Мониторинг загрязнения околоземного пространства оптическими средствами

МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ОПТИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

А.К. Муртазов

Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина ул. Свободы, 46, Рязань, Россия, 390000

Представлена модель оптического мониторинга естественного и техногенного загрязнения околоземного космического пространства (ОКП). Проанализированы данные мониторинга фонового естественного загрязнения ОКП. Произведена оценка риска для космической техники со стороны воздействия опасных метеороидов в метеорных потоках.

Ключевые слова: космический мусор, экология околоземного пространства, мониторинг, экологические риски, метеорный поток.

Космический мусор загрязняет ОКП, верхнюю атмосферу и представляет опасность для космической техники. Другим фактором опасности может оказаться инфразвуковое излучение биологических частот, возбуждаемое в пылевой плазме атмосферы в период действия метеорных потоков. Кроме того, конденсация капелек воды на пылинках космического мусора в верхней атмосфере влияет на общее альбедо Земли и ее климат. Таким образом, мониторинг загрязнения ОКП телами естественного и техногенного происхождения в связи с широким спектром их воздействия как на состояние ОКП, так и на процессы в биосфере и ее безопасность, представляется актуальным и экологически значимым [1].

Цель экологического мониторинга: контроль потоков естественных и техногенных тел в околоземном пространстве для оценки его экологического состояния и риска для человека, техники, биосферы.

Основные задачи: 1) обнаружение, наблюдение, идентификация естественных и техногенных тел в ОКП оптическими средствами; 2) определение плотности потоков тел в ОКП, выявление опасных тел в этих потоках; 3) оценка опасности для техники и человека в ОКП, для биосферы от воздействия тел естественного и техногенного происхождения.

В астрономической обсерватории Рязанского госуниверситета разработана концепция и реализована модель экологического мониторинга загрязнения ОКП оптическими средствами [2]. Общая схема модели представлена на рис. 1.

В процессе разработки концепции и реализации модели:

— разработана концепция экологии околоземного пространства как среды мониторинга [1; 3];

— разработаны методы решения прямой и обратной задач спектрофотометрии объектов естественного и искусственного происхождения в ОКП как основы экологического мониторинга [1; 5];

— разработан метод физического моделирования оптических характеристик поверхностей космических тел естественного и искусственного происхождения как основы их идентификации в ОКП [1];

Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2010, № 5

— определены ожидаемые параметры, характеризующие возможность обнаружения и видимости объектов в ОКП, основные конструктивные параметры аппаратуры для осуществления оптического мониторинга объектов в ОКП [2];

— при проведении широкоугольных оптических ПЗС-наблюдений метеорных потоков получены данные о фоновом естественном загрязнении ОКП [6];

— оценены риски соударения опасных метеороидов с искусственными космическими объектами в ОКП.

Рис. 1. Блок-схема экологического мониторинга загрязнения ОКП оптическими средствами

Опасность для космической техники в ОКП можно оценить числом соударений опасных метеороидов размерами более 1 мм, приходящихся на единицу площади космического объекта в единицу времени [6].

В 2007—2009 гг. нами проводился оптический мониторинг естественного метеорного фона в ОКП, создаваемого яркими метеороидами потока Персеиды. Широкоугольная система с ПЗС-приемником излучения регистрировала метеоры ярче первой звездной величины, которые являются в этом потоке опасными.

Для потока Персеиды, имеющего относительно Земли скорость V = 60 км/с, масса метеороида, порождающего метеор нулевой звездной величины, составляет Мо » 210 г и соответственно радиус около 1 мм.

Результаты мониторинга в 2007—2008 гг. [6; 7] в функции долготы Солнца Алдип на период действия Персеид представлены на рис. 2.

В потоке Персеиды выделяют три локальных максимума в распределении числа метеоров по времени. Время третичного пика приходится на эклиптическую долготу Солнца = 140,4°.

Рис. 2. Количество ярких

В 2008 г. третичный пик предсказывался в 21^30т ЦТ 12 августа, что подтвердилось нашими наблюдениями.

В 2009 г. время общего пика и максимума потока ярких метеороидов не совпали (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение наблюдений ярких метеороидов в Персеидах 2009

Показатель опасности для космической техники в ОКП можно оценить числом соударений опасных метеороидов массой более 1 г, приходящихся на единицу площади космического объекта в единицу времени. Так, для наблюдаемого часового числа метеороидов N = 60 число их соударений с нормально расположенным к потоку экраном площадью 104 м2 можно оценить как п = 25 в год, или 1 соударение примерно в 15 суток.

Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2010, № 5

Основные параметры потока рассчитывались исходя из простых соображений. На нем H — высота сгорания метеоров; v — скорость метеорного потока; h — высота радианта потока над горизонтом; Z — направление на зенит пункта наблюдения, R — направление на радиант потока. Плотность потока рассчитывается по формуле

Ф =-3 2 N-[км-2с-1],

7,2 • 103H2 • sin h • tan A • tan B

где N (час-1) — часовое число метеоров в поле зрения с угловыми размерами АхВ (град); Н (км) — высота сгорания метеоров.

Пространственная плотность потока рассчитывается по формуле

Ф 5

D = — [км-3],

v

где v [км/с] — скорость метеорного потока.

Согласно нашим наблюдениям в августе 2007—2009 гг. показатель метеоро-идной опасности для объектов в околоземном пространстве был связан именно с частицами метеорного потока Персеиды. При общей пространственной плотности частиц в Персеидах 15 • , 10-9 км-3 ее величина для опасных метеороидов достигала 40% этого значения в период максимума потока.

Средняя величина риска (табл. 1), определенная как соударение опасных ме-

4 2

теороидов с экраном площадью 104 м2, не превышала в период максимума потока n = 12 в год (одно соударение в 36 суток).

Таблица 1

Результаты определения плотности потока опасных метеороидов в Персеидах в 2007—2009 гг.

Дата UT Average Solar Lon- HR Ф 10-9 D 10-10 Risk

gitude

07.08.2007 19 00 — 24 00 134.900 ± 0.100 4,2 ± 0.7 59,6 ± 10,0 9,7 ± 1,6 1,5

08.08.2007 19 00 — 24 00 135.858 ± 0.100 8,0 ± 0.8 113,6 ± 11,4 18,4 ± 1,8 3,3

08.08.2008 19 00 — 21 00 136.507 ± 0.040 5,0 ± 0,1 71,0 ± 1,4 11,5 ± 0,2 2,1

9.08 — 137.500 0 0 0 —

10.08.2009 20 20 — 21 20 138.201 ± 0.020 5,8 ± 0,1 82,4 ± 1,4 13,3 ± 0,2 2,4

10.08.2008 20 00 — 22 00 138.465 ± 0.040 1,9 ± 0,1 27,0 ± 1,4 4,3 ± 0,2 0,8

11.08.2007 19 00 — 24 00 138.731 ± 0.105 7,8 ± 2,3 110,8 ± 32,7 17,9 ± 5,3 3,2

11.08.2009 19 00 — 21 30 139.160 ± 0.060 12,4 ± 1.6 176,1 ± 22,7 28,5 ± 3,7 5,2

11.08.2008 18 00 — 22 00 139.384 ± 0.060 11,1 ± 4,3 157,6 ± 61,1 25,5 ± 9,9 4,6

12.08.2009 18 00 — 24 00 140.140 ± 0.140 27,1 ± 7,7 384,8 ± 109,3 62,3 ± 17,7 11,2

12.08.2008 18 00 — 22 00 140.344 ± 0.060 16,1 ± 5,6 228,6 ± 79,5 37,0 ± 12,9 6,7

13.08.2007 19 00 — 24 00 140.656 ± 0.100 8,3 ± 5,6 117,9 ± 79,5 19,1 ± 12,9 3,5

Результаты наших исследований показали, что метеороиды не являются главным фактором опасности для космической техники и человека в околоземном пространстве. Однако существует ряд метеорных потоков, пространственная плотность частиц в которых выше, чем в Персеидах. Кроме того, во время метеорных дождей поток опасных метеороидов в ближнем космосе увеличивается даже на несколько порядков.

Определенным фактором опасности обладают также не привязанные к определенному времени года спорадические потоки, пространственная плотность опасных частиц в которых может оказаться весьма высокой, а плотность вещества их метеороидов значительно превышать плотность вещества в метеороидов регулярных потоков.

Таким образом, непрерывный мониторинг опасных тел в метеорных потоках необходим для постоянного контроля загрязнения околоземного космического пространства телами естественного происхождения, как в целях оценки его физического состояния, так и безопасности жизнедеятельности человека.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Муртазов А.К. Экология околоземного космического пространства. — М.: Физматлит, 2004.

[2] Муртазов А.К. Организация системы оптического мониторинга загрязнения околоземного пространства // Экологические системы и приборы. — 2009. — № 1. — С. 28—32.

[3] Муртазов А.К. Физические основы экологии околоземного пространства: Учебное пособие. — Рязань: Изд-во РГУ им. С.А. Есенина, 2008.

[4] Муртазов А.К. Оптические свойства поверхностей ИКО и техногенных отходов в космосе // Околоземная астрономия и проблемы изучения малых тел Солнечной системы. — М.: Космосинформ, 2000. — С. 262—268.

[5] Муртазов А.К. Прямая задача фотометрии при оптическом мониторинге космических объектов в околоземном пространстве // Известия вузов. Физика. — 2006. — № 11. — С. 67—71.

[6] Муртазов А.К., Воскресенский А.В., Колосов Д.В., Титов П.В. Экологический мониторинг загрязнения околоземного пространства оптическими средствами // Экологические системы и приборы. — 2007. — № 3. — С. 24—26.

[7] Murtazov A.K., Efimov A.V., Kolosov D.V. Bright Perseids in 2007 // WGN. The Journal of International Meteor Organization. — 2008. — V. 36. — N 4. — P. 1—2.

OPTICAL MONITORING OF CIRCUMTERRESTRIAL SPACE CONTAMINATION

A.K. Murtazov

Ryazan State University named after Essenin Svoboda str., 46, Ryazan, Russia, 390000

A general structural scheme for optical monitoring of circumterrestrial space natural and tech-nogenic pollution is presented. The data of the circumterrestrial space background natural pollution is analyzed. The risk for space equipment caused by the meteor stream dangerous meteoroids is assessed.

Key words: rubbish cosmic, circumterrestrial space ecology, monitoring, ecological risk, meteor stream.