С.А. Черноус¹,Ю.В. Платов², В.В. Алпатов³ и М.В..Успенский⁴

1 - Полярный геофизический институт КНЦ РАН, 184209, Апатиты, Россия
2 - Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, 142190,
Троицк, Московская область, Россия
3 - Институт прикладной геофизики им. Федорова, 129128 Москва, Россия
4 Финский метеорологический институт, P.O. Box 503, FIN-00101, Хельсинки, Финляндия

В статье кратко обсуждаются оптические феномены, вызванные ракетными выбросами в верхнюю атмосферу.

Более полную версию можно найти на сайте журнала. Наиболее интенсивные, крупномасштабные и динамические явления обусловлены специальными режимами работы ракетных двигателей. Это, в первую очередь, разделение ракетных ступеней и выключение твердотопливных двигателей. Их оптические признаки зависят как от технических параметров этих двигателей, так и от физических условий в верхних слоях атмосферы. Архивные и текущие наземные данные, собранные любителями и накопленные в обсерваториях Северной Европы, в частности, в Полярном геофизическом институте КНЦ РАН, могут быть использованы, как результаты косвенных активных экспериментов в исследованиях верхней атмосферы. Запуски мощных и легких ракет сопровождаются инжекцией в атмосферу продуктов сгорания, имеющих сложный состав. Эти продукты содержат, как газообразные, так и жидкие и твердые дисперсные компоненты, которые развиваются как газопылевые облака с определенными геометрическими и динамическими характеристиками. Такие искусственные облака в верхних слоях атмосферы могут создавать необычные оптические явления, обусловленные рассеянием солнечного света на ракетных выбросах. Другой важной особенностью является взаимодействие газово-пылевой смеси остатков топлива с компонентами верхней атмосферы, которое может обусловить рассеяние солнечного света на новых компонентах, образовавшихся при этом взаимодействии в верхней атмосфере.

Наблюдения и исследования этих атмосферных явлений позволяют собирать информацию об антропогенных загрязнениях околоземного космического пространства и эволюции этих космических образований.

Освещенные солнечным светом образования могут визуализировать динамические процессы в верхних слоях атмосферы. Часть таких наблюдений являются побочным продуктом ракетных пусков, проведенных на полигоне в районе Плесецка, Архангельской области, и в Белом и Баренцевом морях. Однако в связи с недостатком информации у случайных наблюдателей, искусственные облака часто попадали в их поле зрения внезапно. Это также было препятствием для проведения специальных наблюдений, хотя оптические явления регистрировались приборами для мониторинга полярных сияний, в частности, камерами полного обзора неба в Северной Скандинавии и на Кольском полуострове в течение нескольких предыдущих десятилетий. Оптические эффекты работающего ракетного двигателя можно увидеть, как следы, оставленные расширяющимся факелом выбросов ракеты, движущейся в атмосфере. Наиболее интенсивные и захватывающие вспышки яркости обусловлены специальными режимами работы ракетных двигателей, например, разделением ступеней ракеты или выключением твердотопливных ракетных двигателей.

В ряде статей уже описаны типичные примеры искусственных образований, напоминающих по внешнему виду атмосферные облака или полярные сияния, и обсуждены их общие черты, внешний вид, визуальные свойства и физические механизмы формирования.

На космодроме Плесецк, который вступил в действие в 1966 году, к настоящему времени произведено несколько тысяч запусков ракет.

Многие из них можно найти в базе данных космических запусков в России с 1957 года. Кроме того, районы Баренцева и Белого морей являются полигоном для запуска морских ракет. Для любого запуска, если земной наблюдатель (или наземные оптические инструменты) находятся в тени, а траектория ракеты освещается солнцем на высоте более сотни километров над уровнем моря, продукты сгорания создают условия для рассеивания солнечного света. Захватывающая большой участок небосвода светимость видна над обширной территорией. Например, так называемое "Петрозаводское чудо", рассмотренное далее, наблюдалось одновременно в Архангельской области и Карелии, на Кольском полуострове и в Финляндии. Много лет патрульные наземные наблюдения проводились фотографическими камерами полного обзора неба на сети станций. Кроме этого, спектрографы, спектрометры, фотометры, а затем и сверхчувствительные телевизионные установки и ПЗС камеры для наблюдения полярных сияний были использованы для сбора данных наблюдений этих искусственных «полярно-сиянных» явлений. Ряд интересных фотографий были получены и представлены фотографами-любителями.

Можно выделить два вида оптических эффектов продуктов сгорания в атмосфере, связанных с типом ракетных двигателей

а) Эффекты жидкостных ракетных двигателей. На рисунке 1 показаны фотографии всего неба, сделанные через 1 минуту (время идет сверху вниз), полученные в обсерваториях Архангельска (64,54 N, 40,54 E), Лопарской (68,63 N, 33,20 E) и Соданкюля (67,75 N , 27.00 E). Это пятиминутное событие иллюстрирует быстрое развитие искусственного светящегося облака, которое похоже на медузу. Камера всего неба в Архангельской обсерватории (левая колонка на рис. 2) даже успела снять светимость факела во втором кадре в 01.04 мирового времени (UT) или 04.04 московского времени (МСК) над Архангельском и его быстрое развитие в последующий интервал. На Архангельской камере всего неба в это время не было отмечено никакой активности полярных сияний. Расчетная высота облака свечения была чуть более 200 км. Камера всего неба обсерватории Лопарская (центральная колонка на рис. 2) показывает яркую область свечения с резкой границей в юго-восточной части неба в 04.05 МСК (01.05 UT) и ее западный край находится восточнее зенита в 04. 07 МСК.

Рис. 1. 20 сентября 1977: Последовательность фотографий, полученных в Архангельске, Лопарской и Соданкюля с помощью камер полного неба после ракетного запуска искусственного спутника Земли «Космос 955» с космодрома Плесецк. В 0404-0408 МСК свечение выхлопных продуктов ракеты видели многочисленные наблюдатели в Петрозаводске, Карелии и даже в Ленинградской области. В 1977 году он был назван в средствах массовой информации, как "Петрозаводское чудо".

Одновременная активность полярных сияний хорошо видна в первом и втором кадрах, где две дуги полярных сияний были вытянуты с востока на запад вблизи местного зенита. Второй кадр (аналогично второму кадру Лопарской) показывает яркое пятно свечения у восточного края изображения. Следующий кадр, показывающий развитие облака в виде «медузы», сопровождается лучистой структурой расширяющегося светящегося облака (04.08 МСК). Следует заметить, что полярные сияния и светящееся облако продуктов сгорания развивались независимо друг от друга и были отчетливо видны наземным наблюдателям, находящимся в условиях сумерек. Особенностью этого случая было такое высокое значение яркости за счет рассеяния солнечного света на выброшенных продуктах сгорания, что светящееся облако было видно даже из Ленинграда (Санкт-Петербурга) и Эстонии на расстоянии около 1000 км и более. Размер этого светящегося облака был ~ 100-1000 км на высотах 100-700 км, соответственно.

б) Эффекты ракетных двигатели твердого топлива. В качестве примера, на рисунке 2 показано развитие газопылевого свечения на высотах ~100-150 км при запуске ракеты, запущенной из акватории Белого моря.

Другим примером может служить образование спирали и бирюзового облака в случае испытательного запуска ракеты «Булава» 9 декабря 2009 года, которое хорошо наблюдалось в Северной Норвегии и даже получило в средствах массовой информации название «Норвежской спирали»

Рис. 2. Деформированный ветрами бирюзовый след полета ракеты при наблюдениях с Кольского полуострова. Рисунок иллюстрирует динамические и морфологические особенности искусственных светящегося облаков в верхних слоях атмосферы при запусках ракет.

Все прямые активные эксперименты с искусственной инжекцией вещества с помощью ракет в атмосферу, и последующим изучением эволюции светящихся облаков, как метод, очень похожи на исследования облаков свечения, создаваемых продуктами сгорания при любом запуске ракеты. Примеры такого сходства неоднократно обсуждались. Вряд ли стоит упускать возможность использовать архивные данные запусков ракет, как доказательства, получаемые косвенными активными экспериментами в верхней атмосфере.

Для изучения верхних слоев атмосферы с помощью рассеяния солнечного света на продуктах сгорания ракетного топлива можно использовать существующие оптические (и другие) данные наземных наблюдений ракетных пусков, собранных в Финляндии, Швеции и Норвегии в течение последних нескольких десятилетий. Эта тема открыта для будущих исследований. Авторы, в первую очередь, предполагают решение следующих задач.

а) Измерение температуры в верхних слоях атмосферы

Бирюзовые (сине-зелёные) облака наблюдаются во время ракетных запусков. И точно такие же бирюзовые или сине-зеленые облака наблюдаются после искусственного выброса триметилалюминия. Обе эти разновидности искусственных облаков объединены тем, что они появляются в результате резонансного рассеяния солнечного излучения на молекулах моноокиси алюминия (AlO), которые образовались в результате реакций остатков топлива с атмосферой. В прямых активных экспериментах, геофизическая ракета доставляет полезную нагрузку в виде контейнера с веществом на нужную высоту, где она взрывается. (Температура верхней атмосферы может быть рассчитана из наземных оптических наблюдений спектра облака свечения, возникшего после инжекции вещества в атмосферу). В случае использования ракетных двигателей твердого топлива, температуру атмосферы можно было бы оценивать не только на фиксированной высоте, но и вдоль всего участка траектории, где произошел выброс и генерация AlO.

б) Химические реакции продуктов сгорания с компонентами верхней атмосферы

Запуски ракет с Российских полигонов и запуски ракет в многочисленных геофизических экспериментах в США, Европе и СССР сопровождаются инжекцией различных химических компонентов, таких как NH4Cl04, NOClO4, Al,, Na, Ba и других, а также их соединений в верхнюю атмосферу. Измерения интенсивности спектральных линий могут быть использованы для оценки скорости испарения этих компонентов. Сравнение спектров известных компонентов при преднамеренных выбросах химического вещества с борта ракеты со спектрами продуктов сгорания ракетного двигателя дает возможность оценить скорости химических реакций в верхней атмосфере.

Известные сечения возбуждения вещества ультрафиолетовым излучением могут быть использованы для оценки массы выброса исследуемых химических компонентов.

в) Динамика светящихся образований в верхней атмосфере

По измерениям пространственной динамики светящегося облака с земной поверхности можно рассчитать скорость нейтрального ветра на высотах, доступных только ракетным измерениям. Изменения конфигурации облака, наблюдаемые с нескольких точек, позволяют восстановить пространственную структуру нейтрального ветра. В случае специального создания искусственных облаков, динамику их структуры можно увидеть только в области высот выброса облака. Оценки диффузии и сублимации в инжектированном облаке продуктов сгорания тоже возможны не только на определенной высоте, но и вдоль траектории ракеты. Эти идеи изучения атмосферных ветров на высотах 80-110 км неожиданно нашли поддержку в эксперименте, реализованном США 27 марта 2012. Пять ракет NASA Atrex были запущены одна за другой в верхнюю атмосферу для измерения ветров на больших высотах с помощью инжекции триметилалюминия.

г) Акусто-гравитационные волны (АГВ)

Активность акусто-гравитационных волн верхних слоях атмосферы, как следствие стартов маневров ракетно-космической техники, может быть эффективно изучена, как оптическими методами, так и радиофизическими.

д) Комплексное изучение эффектов выхлопа ракетных двигателей в атмосфере

Оптические наблюдения рассеяния солнечного света на продуктах сгорания и наблюдения сопутствующих радиофизических эффектов являются эффективным средством для изучения физики верхних слоев атмосферы и ионосферы. Архивные радиофизические, оптические и другие данные, доступные для дальнейшего анализа и полученные в ряде северных европейских обсерваторий (например, Лопарская, Ловозеро, Архангельск, Хейса в России; Соданкюля, Keвo, Килписярви в Финляндии; Aндойя, Тромсе, Лонгербюен в Норвегии и Кируна в Швеции) и в настоящее время могут послужить дополнительным материалом для активных исследований верхней атмосферы.

Обсуждаемые особенности основаны на многочисленных запусках и работе различных ракет в верхних слоях атмосферы и наблюдаются в течение нескольких десятков лет в России, Финляндии, Норвегии и Швеции. Характеристики и параметры светящихся облаков, связанные с продуктами сгорания ракетных двигателей в верхней атмосфере, могут быть эффективно использованы в качестве метода активных экспериментов в околоземном пространстве. Эти исследования позволят исследовать состояние атмосферы на тех высотах, которые не доступны ни спутникам, ни аэростатам. Они являются относительно дешевыми, так как не включают в себя огромные расходы, связанные непосредственно с изготовлением и запуском ракеты.

Содержание журнала "Север промышленный" № 2 за 2013 год