Skip to main content

Space Weather Atmosphere Model and Indices

Article Category

Article available in the folowing languages:

Zmniejszenie ryzyka zderzeń w kosmosie dzięki lepszemu modelowaniu termosfery

Termosfera to obszar, w którym dzieje się dużo – od burz słonecznych po wystrzeliwanie coraz większej liczby satelitów. Aby uniknąć zderzeń, operatorzy muszą przewidywać kształt orbit z dużą dokładnością, uwzględniając przy tym zmienny czynnik oporu powietrza.

Przemysł kosmiczny

Górna warstwa atmosfery, czyli termosfera, jest bardzo cienka, ale nawet gęstość masy ponad miliard razy mniejsza niż przy powierzchni planety nie powoduje, że przewidywanie oporu powietrza ma mniejsze znaczenie. Opór powietrza jest szczególnie istotnym czynnikiem dla wszystkich operatorów satelitów. Na niskiej orbicie okołoziemskiej to właśnie opór powietrza przekłada się na większość błędów w obliczeniach i nie można o nim także zapomnieć planując misje satelitarne, przewidując trajektorie, rozważając ponowne wejścia na orbitę czy planując manewry pozwalające uniknąć zderzenia. W Międzynarodowej Stacji Kosmicznej takie manewry przeprowadza się raz do roku właśnie z tego powodu. Sean Bruinsma, pracujący w Centrum Kosmicznym w Tuluzie (CNES) we Francji, kieruje finansowanym ze środków UE projektem SWAMI. Jak sam wyjaśnia: „Obecnie naszym głównym problemem jest unikanie zderzeń. Problem ten niestety z dnia na dzień staje się coraz bardziej palący, ponieważ na orbitę wprowadzane są bardzo duże konstelacje satelitów, na przykład obiekty Starlink. Sama ich liczba sprawia, że ryzyko zderzenia znacznie wzrasta”. Aby móc dokładnie przewidywać ryzyko zderzenia, trzeba dysponować dokładnym modelem gęstości oraz wiarygodnymi prognozami aktywności słonecznej i geomagnetycznej. Jedyny europejski model termosfery, model temperatury tarcia (ang. Drag Temperature Model, DTM), traci zastosowanie na wysokości 120 km. Oznacza to, że podczas prowadzenia obliczeń parametrów ponownego wejścia poniżej tej wartości należy korzystać z modeli amerykańskich. „Teraz, dzięki połączeniu cyfrowych tabel średnich miesięcznych modelu zunifikowanego obliczonych przez Met Office ze Zjednoczonego Królestwa i zaktualizowanego modelu DTM, udało się nam opracować model atmosfery skuteczny do wysokości 1 500 km. Ten model, MOWA Climatological Model (MCM), sprawdzi się także podczas działań prowadzonych na satelitach, w tym do obliczeń ponownego wejścia w atmosferę”, mówi Bruinsma. „MCM to znaczący krok w kierunku uniezależnienia europejskich działań w przestrzeni kosmicznej. Niestety kryzys związany z pandemią COVID-19 sprawił, że nie udało się nam osiągnąć planowanej dokładności w zakresie ponownego wejścia w atmosferę”.

Obliczanie wpływu wiatru słonecznego

W ramach projektu SWAMI przygotowano również nowy współczynnik geomagnetyczny Hpo, parametr oddający wkład energetyczny w górnych warstwach atmosfery pochodzący z wiatru słonecznego. Parametr Hpo wykorzystuje 30- i 60-minutowe interwały próbkowania (dla stosowanego wcześniej współczynnika Kp interwał wynosił 180 minut) i pozwala lepiej uwzględniać wkład burzy geomagnetycznej w prowadzone obliczenia. „Wyższa rozdzielczość czasowa parametru Hpo umożliwia dokładniejsze modelowanie zmienności w termosferze. Manewry satelitów wymagają wyznaczania przewidywanych orbit obiektów na kilka dni, a czasem nawet na kilka tygodni naprzód. Wymaga to prognozowania aktywności Słońca i aktywności geomagnetycznej dla tego samego odcinka czasu”, zauważa Bruinsma. Aby to osiągnąć, w projekcie wykorzystano metody uczenia maszynowego i zastosowano specjalny algorytm do optymalizacji dokładności obliczeń podczas burz geomagnetycznych.

Narzędzia analizy

Modele MCM i DTM są dostępne w serwisie Github. Użycie niekomercyjne jest bezpłatne, aby móc korzystać z modeli na użytek komercyjny, należy nabyć odpowiednią licencję. Modele te są narzędziami operacyjnymi opracowanymi przez zespół SWAMI, które są przeznaczone do implementacji w oprogramowaniu użytkownika. Instrukcje dotyczące wdrożenia i testów porównawczych można znaleźć na stronie internetowej projektu SWAMI i w serwisie Github.

Słowa kluczowe

SWAMI, przestrzeń kosmiczna, pogoda, klimat, słoneczna, atmosfera, satelity, orbita, termosfera

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania