NASA
(1986) :
1
in 100,000
R.P. Feynman (1986):
1
in
200
Challenger

«For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.»
Richard P. Feynman

«For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.»
Richard P. Feynman

LOCV
Loss Of Vehicle and Crew
Today (2001, empirical):
1
in
57
In fact, today, the empirical LOCV rate is 1 in 57.

Физические условия
в космосе
невесомость, гравитационные поля;
глубокий вакуум;
метеорные потоки, космический мусор;
тепловые потки;
электромагнитное и корпускулярное излучение, магнитные поля, плазма;
…

Физические условия
в космосе
невесомость, гравитационные поля;
глубокий вакуум;
метеорные потоки, космический мусор;
тепловые потки;
электромагнитное и корпускулярное излучение, магнитные поля, плазма;
…

Сергей Вернов
Ноябрь 1957
Сергей Королев
J.Van Allen
February,
1958
Explorer-I

Ионизирующая радиация –
из космоса ???
Victor Franz Hess
balloon flight, 1912

Внеземное происхождение, хим. состав (a-частицы, энергичные электроны, протоны, нейтроны, γ-кванты).
Robert Andrews
Millikan

Широкие атмосферные ливни (ШАЛ)
Bruno Benedetto Rossi, 1934:
Два независимых счетчика Гейгера регистрировали заряженные частицы одновременно
Pierre Victor Auger, 1937:
тот же результат на расстоянии 100 м. Вывод: ливень частиц появляется от первичной частицы сверхвысокой энергии, входящей в атмосферу Земли

Pierre Auger (Argentina)
1600 detectors, 3 000 sq.km
TUNKA-133 (Baikal, Russia)
133 optic detectors, 1 sq. km

Auger detector
Из презентации Г.А.Шелкова (ОИЯИ, г. Дубна)

TUNKA-133

Atmospheric measurements (Antarctida)

Космическая погода
Характеризует состояние околоземного космического пространства (в целом или в конкретной области) на характерных временных масштабах от нескольких секунд до отдельных суток.

Основные составляющие космической погоды
магнитосфера Земли;
межпланетное магнитное поле и солнечный ветер; потоки заряженных частиц различных энергий:
в окрестностях Земли, но вне её магнитосферы,
в различных областях в пределах магнитосферы Земли
…

Космическая погода включает
Ионизирующая радиация
Галактические космические лучи (ГКЛ)
до 1019 эВ
Солнечные космические лучи (СКЛ)
до 109 эВ
Радиационные пояса Земли (РПЗ)
электроны до 107 эВ,
протоны и ионы до 0.5*109 эВ
Гамма и рентгеновское излучение
Гелиосферная плазма и магнитные поля (вкл. солнечный ветер)

Космическая погода влияет на
Геомагнитные эффекты
Магнитные бури
Суббури
Геоиндуцированные электрические токи
Электрические токи в магнитосфере и ионосфере;
Вариации магнитного и электрического полей Земли

Космическая погода влияет на
Состояние ионосферы и распространение радиоволн;
Характеристики верхней атмосферы;
Биологические эффекты;
Геофизические условия (включая теллурические токи), погоду и климатические условия на Земле.

Галактические
космические
лучи (ГКЛ)
Энергия:
до 1019 эВ (~10 Дж);
Химический состав:
все элементы, в основном водород;
пространственное распределение изотропное

Солнечные космические лучи
(СКЛ)
Ускоренные частицы солнечного вещества появляются в результате локальных взрывных процессов в солнечных активных областях и ускоряются в процессе распространения в межпланетном пространстве.
Энергия до 109 эВ

Космические лучи
Галлактические
Солненчые
Взрывы сверновых
Ускоряются магнитными полями
Ядерные реакции в солнечном ядре
Солнечная активности

Радиационные пояса Земли
электроны до 107 эВ, протоны о ионы до 0.5*109 эВ
7 REARTH
Внетренний РП (p)
Внешний РП (e)

1 – Outer RB (up to 40 000 km).
2 – Inner RB (up to 30 000 km).
3 – Lines of magnetic force.
4– Third RB formed from ExtraGalactic CR.
Earth Radiation Belts
(Vernov - van Allen Belts)

РПЗ
(пояса Вернова – ван Аллена)

Earth Radiation Belts (Vernov - van Allen Belts)
Larmor magnetic precession of particles (e & p)

Earth Radiation Belts
(Vernov - van Allen Belts)

Solar wind (H)
Solar
energetic
particles
Galactic and extragalactic
cosmic rays (H)
lg E (eV/nucl)
3
9
12
10
-10
0
lg I
1 MeVn
6
1 GeVn
1 TeVn
1keV/n
Radiation belts

ЧТО
защищает нас на Земле?

ЧТО
защищает нас на Земле?
Магнитосфера
и атмосфера
Земли

Магнитосфера Земли
Область ОКП, условия в которой определяются наличием геомагнитного поля: балансом динамического давления солнечного ветра и геомагнитного поля.
Граница магнитосферы: 10-13 R⊕ на дневной стороне и 103 R⊕ на ночной (хвост магнитосферы), диаметр ≈40 R⊕.

Каковы источники:
- солнечных космических лучей;
- изменений геомагнитного поля;
- модуляции галлактических космических лучей ???

Что вызывает изменения космической погоды?

Что вызывает изменения космической погоды?
СОЛНЦЕ
и
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

Корональные выбросы массы (КВМ, CME) – струи и облака солнечной плазмы, движущиеся со скоростью до 1000 км/с и обычно наблюдаемые плсде мощных солнечных вспышек

Forbush-effect
Уменьшение потока ГКЛ в результате увеличения рассеяния (отклонения) ГКЛ на неоднородностях ММП, уносимого солнечным ветром от Солнца

Solar plasma flow influences the Earth magnetosphere.
Simultaneously, the intensity of GCR decreases.
Forbush-effect

Solar constant: 1367 Wt/m2
Radius of 1 a.u.: 1.5*1011 m
Total solar energy emission: 3.84*1026 Wt
Solar radius: 6.96*108 m
Solar nucleus radius (0.2 solar radius): 1.39*108 m
Solar nucleus volume: 1.13*1025 m3
Average energy emission
of 1 m3 of the solar nucleus matter: 34.10 Wt/m3

Galileo Galilei (1564 – 1642)

Sunspot group sketches by Galileo (Aug, 1611)

The relative number of sunspots –
Wolf number
is the main index of solar activity
f – number of individual sunspots observed by particular observer,
g – number of sunspot groups in which the sunspots are grouped,
k – the standardizing coefficient for unification of particular observers observations
W=k(f + 10g)

The relative number of sunspots –
Wolf number
is the main index of solar activity
f – number of individual sunspots observed by particular observer,
g – number of sunspot groups in which the sunspots are grouped,
k – the standardizing coefficient for unification of particular observers observations
W=k(f + 10g)
Looks strange?
But long!
(since 1749)

Solar activity cyclicity

Typical structure of solar cycle

Solar activity and Aurora borealis

Wolf numbers for Solar activity.
Number of traffic accidents per 100 auto all around Japan.
Number of traffic accidents per 100 auto for Tokyo city only.
Solar activity and traffic accidents

Solar activity
and Earth temperature variations

Solar activity and fish catch
Left panel – comparison of annual herring catches in the Norwegian Sea (black dots, left scale) with Kp index of geomagnetic activity (open circles, right scale).
Right panel – comparison of catches of crabs on USA west coast (dotted line, left scale) and Wolf numbers (W, solid line, right scale). Years are on the x-axis.

photosphere
chromosphere
corona
Magnetic field inhomogeneities
are manifested in all levels of the atmosphere

Solar flares and Coronal Mass Ejections

Limb flares and CME

SUN
Electromagnetic radiation:
radio, visible light,
UV, UF, X-ray, etc.
Corpuscular radiation:
solar wind, cosmic rays
(after flares)
Interplanetary media
Neutral atmosphere
Ionosphere
Geomagnetic field
Meteorological effects
Biological effects
Inside Earth processes

Solar system celestial bodies magnetic fields

Mars magnetic field
No global magnetic field (dipole) that could protect the planet from the solar wind.
However, there are localized areas with strong magnetic fields
(data obtained by the magnetometer Orbiter Mars Global Surveyor, 1999-2006)

Spacecraft effects of space radiation
One of the main cause of the spacecraft systems failures is the exposure to cosmic radiation. The radiation conditions in space are determined by a combination of charged particles and photons flows (energy range ~103–1021 eV).
Reversible and irreversible effects appear as a result of radiation influence on materials and equipment :
due to the total absorbed dose of cosmic radiation (in some cases, should be seen as effects related to the absorbed dose rate);
caused by hitting the hardware elements of single charged particles.
Dose effects are manifisted in a gradual degradation of materials.
The effects caused by individualcharged particles are dangerous first of all for the elements of modern microelectronics, and occur immediately after exposure.

Spacecraft interaction with environment

What for
would man fly
to Moon, Mars, etc.
? ? ?

«For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.»
Richard P. Feynman

Outer space factors

Структура материалов до и после воздействия атомарного кислорода

Плазменная струя и исследуемый образец
в вакуумной камере
Струя плазмы, выходящая из ускорителя, фокусируется на поверхность исследуемого образца. Свечение струи зависит от состава и степени ионизации плазмы
Исследуемый образец крепится на специальном держателе, обеспечивающем возможность его вращения в разных плоскостях и термостатирование

Характер повреждений тонкопленочного покрытия под действием атомарного кислорода
The oxygen plasma processing causes the substrate film etching under defect of protection and microcracks formation in silica layer. 200 micron field
of vision

Образование кратеров в пластичных мишенях
Формирование кратера, выброс плазмы и электромагнитное излучение из зоны удара
Глубина кратера – H
Диаметр частицы – d
Плотность материала частицы - rЧ
Кратер в металлическом образце
от удара космической частицы

Кратеры в элементах солнечной батареи, возвращенной из космоса

Кратеры в хрупких материалах
Удары частиц Ti (d~0,5-1,5 мкм; v~4-6 км/c) по пластинам Ge
Кратер в стекле от удара частицы Al с v~8 км/c
Глубина кратера
d – диаметр частицы,

Результат лабораторных испытаний трехслойного экрана

Разрушение мишеней при ударах
массивных частиц
Схема и результат испытаний многослойного защитного экрана
Кратеры в толстой мишени из полиметилметакрилата

Локализация сбоев в работе электронного оборудования низкоорбитального КА
Локализация сбоев в области Южно-Атлантической магнитной аномалии и высокоширотных зонах проникновения частиц РПЗ
Пространственное распределение потока
частиц РПЗ на высоте
орбиты КА (700 км)

Объемный заряд в диэлектриках
Фигуры разрядных каналов в стеклянных образцах, облученных электронами высокой энергии: а – при самопроизвольном возникновении разряда; б – при инициировании локальных разрядов ударами высокоскоростных твердых частиц
Структура разрядного канала в стекле, облученном протонами с энергией 100 МэВ: канал выходит на нижнюю облучавшуюся плоскость образца; в верхней части рисунка видна воронкообразная область, через которую заряд при пробое стекает в канал
а
б