Супутники Starlink допомогли відкрити приховану оболонку атмосфери

Інтернет-супутники Starlink отримали несподівану наукову роль: за їхньою допомогою вчені змогли «побачити» майже невидиму оболонку атмосфери на межі космосу. Команда з Кіотського університету використала зміни орбіт приблизно 1200 супутників Starlink, щоб побудувати карту термосфери Землі на висоті близько 482 кілометрів над поверхнею. Про роботу докладно розповідає видання SciTechDaily.

Результатом стали перші у своєму роді томографічні карти щільності термосфери — тонкого й дуже складного для спостережень шару верхньої атмосфери. Дослідження опубліковано в журналі Earth, Planets and Space.

Як супутники «читають» розріджену атмосферу

Хоча апарати на низькій навколоземній орбіті рухаються нібито в порожнечі, навіть на висоті сотень кілометрів все ще є сліди атмосфери. Зіткнення з поодинокими частинками газу створює опір, який поступово зменшує швидкість і висоту орбіти супутника.

Коли зростає сонячна активність, верхні шари атмосфери нагріваються і розширюються. Тоді щільність газу на орбітах супутників збільшується, а сили опору посилюються. Геомагнітні бурі можуть різко змінити щільність на цих висотах, що ускладнює точний розрахунок орбіт і уникнення зіткнень.

Саме тому знання про те, як змінюється щільність повітря в термосфері, важливе для:

• точного відстеження супутників;
• прогнозування моментів входу апаратів в щільні шари атмосфери;
• планування корекцій орбіт;
• оцінки траєкторій космічного сміття.

Однак безпосередньо спостерігати цей регіон складно. Термосфера простягається приблизно від 100 до 1000 кілометрів над Землею. У ній зосереджено понад 99% нейтрального газу верхньої атмосфери, тоді як заряджені частинки іоносфери становлять менш як відсоток.

Іоносферу можна вивчати через її вплив на радіосигнали, але нейтральний газ залишає набагато слабший «слід». Тому раніше дослідники покладалися на спеціальні прилади, моделі або дані з окремих супутників уздовж їхніх орбіт.

Томографія атмосфери за орбітальними змінами

Команда Кіотського університету запропонувала інший підхід: розглядати сузір’я Starlink як велику мережу рухомих датчиків атмосфери. Кожен супутник, проходячи крізь термосферу, втрачає невелику частину орбітальної енергії через опір газу.

Дослідники обчислили ці зміни, використавши детальні орбітальні параметри (ефемериди), що відкрито публікуються для супутників Starlink. Потім вони застосували томографію — математичний метод, який також лежить в основі медичних КТ-знімків, — щоб оцінити, як щільність атмосфери змінюється в різних точках простору.

Поєднавши вимірювання сотень апаратів, вчені отримали двовимірну карту розподілу щільності за широтою та довготою. Більшість попередніх місій давали лише «лінійні» вимірювання вздовж траєкторії окремого супутника, наче дослідник знайомиться з місцевістю, рухаючись лише однією дорогою.

Нова методика забезпечує значно ширший огляд. Отримані карти добре узгоджуються з даними про зміни щільності, які раніше фіксували супутники SWARM Європейського космічного агентства, що стало незалежною перевіркою результатів.

Крок до кращих прогнозів космічної погоди

Свіжа робота продовжує попереднє дослідження тієї ж групи, в якому використовували так звані Two-Line Element (TLE) — спрощені орбітальні дані — для аналізу змін щільності термосфери з часом і за висотою. Тепер до часової та висотної інформації додалася «горизонтальна» — як саме щільність відрізняється між різними географічними районами.

Якщо методику вдасться розвинути, майбутні версії системи можуть наблизити відстеження щільності термосфери до режиму майже реального часу. Такі карти можуть:

• поліпшити прогнози космічної погоди;
• уточнити розрахунки орбіт супутників;
• допомогти операторам швидше реагувати на збурення верхньої атмосфери під час сонячних бур.

Дослідники підкреслюють, що їхня робота лежить на перетині космічної науки й космічної інженерії та демонструє, як великі супутникові угруповання можуть стати інструментом для вивчення навколоземного простору, а не лише засобом зв’язку.